Способ подготовки шихты для получения алюминиево-кремниевых сплавов карботермическим восстановлением Советский патент 1992 года по МПК C22B4/06 C22C1/02 

цевый песок, углеродсодержащий восстановитель - каменный уголь, нефтяной кокс и связующее, совместное смешивание их, окускование шихты и плавку окускованной шихты в рудовосстановительной электропечи.

Известен способ подготовки брикетированной шихты к рудовосстановительной плавке, заключающийся в выполнении следующих операций: дробление и помол восстановителя и связующей глины, дозировка компонентов шихты, смешение и бегуне- ние, прессование и сушка брикетов.

Известен способ получения алюминие- вокремниевых сплавов путем восстановления брикетированной смеси рксидного сырья с углеродистым восстановителем в электропечи/заключающийся в том, что применяют брикеты из глинозема, кварцевого песка и высокоплавкой фракции буро- угольного экстракта, в которых часть глинозема заменена каолином.

Известен способ получения алюминие- вокремниевых промежуточных сплавов в электротермической печи, отличающийся, тем, что восстанавливаемую окись и восстановитель загружают в электротермическую печь в кусковой форме и каолиноглинозем- ную смесь в кусковой форме с кварцем и восстановителем в кусковой форме загружают в электрическую печь.

Известен способ получения алюминие- вокремниевых сплавов, включающий подготовку шихтовых материалов, дозировку и смешивание их, брикетирование шихты, сушку брикетов и их плавку.

Недостатком известных способов получения алюминиевокремниевых сплавов является ошлакование части шихты в процессе рудовосстановительной плавки и связанные с ним потери сплава.

Наиболее близким к предложенному является способ получения алюмокремниевых сплавов, отличающийся тем, что смесь кремнезем-глиноземного сырья перед смешиванием с угле родео держащим восстановителем окомковывают до крупности 0,1-15 мм, т.е. совместно брикетируют углеродсодержащий восстановитель и окомко- ванное кремнезем-глиноземное сырье.

Недостатком известного способа получения алюминиевокремниевых сплавов является то, что не представляется возможным получение сплавов с высоким содержа- нием алюминия (60% и бдлее) без значительного увеличения удельного расхода электроэнергии на получение сплава и снижения извлечения из шихты в сплав ведущих элементов алюминия и кремния.

Целью изобретения является повышение извлечения алюминия и кремния из шихты в сплав, снижение энергозатрат на производство алюминиевокремниевых

сплавов и повышение в нем содержания алюминия.

Поставленная цель достигается тем, что смешивают массы углеродсодержащего восстановителя и глинозема при отношении

0 нелетучего углерода углеродсодержащего восстановителя к глинозему 0,45-1,06 и затем к смеси перед ее окускованием или после окускования дополнительно добавляют окускованное кремнезем-глиноземное

5 сырье и/или кусковый кремнезем в количестве, обеспечивающем в составе шихты содержание нелетучего углерода 90-115% от стехиометрического количества, необходимого для восстановления всех оксидов ших0 ты до их металлов.

В отличие от прототипа в рудовосстановительной электропечи плавят шихту, состо- ящую из смеси двух составов: одна составляющая смеси содержит углеродсо5 держащий восстановитель и глинозем и другая составляющая - или окускованное кремнезем-глиноземное сырье, или кусковый кремнезем, или их смесь. Кроме того, эти два состава смеси могут быть взяты от0 дельными кусками или совместно окуско- ванными и находиться отдельными структурными составляющими в одном куске шихты. При этом для достижения восстановления всех оксидов шихты до их

5 металлов содержание нелетучего углерода в шихте поддерживают равным 90-115% от стехиометрического количества, необходимого для восстановления оксидов шихты до их металлов за счет вводимых окускованно0 го кремнезем- глиноземного сырья и/или кускового кремнезема.

В известном способе получения алюминиевокремниевых сплавов кремнезем-гли- ноземное сырье, содержащее

5 алюмосиликаты, глинозем, кварцевый песок и другие компоненты, тщательно смешано, окусковано и в кусковом виде введено в углеродсодержащий восстановитель. Поэтому в начальный период процессы восста0 новления оксидов алюминия и кремния протекают за счет диффузии углерода в объем оксидного сырья, образуя в первую очередь карбид кремния и оксикарбиды алюминия, которые совместно с непрореа5 тировавшими с углеродом оксидами алюминия и кремния дают легкоплавкие системы, ведущие к шлакообразованию. Несмотря на то, что при осуществлении известного способа процессы начала восстановления окси- дов алюминия и кремния углеродом

протекают при более высокой температуре, чем в тщательно смешанных брикетированных смесях оксидного сырья и углеродсодержащего восстановителя, остаются условия шлакообразования в рудовосстановительной электропечи из-за образования в процессе плавки в .оксидном куске легкоплавких систем. Ошлакование части шихты приводит к снижению извлечения алюминия и кремния из шихты в сплав, снижению содержания алюминия в выплавляемом сплаве и повышению энергетических затрат на производство сплава.

Во избежание потерь сплава за счет шлакообразования в электропечи и с целью повышения содержания алюминия в выплавляемом сплаве и снижения энергозатрат предложен способ подготовки шихты для получения электротермических алюми-т ниевокремниевых сплавов, заключающийся в том, что массу сдозированного углеродсо- держащего восстановителя, содержащегося в составе шихты, смешивают с глиноземом при отношении нелетучего углерода углеродсодержащего восстановителя к глинозему 0,45-1,06 и затем к полученной смеси перед ее окускованием или после окускования ее дополнительно добавляют окускованное кремнезем-глиноземное сырье и/или кусковый кремнезем в количестве, обеспечивающем содержание нелетучего углерода в шихте 90-115% отсте- хиометрического количества, необходимого для восстановления-всех оксидов шихты до их металлов.

Благодаря вводу в состав шихты отдельной составляющей смеси углеродсодержащего восстановителя и глинозема в соотношении 0,45-1,06, обеспечивающем восстановление глинозема до карбида алюминия во всем интервале предельных значений указанного соотношения, удается изменить химизм процесса восстановления таким -образом, что алюминиевокремние- вый сплав на последней стадии восстановления получают в результате взаимодействия в основном карбида алюминия и частично карбида кремния с оксидом кремния или оксидами кремния и алюминия.

За счет того, что глинозем в процессе рудовосстановительной плавки восстанавливается до карбида алюминия и находится отдельно от оксидов кремния и алюминия, содержащихся в шихте в окускованном виде, удается избежать образования легкоплавких систем, состоящих из оксикарбида алюминия, карбида кремния и оксидов алюминия и кремния, и в конечном итоге снизить шлакообразование в электропечи;

повысить извлечение сплава из шихты и уменьшить энергозатраты на производстве сплава...

Кроме того, благодаря взаимодействию

на последней стадии восстановления карбида алюминия с оксидом кремния или оксидом кремния и оксидом алюминия, содержащимися в окускованном оксидном сырье, представляется возможным пол0 учать алюминиевокремниевые сплавы с содержанием алюминия 72% и более, тогда как его содержание в сплавах, получаемых известными способами, достигает не более 61%.

5 П р и ме р. Дозируют порошкообразный углеродсодержащий восстановитель каменный уголь марки газовый и нефтяной кокс, взятые в массовом отношении 1:1, и дозируют технический глинозем, поддерживая при

0 этом соотношение между нелетучим углеродом углеродсодержащего восстановителя и глиноземом равное 0,45-1,06. Каменный уголь, нефтяной кокс и технический глинозем, в качестве которого могут быть взяты

5 материалы, содержащие основной составляющей оксид алюминия, смешивают, увлажняют водным раствором связующего, обычно лигносульфонатом техническим. Затем к полученной смеси перед ее оку0 скованием или после ее окускования допол- нительно добавляют окускованное кремнезем-глиноземное сырье, или кусковый кремнезем, или кусковой кремнезем и окускованное кремнез ем-глинрземное

5 сырье.

Таким образом, дополнительно добавленные к смеси углеродсодержащего восстановителя и глинозема окускованное кремнезем-глиноземное сырье и/или куско0 вый кремнезем или совместно окусковыва- ют со смесью и они находятся в объеме куска отдельными структурными составляющими или их смешивают после окускования каждого отдельно.

5 .

Так как смесь углеродсодержащего восстановителя и глинозема содержит нелетучего углерода не менее стехиометрического количества, необходимого для восстановле0 ния оксида алюминия до его карбида, то к этой смеси дополнительно добавляют окускованное кремнезем-глиноземное сырье и/или кусковый кремнезем из расчета на восстановление карбида алюминия и добав5 ляемых оксидов до их металлов, т.е. за счет добавки к смеси углеродсодержащего восстановителя и глинозема окускованных оксидов поддерживают в общей массе шихты содержание нелетучего углерода равное 90- 115% от стехиометрической его массы, необходимой для восстановления всех оксидов шихты до их металлов.

Предельные соотношения между нелетучим углеродом углеродсодержащего восстановителя и глиноземом выбраны из условия достижения минимального шлакообразования в электропечи в процессе ру- довосстановительной плавки. Это достигается за счет того, что наиболее трудновосстанавливаемый оксид алюминия тщательно смешан с углеродсодержащим восстановителем и, находясь в составе шихты отдельной структурной составляющей, на первой стадии восстановления образует карбид алюминия по реакции:

2А 20з+9С А14Сз+6СО(1)

Стехиометрическое соотношение между нелетучим углеродом и оксидом алюминия, обеспечивающее протекание реакции (1) равно 0,529. Однако в промышленных условиях не используют химически чистого оксида алюминия. Обычно в состав шихт вводят глинозем технический с содержанием оксида алюминия 93-97%, а также глинозем мелких фракций после низкотемпературного обжига гидроксида алюминия, содержащий до 85% оксида алюминия (остальное ППП и примеси). Исходя из состава используемого в производстве алюминиевокремниевых сплавов глинозема (содержание оксида алюминия 85%) сте- хиометрическое соотношение между массой нелетучего углерода и массой глинозема, обеспечивающей протекание реакции (1), т.е. перевод оксида алюминия в его карбид, будет равным 0,45. Это отношение массы нелетучего углерода к массе глинозема принято за нижний предел.

В дальнейшем образовавшийся карбид алюминия взаимодействует с введенными в состав шихты в кусковом виде оксидами кремния и алюминия и образуется алюми- ниевокремниевый сплав по суммарным реакциям:

АЦСз+1,55Ю2 4А1+1,551+ЗСО,(2)

А14Сз+А12Оз 6А1+ЗСО(3)

Реакция (2) протекает при добавлении к смеси углеродсодержащего восстановителя и глинозема кускового кремнезема, а реакции (2) и (3) при добавлении окускованного кремнезем- глиноземного сырья.

При добавлении к смеси, содержащей нелетучий углерод и оксид алюминия глинозема в массовом отношении равном 0,529, кускового кремнезема в стехиометрическом количестве, обеспечивающем реакцию (2), удается получать сплавы с содержанием алюминия до 72%, а добавление окускованного кремнезем-глиноземного сырья обеспечивает в сплаве содержание алюминия более 72%.

При плавке шихты, в составе которой смесь углеродсодержащего восстановителя

и глинозема имеет соотношение нелетучего углерода и глинозема менее 0,45, в электропечи заметно усиливается шлакообразование из-за избытка в смеси оксида алюминия, не обеспеченного углеродом для

0 образования карбида алюминия по реакции (1). Образующийся карбид алюминия и избыточный оксид алюминия взаимно растворяются и создают шлакующие смеси.

Поэтому во избежание образования в

5 смеси углеродсодержащего восстановителя и глинозема легкоплавких систем за счет избытка оксида алюминия нижний предел соотношения между нелетучим углеродом углеродсодержащего восстановителя и гли0 ноземом принят равным 0,45.

По мере повышения отношения нелетучего углерода к глинозему в смеси уменьшается количество образующегося карбида алюминия и увеличивается доля свободного

5 (несвязанного) нелетучего углерода, с которым вступают в химическое взаимодействие оксиды кускового кремнезема и/или окускованного кремнезем-глиноземного сырья, образуя прежде всего карбид кремния. По0 этому, чтобы избежать шлакообразования в электропечи в процессе рудовосстанови- тельной плавки, соотношение между нелетучим углеродом и глиноземом и добавкой кускового кремнезема и/или окускованного

5 кремнезем-глиноземного сырья взяты из расчета получения алюминиевокремниево- го сплава на последнейстадии восстановления в результате химического взаимодействия двух веществ - образовав0 шегося карбида кремния с оксидом алюминия.

Суммарная реакция имеет следующие стехиометрические соотношения:

AI203+3Si02+9C 2AI+3Si+9CO(4)

5 Согласно реакции (4) отношение нелетучего углерода к оксиду алюминия равно 1,06. Это Стехиометрическое соотношение принято за верхний предел отношения нелетучего углерода к глинозему в смеси.

0 В составе шихты при увеличении отношения нелетучего углерода углеродсодержащего восстановителя к глинозему выше верхнего предела 1,06 как основная масса свободного нелетучего углерода, так и ок5 сидное сырье находятся раздельно в кусковом виде. Получение алюминиевокремниевых сплавов из шихт, содержащих в кусковом виде оксидное сырье и в кусковом виде углеродсодержащий восстановитель, сопровождается значительным шлакообразованием в электропечи, потерями полезных элементов сплава, высоким расходом электроэнергии.

Примеры составов шихт приведены в табл.1 и 2.

Предлагаемый способ подготовки шихты для получения алюминиевокремниевых сплавов испытан в полупромышленных условиях и полученную этим способом шихту проплавили на рудовосстановительной электропечи мощностью 120 кВА.

Взяты измельченные 50 кг каменного угля, 50 кг нефтяного кокса и добавлен глинозем технический в отношении к сумме нелетучего углерода каменного угля и нефтяного кокса,равном 0,529 в количестве 141,8 кг. Сдозированные материалы смешивают, добавляют связующее -12,4 кг лигно- сульфоната технического, смесь брикетируют и брикеты сушат. К массе пол- ученных брикетов добавляют кусковой кремнезем (кварцит) в количестве 62,4 кг. В полученной шихте, содержащей брикеты и кварцит, содержание нелетучего углерода составляет 100% от его стехиометрического количества, необходимого для восстановления всех оксидов шихты до их металлов.

Для сравнения результатов проплавлены брикеты известного способа получения алюминиевокремниевых сплавов.

Полученные результаты приведены в табл.3.

Положительный результат при рудовосстановительной плавке шихты, подготовленной предложенным способом, достигается за счет того, что на последней стадии восстановления алюминиевокрем- ниевый сплав получают в результате химического взаимодействия карбида алюминия с оксидами кремния и алюминия или в слу0

5

чае использования шихт, в которых соотношение нелетучего углерода и глинозема на уровне верхнего предела, в результате взаимодействия карбида кремния и оксида алюминия. Кроме того, благодаря разобщению в объеме шихты образующихся карбидов и оксидов, введенных в состав шихты в кусковом виде, удается избежать образование легкоплавких систем, ведущих к шлакообразованию в электропечи, и за счет этого повысить извлечение в сплав алюминия и кремния и снизить расход электроэнергии на получение сплава.

Сравнивая данные, полученные при испытаниях, видно, что при использовании изобретения получено улучшение технико- экономических показателей процесса: снижены удельные расходы электроэнергии на 1,6%, брикетов на 2% и достигнуто увеличе- 0 ние алюминия на 3-7%.

Формул а изобретения Способ подготовки шихты для получения алюминиево-кремниевых сплавов кар- ботермическим восстановлением, включающий дозировку шихтовых материалов и связующего, смешение и окусковыва- ние шихты, отличающийся тем, что, с целью повышения извлечения алюминия и кремния из шихты в сплав, снижения энергозатрат на производство сплавов и повышение в их содержание алюминия, смешению подвергают углеродсодержащий восстановитель и глинозем при отношении нелетучего углерода углеродсодержащего восстановителя к глинозему 0,45-1,06, вводят кусковой кремнезем и/или окускован- ное кремнезем-глиноземистое сырье до содержания нелетучего углерода в шихте 90-115% от стехиометрического количества.

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и касается способа подготовки шихты для получения электротермических алюминиево-кремниевых сплавов карботермическим восстановлением оксидов алюминия и кремния до их элементов в рудовосстановительных печах. Целью изобретения является повышение извлечения алюминия и кремния из шихты в сплав, снижение энергозатрат на производство алюминиево-кремниевых сплавов и повышение в нем содержания алюминия. Новым является то, что при подготовке шихты смешиваСпособ относится к области металлургии цветных металлов и касается способа подготовки шихты для получения элект рр- термических алюминиевокремниевых сплавов- карботермическим восстановлением оксидов алюминия и кремния до их элеменА тов в рудовосстановительных печах. Технико-экономические показатели процесса получения алюминиевокремниевых сплавов зависят не только от вида и количества применяемых для их получения исходных материалов, нсИи от соотношений между ними в шихте и непосредственно в ют углеродсодержащий восстановитель и глинозем при отношении нелетучего углерода углеродсодержащего восстановителя к глинозему 0,45-1,06. Другим отличием является то, что к полученной смеси перед ее окускованием или после ее окускования дополнительно добавляют кусковый кремнеземи/илиокускованное кремнезем-глиноземное сырье в количестве, обеспечивающем в составе шихты 90- 155% нелетучегоуглерода стехиометрического количества, необходимого для восстановления всех оксидов шихты до их металлов. Таким образом, в рудовосстановительной электропечи плавят шихту, состоящую из смеси двух составов: одна составляющая смеси содержит углеродсодержащий восстановитель и глинозем и другая составляющая смеси является или окускованным кремнеземглиноземным сырьем, или кусковым кремнеземом, или их смесью. Кроме того, эти два состава смеси .могут быть взяты отдельными кусками или совместно окускованными и находиться отдельными структурными составляющими в одном куске шихты. 3 табл. объеме кусков окомкованной шихты. Поэтому одним из путей повышения эффективности выплавки сплавов является создание наиболее благоприятных условий для протекания восстановительных процессов за счет подготовки шихты к плавке. Известны способы подготовки шихты для получения алюминиевокремниевых сплавов, включающие дозировку шихтовых материалов, содержащих кремнезем-глиноземное сырье, например, каолин, высокоглиноземистыеконцентраты, дистенсиллиманитовый концентрат, кварСО р N ю

Таблица

Продолжение табл.Т

Таблица2

Известный способ

Состав брикета, %:

Каолин33,5 Дистен-силлиманитовый

концентрат14,4

Глинозем15,6

Каменный уголь25,1

Нефтяной кокс5,8

Связующее5,6 Удельный расход на 1 кг сплава:

электроэнергии, кВтч/кг23,2

брикетов, кг/кг5,0 Содержание AI

в сплаве, %65

Таблица 3

Предлагаемый способ

Показатели

Состав смеси, кг: Каменный уголь50

Нефтяной кокс50

Глинозем -141,8

Связующее12,4

Отношение нелетучего углерода каменного угля и нефтекокса к глинозему 0,529 Добавка кускового кремнезема (кварцита), кг62,4 Содержание нелетучего углерода в шихте от стехиометрии на восстановление оксидов шихты до их металлов, %100 Удельный расход на 1 кг сплава: электроэнергии, кВтч/кг 22,83 шихты, кг/кг 4,9 Содержание AI в сплаве. % 72