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材料冶金
电热法熔炼铝硅合金(炼铝新技术)
来源:选矿技术网2017-04-1210539
    中国抚顺铝厂于20世纪60年代进行了电热法熔炼铝硅合金以及从铝硅合金中提取纯铝的研究。电热法熔炼铝合金是非电解法,它的原理就是碳还原,即用碳还原含铅和硅的矿石,得到铝硅合金。

    一、电热法熔炼铝硅合金的原理

    在电炉中,铝矿加热到2000℃,碳就可以夺取氧化铝中的氧,还原出金属铝。而矿中的SiO2在1700℃下就还原为硅,形成铝硅合金。SiO2和Al2O3共同被碳还原的反应分为三步:

    第一步,在1500~1600℃下,3SiO2+9C→3SiC+6CO

    第二步,在1600~1900℃下,2Al2O3+3C→Al4O4C+2CO

    第三步,在1950~2200℃下,Al4O4C+3SiC→4Al+3Si+4CO

    只要反应生产的CO气体尽快排除,就可以顺利还原出铝硅合金。

    二、电热法熔炼铝硅合金的工艺

    电热法熔炼铝硅合金的工艺如图1。电热法的原料是铝土矿、高岭石和硅线石等,主要控制原料中的铝硅比,若要制取含铝70%的铝硅合金,原料的铝硅比应为2~3。如果达不到这个要求,就需要调配。通常认为铝硅合金中的铝为70%~72%最为适宜,过高就会出现Al4C3。原料中的Fe2O3、TiO2对熔炼有很大影响,要严格控制。熔炼中用褐煤、泥煤焦等作还原剂。配料的目的是进行准确配入还原剂和铝硅比,还原剂过量则生成碳化物,炉料电阻降低,造成炉底长高的现象,反之渣量会增大,造成原产损失和产品的机械损失。制团的目的是使反应产生的CO气体能很顺利排除,对球团的要求是:(1)有较高的还原能力和速度,有足够的孔隙度;(2)团块的电阻率大,强度较大;(3)四块料的熔点要高于还原温度;(4)团块的含水应在1%以下。熔炼在电炉中进行,在正常情况下炉膛内可化分为炉料预热带、凝固带、反应带、电弧带和铝硅合金带。现在电热法熔炼铝硅合金的电炉越来越大,三相炉达到25000~30000kW。电弧炉的电耗随着功率的增加而降低。
 

图1  电热法熔炼铝硅合金的工艺原则流程

    三、粗铝硅合金的精炼

    电热法的熔炼所得的铝硅合金是粗合金,还含Fe、Ti、Ca等杂质及硅化物、碳化物、氧化物、氨化物等,必须精炼。精炼在电炉中进行。熔剂组成为44%Na3AlF6、47%NaCl和9%KCl。精炼温度是1100~1200℃,精炼得到的铝硅合金为一次铝硅合金,作为制取铝硅盟(铝硅共晶)的原料。

    四、铝硅盟的制取

    在Al-Si-Fe三元系中有一个共晶点,其组成为87.6%Al、11.8%Si、0.6%Fe,共晶温度为576℃,这就是铝硅盟的成分。提取的方法有稀释法和过滤法。稀释法就是将精炼所得的一次铝硅合金用工业铝稀释,使之达到铝硅盟的成分。过滤法是将一次合金冷却至共晶温度,然后过滤,滤液为铝硅盟。

    电热法熔炼铝硅合金和冰晶石-氧化铝熔盐电解法相比,可以用黏土、煤矸石、煤面料等低品位含铝原料;生产流程短,设备生产能力大,可得到CO气体燃料副产品,设备投资少;能量利用率高,不用整流设备;对原材料要求相对较低,不需要氟化盐等优点,但只能得到铝硅合金。

    五、铝硅合金提取纯铝

    从铝硅合金提纯铝的方法很多,常用电解法和低价氯化铝歧化法。

    (一)电解法

    铝硅合金的电解法提纯铝的原理与三层液电解精炼相同,但是阳极合金保持为固态。在电解过程中,阳极铝硅合金溶解进入电解质,然后在阴极析出。阳极铝硅合金的组成是46%~56%Al,36%~38%Si,6%~8%Fe,0.8%~3.5%Ti;电解质为KCl-NaCl-AlF3,阳极电流密度为0.06%~0.08A/cm2,阴极电流密度为0.4A/cm2,电流效率为95%~97%,阴极铝为99.7%。就单纯铝硅合金电解而言,电能消耗只有5800kW·h/t(铝)。但把熔炼铝硅合金的能量消耗算上,能耗比传统方法更高。

    (二)低价氯化铝歧化法

    由于铝比较容易和氯生成低价氯化铝,而低价氯化铝只在高温下稳定,在低温下就歧化为三氯化铝和金属铝。据此可在高温下使铝合金中的铝转化为AlCl气,然后在低温下使AlCl歧化分解出铝和三氯化铝,三氯化铝再返回与铝硅合金反应。在坡化分解过程中,铝硅合金中的Si、Fe、Ti很少参与反应,但Zn、Mg随之进入铝液。

    低价氯化铝歧化法包括5个环节:(1)电热法制取粗合金;(2)铝硅合金和AlCl3气体在反应炉内发生反应,温度为1300℃;(3)卤化物同低价卤化物在分馏室内蒸发分离;(4)用氯气与高铝硅合金反应得到AlCl3;(5)在冷凝器内,AlCl歧化解得到纯铝和AlCl3,后者返回使用。

    低价氯化铝歧化法在工业上从铝硅合金中提取纯铝是有效的方法。在真空条件下,AlCl的分解率很高,在1kPa时的分解率接近100%。低价氯化铝歧化过程还可以在熔盐中进行,AlCl3通入铝硅合金与KCl组成的熔盐中返应,生成的AlCl溶于高温熔体中而不挥发,当熔体冷却时AlCl就歧化分解出纯铝。
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