Технология производства силикоалюминия

Сплавы алюминия с кремнием (общее название силумины) широко используются для получения отливок различного функционального назначения. В мировой практике эти сплавы получают сплавлением электролитического алюминия с чистым кремнием. Для получения алюминия из технического глинозема необходимо, прежде всего, наличие высококачественных бокситов (с содержанием SiO₂ не более 2-3%) и большой удельный расход химических реагентов (NaOH) и электрической энергии (~16000 кВт×ч/т алюминия). Вместе с тем, в природе распространены породы, содержащие Al₂O₃ и SiO₂ в химически связанном виде.

В 60-х годах в СССР была разработана электрометаллургическая технология выплавки алюминиево-кремниевого сплава (60% Al + 40% Si) и реализована в промышленных условиях на Днепровском алюминиевом заводе (ДАЗ), ныне Запорожский производственный алюминиевый комбинат (ОАО «ЗАлК») (рис. 15.7).

Сущность технологии состоит в совместном восстановлении алюминия и кремния из оксидов Al₂O₃ и SiO₂ углеродом. Шихта состоит из дистен-силлиманитового концентрата (Al₂O₃∙SiO₂), технического глинозема (Al₂O₃), каолина (Al₂O₃×2SiO₂×2Н₂O) и углеродистого восстановителя.

Каолин представлен, в основном, минералами каолинитом, который состоит из окиси алюминия, кремнезема и воды, его химическая формула Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O. Этот минерал имеет химсостав, %: 39,5 Al₂O₃; 46,6 SiO₂ и 13,9 Н₂О.

Для производства силумина используется каолин Просяновского месторождения (Украина) сухого обогащения марок КЗС-37, КЗС-36, КЗС-35 (табл. 15.1).

Рис. 15.7. Технологическая схема получения сплава алюминия с кремнием электротермическим способом:

1 – насос пневмовинтовой; 2 – силосной склад каолина, дистена–силлиманита; 3 – дробилка щековая; 4 – дробилка молотковая;

5 – мельница шахтная с аэрозагрузкой; 6 – бункер; 7 – дозатор;

8 – шнек; 9 – смеситель; 10 – дозатор щелевой; 11–13 – мешалки; 14 – сушило; 15 – пресс; 16 – бункер; 17 – питатель золотниковый;

18 – печь рудовосстановительная; 19 – рафинирование первичного сплава; 20 – миксер; 21 – печь вакуумфильтровальная; 22 – конвейер литейный; 23 – печь газовая

Таблица 15.1. Физико-химические свойства каолина (по ГОСТ 20080-74)

Содержание компонента, %	Норма по сортам	Фактич. свойства
КЗС–37	КЗС–36	КЗС–35
Al2O3, не менее				35,0–37,0
Fe2O3, не более	0,4	0,5	0,8	0,4–0,8
СаО, не более	0,6	0,7	0,8	0,41–0,8
TiO2, не более	0,4	0,6	0,8	0,41-0,6
Влаги (Н2О), не более	1,0	1,0	1,0	0,5

Глинозем технический состоит из полиминеральной смеси различных модификаций Al₂O₃, из которых наиболее высокотемпературной модификацией является a-Al₂O₃. Используется глинозем металлургический марки Г0, Г00, Г000 по ГОСТу 30558-98.

Массовую долю оксида алюминия определяют по разности 100% и суммы массовых долей примесей (табл. 15.2) и потери массы при прокаливании

Таблица 15.2.Физико-химические свойства глинозема металлургического, %

Марка	Примеси, не более	Потери массы при прокаливании 300-1100оС, не более
SiO2	Fe2O3	TiO2+ +K2O5+ +Cr2O3+ +MnO	ZnO	P2O5	Сумма Na2O+K2O в пересчете на Na2O
Г0	0,03	0,05	0,02	0,02	0,002	0,5	1,2
Г00	0,02	0,03	0,01	0,01	0,02	0,4	1,2
Г000	0,02	0,01	0,01	0,01	0,001	0,3	0,6

Дистен-силлиманитовый концентрат (ДСК) представлен двумя основными минералами – дистеном (65%) и силлиманитом (30%), отличающихся кристаллической структурой и имеющих одну химическую формулу Al₂O₃∙SiO₂ (62,96% Al₂O₃ и 37,04% SiO₂).

Дистен-силлиманитовый концентрат марки КДЗС (зернистый) получают на Верхнеднепровском горно-металлургическом комбинате как побочный продукт при переработке титано-цирконовых песков (табл. 15.3).

Таблица 15.3. Физико-химические свойства дистен-силлиманитового концентрата

Наименование показателей	Нормы компонентов по ТУ У-14-10-017-98	Фактичес- кое содержание
Содержание Al2O3 в %, не менее		55,0–59,0
Содержание Fe2O3 в %, не более	0,8	0,5–0,8
Содержание СаО в %, не более	0,2	–
Содержание MgO в %, не более	0,4	–
Содержание TiO2 в %, не более	2,5	0,4–1,3
Влага в %, не более	0,5	0,3–0,5
Остаток по сетке №315 по ГОСТ 6613, не более	0,5	–
Насыпная плотность, кг/см3	–	1,94

Для корректировки шихты по ходу плавки брикетов в рудовосстановительной дуговой электропечи используют кварцит (98% кварца) Баничского месторождения (по ТУ У-14-10-007-97) (табл. 15.4).

Таблица 15.4. Физико-химические свойства кварцита

Наименование показателей	Требования по ТУ	Фактическ. свойства
Содержание SiO2 в %, не менее	99,0	99,5–99,0
Содержание Fe2O3 в %, не более	0,15	0,06–0,15
Содержание Al2O3 в %, не более	0,25	0,10–0,15
Содержание СаО в %, не более	0,05	0,05–0,10
Содержание посторонних приме- сей (глина) в %, не более	3,0	–
Размер кусков, мм для зимних условий 01.11 по 01.04)	20–90 40–90	25–70
Насыпная плотность фракции 25-70 г/см3	1,4±0,2	1,45

В качестве восстановителя применяют газоугольный концентрат в смеси с нефтяным коксом. Концентрат получают при механическом обогащении молодых газовых углей Донбасса с высоким содержанием летучих веществ (32–38%). Этот концентрат характеризуется низким содержанием золы и Fe₂O₃ в составе золы (табл. 15.5).

Пыль газоугольного концентрата по степени воздействия на организм относится к 4 классу опасности, ПДК – 6,0 мг/м³; по опасности воспламенения и взрыва в помещениях, относится к IV классу опасности группы «Б». Может тлеть, самовозгораться. При концентрациях от 30 до 2000 г/м³ и наличия источника огня, пыль взрывоопасна.

Температура тления при самовозгорании пыли с размером частиц 50–100 мкм 150–250^оС. Температура самовоспламенения – 410^оС.

Нефтяной кокс марки – КЗА является продуктом медленного коксования при температуре 580–700^оС остаточных продуктов, получаемых при переработке нефти по ГОСТ 22898-78 и марок КС-0, КС-5 по ТУ У 00152230020-97.

Эти компоненты подвергаются брикетированию с использованием лигносульфоната* (табл. 15.6). После сушки брикеты подвергаются восстановительной электроплавке в

_____________________

*Лигносульфонат (сульфито-спиртовая барда) – побочный продукт получения целлюлозы сульфитной варки древесины.

открытых рудовосстановительных трехэлектродных электропечах, работающих на переменном токе. Процесс ведется непрерывно, с погруженными в шихту рабочими концами самообжигающихся электродов диаметром 1200 мм каждый. Номинальная мощность группы печных трансформаторов 16,5 МВ×А (5,5 х 3).

Таблица 15.5.Физико-химические свойства газоугольного концентрата

Наименование показателей	Требова-ния по контракту	Фактичес. свойства
Содержание золы, в %, не более	3,75	2,5–5,0
Содержание влаги, в %, не более	3,0	2,2–5,0
Выход летучих веществ, в %	35,5	33,0–38,0
Содержание окислов железа, в % если партия до двух вагонов, не более – « – более двух вагонов, не более	0,8   0,6	0,8–1,1   0,35–0,60
Углерод твердый, в %	56,5	62,0–51,0
Состав золы угля, %:
содержание Fe2O3	–	13–25,0
– « – SiO2	–	42–50,5
– « – MgO	–	1,5–5,0
– « – TiO2	–	0,4–1,5
Насыпная плотность фракции 13-60 мм, т/м3	–	0,8

Таблица 15.6. Физико-химические свойства лигносульфатов технических (ЛСТ)

Наименование показателей	Норма по ТУ 13-028-1036-89	Фактичес. свойства
А	В
Внешний вид и цвет	Густая жидкость темно-коричневого цвета
Массовая доля сухих веществ, % не менее			48,0–50,0
Плотность, кг/м3			1230–1260
Массовая доля золы к массе сухих веществ, % не более	18,0	20,0
Предел вязкости	50–320	50–320

В общем химизм процесса можно представить балансовой реакцией

Al₂O₃ + SiO₂ + 2C = Al + Si + 2CO.

Реально процесс проходит с образованием промежуточных соединений SiO_газ, SiC, Al₄О₄C, Al₂OC, Al₄C₃, что значительно усложняет выбор рациональных электрических и технологических параметров работы печи.

Силикоалюминий выпускают в ковш с одновременным рафинированием его от шлака при помощи легкоплавких флюсов. Выпускаемый из печи первичный рафинированный алюминиево-кремниевый сплав имеет следующий химический состав, %:

Al	Si	Fe	Ti	Zr	Cr
55–62	38–42	1,3–2,0	0,5–1,0	0,2–0,6	0,50–1,5

Шлак имеет гетерогенный состав и включает корольки сплава, оксидную и карбидную части. Этот шлак используют в сталеплавильном производстве в качестве раскислителя. Рафинированный в ковше силикоалюминий в дальнейшем подвергают металлургическому переделу с целью получения литейных сплавов широкого сортамента. С этой целью сплав разбавляют жидким электролитическим алюминием. При этом понижается температура сплава, снижается растворимость примесных металлов (Fe, Ti, Zr, Ca) с образованием твердых интерметаллидов. Путем фильтрации жидкий сплав очищают от интерметаллидов и затем разливают его в слитки. Освоен ряд литейных сплавов: АК7М3Ц2, АКМ3Ц2Мг, АК7М2,5МгМн* и др., которые используются для отливки деталей машин автотранспорта и автомобильной промышленности.

_________________

* Условные обозначения металлов в маркировке литейных сплавов: А – Al; К – Si; M – Cu; Ц – Zn; Мг – Mg; Н – Ni.