Производство силикоалюминия

29.01.2017

Получение силикоалюминия, т. е. сплава алюминия с кремнием, состоит в восстановлении алюмокремниевых руд в электрических печах в присутствии угля. Восстановленный углеродом из алюмокремниевых пород силикоалюминий, согласно техническим условиям (МПТУ 140—45), содержит: 20—40% алюминия; 50—60% кремния; до 10% железа; не более 0,05% серы и не более 0,05% фосфора. По техническим условиям предусмотрены две марки силикоалюминия: марка I — до 5% железа и марка II — до 10% железа.
Силикоалюминиевый сплав в ряде случаев может быть применен вместо алюминия:
1) как раскислитель при производстве стали;
2) в качестве восстановителя при металлотермических процессах;
3) при термитной сварке и для других целей.
Особо важной областью применения силикоалюминия с повышенным содержанием в нем алюминия является переработка его ка литейные и деформируемые сплавы. За последнее время советскими исследователями (В.Н. Веригиным, М.Б. Рапопортом и др.) совместно с заводскими работниками была разработана теория и технология способа получения алюмокремниевых сплавов с повышенным содержанием алюминия (до 70%) и изготовления из них литейных и деформируемых сплавов, а также получения из них алюминия.
Этот способ имеет очень важное значение для промышленности, так как он позволяет:
1) расширить сырьевую базу алюминиевой промышленности, поскольку для получения алюминия и его сплавов могут быть использованы новые виды небокситового сырья (каолины, кианиты и др.);
2) исключить дорогое производство фтористых солей и глинозема;
3) использовать агрегаты большой мощности (дуговые электрические печи вместо алюминиевых ванн);
4) применять переменный ток вместо постоянного.
Технология производства алюмокремниевого сплава слагается из двух основных переделов: 1) подготовки сырья и 2) плавки. Сырьем для получения алюмокремниевых сплавов (в зависимости от их состава и назначения) могут служить широко распространенные в природе глиноземсодержащие материалы: каолины, низкожелезистые бокситы (аллиты), диаспориты, кианит, андалузит, силлиманит, муллит и другие, а также искусственно полученный низкосортный глинозем (смётки) и электрокорунд.
Требования, предъявляемые к сырью, зависят от назначения сплава, причем основным критерием является содержание в сырье окислов железа. 'Количество последнего допускается до значительных величин, если сплав предназначается для раскисления стали, и должно быть минимальным, если сплав предназначен для получения литейных и деформируемых сплавов.
С целью повышения содержания окиси алюминия в сырье, предназначенном для получения силикоалюминия с повышенным содержанием алюминия, его предварительно очищают от примесей методами обогащения (отмучиванием — каолин, на отсадочных столах — кианит и т. д.). В качестве восстановителя при производстве силикоалюминия могут быть использованы малозольные углеродистые материалы: древесный уголь, торфяной кокс, бурый уголь.
Подготовка сырья и шихты для выплавки алюмокремниевого сплава заключается в дроблении и тонком измельчении материалов (руды и восстановителя), их дозировании и смешении, в обработке на бегунах и брикетировании, а также в предварительной сушке брикетов.
В случае применения в качестве руды каолина его перед измельчением подвергают сушке для удаления гидратной и гигроскопической влаги. Сушку каолина производят в печи любой конструкции (полочной, вращающейся и др.), позволяющей поднимать температуру до 600° С.
В случае применения кусковой руды (низкожелезистого боксита, кианита) ее, как и восстановитель, дробят.
Помол высушенного каолина (или другой какой-либо руды) и восстановителя ведут раздельно в шаровых мельницах до зерен величиной около 1,0 мм. Более крупный помол зерен приводит к понижению механической прочности брикета, к меньшей равномерности распределения восстановителя в брикете и к уменьшению площади контакта окислов с восстановителем. Кроме того, грубый помол повышает электропроводность материала, что неблагоприятно сказывается на ходе восстановительного процесса в печи.
Дозировку компонентов шихты производят строго по весу ка основе анализов сырья и произведенных расчетов потребного количества нелетучего углерода для восстановления следующих окислов: Al2O3, Fe2O3, SiO2, TiO2, CaO и MgO, содержащихся как в основном исходном материале, так и в золе восстановителя.
При применении древесного угля, торфяного кокса или бурого угля для расчета принимают нелетучий углерод. Углерод сгорающего электрода в расчет не принимают. Лучшие результаты получаются при небольшом избытке восстановителя (до 10% от теоретически необходимого количества), так как во время ведения процесса плавки происходит поверхностное сгорание углерода.
При такой дозировке углерода наблюдается ровный безшлаковый ход процесса или образуется ничтожное количество шлаков.
Смешение компонентов шихты производят в смесителе вначале в сухом виде, затем шихту увлажняют, доводя содержание влаги до 18—20%.
После тщательного перемешивания шихты в сухом и увлажненном виде ее подвергают дополнительному смешению и уплотнению на бегунах. Предварительное уплотнение материалов на бегунах улучшает смешение компонентов и примерно вдвое увеличивает сопротивляемость их раздавливанию.
Брикетирование производят на специальных прессах при давлении порядка 1000 кг/см2. При этом размер, форма и прочность кусков должны быть такими, чтобы обеспечивался равномерный сход шихты в печи и хорошая газопроницаемость и не было пыли и мелочи.
Наилучших результатов в этом отношении достигают при брикетировании шихты на прессе валкового типа (с ячейками — углублениями в валках). Такой пресс производит брикеты в виде эллипсоида (с размером осей 70, 50 и 30 мм).
Сушку брикетов производят в тех же печах, что и сушку глины или каолина (при температуре порядка 150° С). Сушка брикетов повышает их прочность.
После сушки брикеты подают на площадку печи, откуда порциями загружают в шахту электропечи. В электропечи окислы, содержащиеся в шихте, в присутствии угля восстанавливаются при определенных температурных условиях до металлов.
Некоторым затруднением в работе является неодинаковая легкость восстановления окислов. При получении силикоалюминия, наряду с окисью алюминия, восстанавливается и двуокись кремния. Причем процесс восстановления двуокиси кремния протекает более легко чем восстановление окиси алюминия.
Как уже отмечалось выше, для нормального протекания процесса восстановления двуокиси кремния до кремния необходимо стремиться к максимальной концентрации тепла в печи и не допускать как избытка, так и недостатка углерода в шихте.
При совместном восстановлении окиси алюминия и двуокиси кремния для получения силикоалюминия осложнения вызываются главным образом особенностями восстановления окиси алюминия. Эти осложнения увеличиваются по мере повышения концентрации алюминия в сплаве и связаны с возможным увеличением образования карбида алюминия. Особое значение для получения силикоалюминия имеет подтвержденная экспериментально (М.Б. Рапопортом) реакция взаимодействия карбида алюминия и двуокиси кремния
2Аl4С3 + 3SiO2 = 8Al + 3Si + 6СО.

Этой реакцией пользуются для разрушения карбида алюминия при выплавке силикоалюминия с высоким содержанием (до 70%) алюминия.
В печи в первую очередь происходит практически полное восстановление окислов железа, находящихся в шихте.
Другие окислы, присутствующие в шихте (ТiO2, CaO, MgO), также могут восстанавливаться углеродом до металла. При совместном присутствии алюминия и некоторых примеcей (окиси железа, титана и кальция) частично могут протекать металлотермические реакции:
Fe2O3 + 2Аl = Al2O3 + 2Fe,
2ТiO2 + 4Al = 2 Al2O3 + 3Ti,
3CaO + 2Al = Al2O3 + ЗСа.

В процессе восстановления окислов наряду с основными реакциями могут также образовываться низшие окислы (Аl2О, SiO), нитриды (AlN), карбонитриды (Al5C3N), силициды (FeSi, MgSi, CaSi), алюмид железа (FeAl) и ряд других соединений.
Все вышеперечисленные продукты реакций собираются на подине печи и смешиваются между собой. Важным условием предотвращения реакций карбидообразования, наряду с созданием максимальной концентрации тепла в электропечи, является скорость процесса. Здесь важна как скорость нагрева восстанавливаемых окислов до температуры выше 2000° С, так и скорость и полнота удаления окиси углерода и готового продукта из зоны реакции.
Выплавка силикоалюминия осуществляется в шахтных дуговых электропечах мощностью 16 000 квт (однофазных) и 25 000—30 000 квт (трехфазных). В печах меньшей мощности вести сколько-нибудь длительно непрерывную выплавку силикоалюминия удается лишь с большим трудом.
Мощные печи обладают значительной тепловой инерцией, в них тепловое равновесие устанавливается стабильно. В малых же печах тепловое равновесие легко нарушается, в результате чего в печи быстро возникают шлаковые и карбидистые настыли, ведущие к полному расстройству хода плавки.
Заводская практика показывает, что при выплавке силикоалюминия в трехфазных и однофазных печах (при мощности одного и того же порядка для обоих типов печей) меньший расход электроэнергии и сырья на 1 т сплава дают однофазные печи.
Потери основных элементов (алюминия и кремния) при выплавке силикоалюминия в трехфазной печи составляют: алюминия в 3 раза, а кремния в 1,5 раза больше, чем в однофазной печи.
При получении силикоалюминия в однофазной печи с одним электродом обеспечивается более легкое регулирование хода печи, а зоны восстановления, имеющие высокую концентрацию энергии, более устойчивы. Однофазная печь с одним электродом позволяет также лучше механизировать загрузку шихты и создать более благоприятные условия для выпуска продукта плавки. По своей конструкции однофазная печь аналогична применяемой печи для получения кремния с той лишь разницей, что здесь применяется один электрод.
Обычно в промышленной электрической печи га внутренней поверхности шахты образуется гарниссаж, так называемый «тигель» печи, который предохраняет футеровку печи от разрушения ее силикоалюминием, а также обеспечивает лучшую концентрацию тепла в зоне полезных реакций.
Задача технолога состоит в управлении процессом таким образом, чтобы на внутренних поверхностях шахты печи сохранялся гарниссаж — тигель печи и обеспечивались условия высокопроизводительной работы печи. Это достигается поддержанием оптимального расстояния от электрода до подины и равномерным выделением газов на поверхности колошника печи.
Оптимальное расстояние от электрода до подины (25—30 см) и равномерное распределение газов достигается поддержанием напряжения между электродом и подиной печи в пределах 55—70 в, регулировкой рабочего тока и электрического сопротивления шихты.
Электрические параметры печи должны быть все время под наблюдением, для чего на ней должны быть установлены приборы, позволяющие в каждый момент судить о мощности, величине тока и напряжении.
Практика работы на электропечах при выплавке силикоалюминия показывает, что хорошие результаты могут быть получены только тогда, когда колошник закрыт шихтой: слой шихты препятствует улетучиванию кремния и алюминия.
Загрузку шихты, по мере схода ее в шахту печи, необходимо Производить равномерно по всему колошнику с небольшим конусом у электрода. Назначение конуса — увеличить сопротивление потоку газов непосредственно у электрода и оттеснить выход их на большую площадь колошника.
Так как шихта непрерывно опускается вниз, то для поддержания постоянного ее уровня необходимо загружать шихту к электроду также непрерывно.
При ненормальном ходе печи нагрев шихты на поверхности колошника приводит к чрезмерному спеканию ее. Спекшаяся шихта затрудняет выход газов, которые прорываются в каком-либо одном месте и сгорают на воздухе в виде ослепительно-белого факела (свища). Для ликвидации свищей шихту вокруг электрода протыкают деревянными жердями (шестами), а свищ забрасывают свежей шихтой.
Выпуск силикоалюминия из печи осуществляется периодически, через каждые 2—4 часа. Вскрытие лётки обычно производят прожиганием ее электрической дугой при напряжении 40 в. Заделывают лётку после выпуска сплава обычно шихтой или брикетами. Выпуск силикоалюминия обычно производят в ковш, футерованный угольными блоками. Из ковша силикоалюминий разливают в чугунные изложницы, установленные на станке.
Технико-экономические показатели производства (расход на 1 г высококремнистого силикоалюминия, содержащего 25—30% алюминия) в печах мощностью 6030 квт характеризуются примерно следующими цифрами: каолина (с 25% влаги) 1,8 г; древесного угля (с 35% летучих) 1,3 т; электродов угольных 0,24 г; электроэнергии 16 000 квт*ч.
При увеличении мощности электропечи расход электроэнергии на 1 т сплава снижается до 10 000—12 000 квт*ч.