СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩЕГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2005 года по МПК C22C1/02 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия, и может быть использовано при приготовлении алюминиевых кремнийсодержащих сплавов.

Существующая на алюминиевых заводах технология производства кремнийсодержащих сплавов включает растворение в алюминии или его сплаве кристаллического кремния, полученного электротермическим восстановлением кварцита (М.Б.Альтман и др. Плавка и литье легких сплавов. М., Металлургия, 1969, с.270-271) (1).

Данная технология основана на использовании кристаллического кремния определенной крупности (5-50 мм). Для получения указанных фракций слитки электротермического кремния подвергаются дроблению и рассеву. При этом образуются "отходы" в виде мелочи и пыли кремния с крупностью до 5 мм. Суммарное количество мелочи и пыли кремния составляет 7-8% от объема выпускаемого кристаллического кремния.

Образующаяся пыль и мелочь кремния частично используются для покрытия изложниц перед заливкой в них электротермического кремния, в частности переплавляется в жидком кремнии. При этом "угар" пыли и мелочи кремния составляет примерно 50%.

Одним из основных недостатков существующей технологии получения кремнийсодержащих сплавов является наличие значительного количества неэффективно используемой пыли и мелочи кремния.

Частичное решение проблемы с переработкой пыли и мелочи кремния предложено в техническом решении, защищенном международной заявкой (№ WO 88/02409 от 07.04.1988, М. кл. С 25 С 1/02) (2).

Сущность запатентованной технологии сводится к переработке пыли и мелочи кремния крупностью 0,3-1,0 мм в составе брикетов, дополнительно содержащих хлорид бария и галогенидсодержащий флюс, а также продувкой струей инертного газа расплава алюминия или его сплава.

Указанная технология обеспечивает переработку пыли и мелочи кремния с достаточно высокими технико-экономическими показателями. В частности, усвоение кремния в процессе продувки составляет 96-97%.

По технической сущности и наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве прототипа.

Основной недостаток прототипа заключается в частичном использовании пыли и мелочи кремния, образующихся при дроблении слитков электротермического кремния. Из всего объема образующейся мелкой фракции кремния крупностью до 5,0 мм решается проблема переработки пыли крупностью 0,3-1,0 мм, что составляет около 30% от общего объема некондиционного кремния.

При продувке в расплав металла пыли кремния крупностью менее 0,3 мм усвоение кремния снижается до 40-60% в результате его окисления. При использовании мелочи кремния крупностью от 1 до 5 мм также наблюдается незначительное снижение извлечения кремния главным образом из-за ошлаковывания частичек кремния и их потери со шлаком. Кроме того, известное решение обеспечивает усвоение пыли и мелочи кремния на уровне 96-97%, что свидетельствует о наличии определенного резерва по повышению извлечения кремния в сплав.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей процесса приготовления кремнийсодержащих алюминиевых сплавов.

Техническим результатом является использование в технологическом процессе мелочи и пыли кристаллического кремния крупностью до 5,0 мм, образующихся при дроблении слитков.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающем введение струей инертного газа в расплав алюминия или его сплава пыли и мелочи кристаллического кремния при одновременной обработке расплава галогенидсодержащим флюсом, согласно предлагаемому изобретению, минимальное количество используемого при обработке расплава флюса определяют из уравнения

где М_ф - масса галогенидсодержащего флюса, кг;

М_Si - масса кристаллического кремния, кг;

d_Si - средний диаметр частиц кремния, мм, рассчитываемый по уравнению

где С_i - содержание фракций кристаллического кремния, доли единицы;

d_i - диаметр частиц фракций, мм.

Предлагаемый способ дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.

В способе используют кремний крупностью 0,2-5 мм.

Галогенидсодержащий флюс загружают на поверхность расплава металла.

Пыль и мелочь кристаллического кремния предварительно смешивают с галогенидсодержащим флюсом.

Введение пыли и мелочи кристаллического кремния и обработку расплава галогенидсодержащим флюсом осуществляют с одновременным вдуванием порошков в расплав через разные фурмы.

Уравнение (2) справедливо для подсчета среднего диаметра частиц кремния при использовании для гранулометрического анализа стандартного набора сит по ГОСТ 6613-86/2.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Известно, что при вдувании порошкообразных материалов в расплав металла, непосредственно от продувки внедряется в металл и усваивается не более 17-20 вес.% от всего объема порошка. Невнедрившаяся часть порошка газовыми пузырями выносится на поверхность металла. Достигая поверхности металла, газовый пузырь с порошком лопается. При этом порошок выбрасывается в атмосферу над поверхностью металла. Мелкие частички кремния окисляются кислородом и влагой воздуха и переходят в шлак. Более крупные частички кремния частично увлекаются циркуляционными потоками с поверхности металла в объем и растворяются в металле, а частично ошлаковываются и переходят в шлак.

Предлагаемая одновременная с продувкой кремния обработка расплава металла флюсом может быть реализована несколькими способами:

1. Загрузкой флюса на поверхность сплава перед продувкой порошка кремния или в процессе продувки.

2. Продувка пыли и мелочи кремния, предварительно смешанной с порошком галогенидсодержащего флюса.

3. Одновременное вдувание в металл порошков кремния и флюса через разные фурмы.

Во всех случаях введение флюса в систему жидкий алюминиево-кремниевый порошок положительно сказывается на извлечении кремния в сплав. Улучшение технико-экономических показателей процесса при использовании галогенидсодержащего флюса обусловлено:

- улучшением смачиваемости частиц кремния алюминием, что способствует их более быстрому растворению.

- созданием на поверхности металла слоя покровного флюса, который в значительной мере снижает окисление и ошлаковывание частичек кремния, выносимых на поверхность газопорошковыми пузырями.

Экспериментальным путем установлено, что с увеличением количества вводимого флюса, при прочих равных условиях, извлечение кремния в сплав сначала растет, а затем стабилизируется на некотором значении, по-видимому, предельном для данных условий проведения процесса. Количество галогенидсодержащего флюса, при котором достигается усвоение пыли и мелочи кремния на уровне, близком к предельному для данных условий, пропорционально массе введенного кремния и обратно пропорционально среднему диаметру частиц кремния. Данная зависимость может быть представлена эмпирической формулой (1). Если количество используемого флюса меньше расчетной величины, то извлечение кремния в сплав не достигает максимального значения для данных условий процесса.

При использовании большего количества флюса, по сравнению с расчетным по формуле (1), извлечение кремния в сплав практически не увеличивается.

От прототипа предлагаемое решение отличается тем, что получают кремнийсодержащий алюминиевый сплав с использованием мелочи и пыли кристаллического кремния крупностью до 5,0 мм с одновременной обработкой расплава галогенидсодержащим флюсом, количество которого рассчитываются по уравнению (1), учитывающему массу введенной пыли и мелочи кристаллического кремния и средний размер частиц кремния при различных вариантах введения флюса.

Вышеуказанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения "новизна".

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области выявил следующее:

- известна технология получения кремнийсодержащих алюминиевых сплавов, включающая растворение в жидком алюминии или его сплаве кристаллического кремния крупностью 5,0-50 мм (1);

известна технология получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающая загрузку пыли и мелочи кремния крупностью 0,3-1,0 мм в жидкий металл в составе брикетов, дополнительно содержащих галогенидсодержащий флюс (2);

известен способ внепечной обработки жидкого металла путем тангенциального ввода газопорошковой смеси, подаваемой двумя направленными одна навстречу другой струями (авторское свидетельство СССР № 342909, С 21 С 1/00, 1972 (3)).

Не выявлено технических решений, характеризующихся сходными идентичными или эквивалентными признаками с предлагаемым, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение позволяет эффективно перерабатывать весь объем некондиционного кремния (0-5 мм). Одновременная с продувкой кремния обработка расплава металла флюсом обеспечивает повышенное по сравнению с известными техническими решениями извлечение кремния в сплав, а также более высокое качество получаемого металла.

Способ реализуется следующим образом.

В жидкий алюминий технической чистоты через установку для заглубленной инжекции порошков вдували пыль и мелочь кремния.

Основные условия опытов приведены в табл.1.

Таблица 1№п/пПараметры, размерностьЧисловое значение1231Масса порошка кремния в каждом опыте, кг100+12Масса алюминия в каждом опыте, кг2000+303Температура алюминия, °С810+204Диаметр фурмы, мм165Глубина погружения фурмы в металл, мм300+206Расход порошка кремния, кг/мин18+0,27Расход азота на транспорт, кг/час25+0,4

При этом варьировались количество, состав и способ введения флюса в металл. По окончании продувки металл отстаивался в течение 20 минут, затем с его поверхности удаляли шлак.

Пробы металла на кремний отбирались до и после продувки (после удаления шлака). По результатам анализов рассчитывалось извлечение кремния в сплав.

Для опытных продувок использовался рассев пыли и мелочи кремния гранулометрического состава, приведенного в табл.2.

Таблица 2.Номер серии опытовКрупность пыли и мелочи кремния, мм10-0,220-1,030-2,540,5-2,550,5-5,0

Результаты опытов приведены в табл.3.

Таблица 3.Номер серии опытовСредний диаметр частиц Si, мм, (рассчитанный по формуле (2)Масса галогенидсодержащего флюса, кгИзвлечение Si в сплав, вес.%при продувке смеси порошка Si с флюсом 39% NaCl +50% KCl +6,6% Na₃AlF₆ +4,4% CaF₂при загрузке на его поверхность карналитового флюса10,11051,149,0  9072,072,0  13081,482,5  16588,589,0  18089,090,120,52096,095,2  2097,297,0  3097,897,5  3598,298,0  4098,198,230,99095,594,8  1096,896,5  1597,697,3  1898,197,6  2198,397,841,45091,089,0  594,192,0  1095,994,4  12,596,595,4  15,096,796,052,10090,289,6  593,893,2  8,595,295,4  1095,495,8

Таким образом, экспериментальным путем доказано, что для каждой крупности частиц кремния существует оптимальный расход галогенидсодержащего флюса, при котором извлечение кремния в сплав достигает максимального для данных условий значения. В табл.3 данные опытов по каждой серии выделены. На основании полученных результатов составлено уравнение, определяющее минимальный расход галогенидсодержащего флюса в зависимости от массы порошка кремния и среднего диаметра частиц кремния (уравнение 1).

Описанная технология может быть использована как для приготовления кремнийсодержащих алюминиевых сплавов, так и для их подшихтовки кремнием. Кроме того, во всех случаях реализуется флюсовое рафинирование получаемых сплавов от неметаллических и газовых примесей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству алюминия, и может быть использовано при приготовлении кремнийсодержащего алюминиевого сплава. Предложен способ получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающий введение струей инертного газа в расплав алюминия или его сплава пыли и мелочи кристаллического кремния при одновременной обработке расплава галогенидсодержащим флюсом, при этом минимальное количество используемого при обработке расплава флюса и средний размер частиц кремния при различных вариантах введения флюса определяют из уравнений. Технический результат - использование в технологическом процессе мелочи и пыли кристаллического кремния крупностью до 5,0 мм, образующихся при дроблении слитков. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающий введение струей инертного газа в расплав алюминия или его сплава пыли и мелочи кристаллического кремния при одновременной обработке расплава галогенидсодержащим флюсом, отличающийся тем, что минимальное количество используемого при обработке расплава флюса определяют из уравнения

где М_ф - масса галогенидсодержащего флюса, кг;

M_Si - масса кристаллического кремния, кг;

d_Si - средний диаметр частиц кремния, мм, рассчитываемый по уравнению:

где С_i - содержание фракций кристаллического кремния, доли единицы;

d_i - диаметр частиц фракций, мм.