Способ производства алюминиево-кремниевого сплава и других металлов из шихты, содержащей оксид алюминия

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству алюминиево-кремниевого сплава. Алюминиево-кремниевый сплав совместно с другими металлами производят из шихты, в которой желательно присутствие оксида алюминия. Расплавление шихты и нагрев расплава осуществляют в два этапа в двух плавильных агрегатах, причем до подачи шихты на плавку в первом агрегате наводят расплавленную металлическую подложку, которую приводят во вращение электромагнитным полем МГД-устройства. После первого этапа нагрева расплавленной шихты на вращающейся металлической подложке в плавильной камере агрегата создают разрежение, после чего в качестве восстановителя в расплавленную шихту вводят алюминиево-кремниевый сплав, которым восстанавливают в металлическую и газовую фазы металлы из их оксидов. Разрежение снимают и вновь восстановленную массу металла удаляют, после чего образуют расплав преимущественно из оксидов алюминия и кремния, в котором содержание оксида кремния составляет не менее 30% по отношению к оксиду алюминия. Образованный расплав удаляют во второй агрегат и осуществляют второй этап нагрева расплава, по окончании второго этапа нагрева углеродистым восстановителем восстанавливают алюминий и кремний из их оксидов. Техническим результатом изобретения является снижение капитальных и энергетических затрат, уменьшение массы задалживаемого технологического оборудования и создание условий для утилизации тепла и отходов при переработке руды. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству алюминиево-кремниевого (Al-Si) плава и других металлов, которые содержатся в рудах, включающих оксид алюминия.

Известен наиболее распространенный в настоящее время способ производства Al-Si сплава, например силумина, при котором алюминий и кремний производят по отдельности, а затем сплавляют в необходимой пропорции. Алюминий в основном производят методом электролиза криолитоглиноземного расплава ([1], с. 15), а глинозем - из бокситовых руд методом Байера ([1], с.14), Кремний производят в мощных рудотермических электропечах из кварцитов ([2], с.110-114).

При производстве глинозема перерабатывается бокситовая руда, в которой кремниевый модуль (Al₂O₃/SiO₂) должен быть не ниже 8, иначе будут большие потери щелочи и снижение извлечения алюминия. На одной из шахт в России, где добывается большая часть бокситов, например на шахте г. Североуральска (Свердловская обл. ), выдается пригодная для переработки в глиноземном цехе бокситовая руда, но часть бокситов Североуральского месторождения имеют недопустимо большое содержание кремнезема, и тогда эту руду не извлекают, хотя на ее извлечение необходимо меньше средств. Если же такая руда поднимается на поверхность, то она зачисляется в разряд забалансового боксита и отправляется в отвалы, которые задалживают ценные земельные площади.

В рудотермических электропечах можно производить Al-Si сплавы из руд, содержащих оксиды алюминия и кремния, в частности из кианитовых руд ([2], с. 114 и 115), но в этих печах имеют место зоны, в которых невозможно создать условия для полной переработки вводимой шихты, отсюда снижается выход годного продукта. Имеет место также большой расход электроэнергии на тонну выплавляемого сплава.

Недостатками электротермического способа производства Al-Si сплава в рудотермических электропечах и электролитического способа производства алюминия в электролизерах является то, что получаемый по этим способам газ, составляющий полезную энергетическую составляющую (физическое и химическое тепло), не утилизируется. При электролитическом способе производства алюминия задалживаются тысячи электролизеров, т.к. производительность одного электролизера сравнительно небольшая.

Во Всероссийском алюминиево-магниевом институте (ВАМИ) совместно с Днепровским алюминиевым заводом (ДАЗ) выполнен ряд работ по получению Al-Si сплава в агрегатах, снабженных плазменной техникой ([3], с.104 и 105). Применение высокотемпературных дуг плазмотронов позволило повысить извлечение алюминия и кремния в сплав и немного снизить расход энергии по сравнению с извлечением и расходом энергии в рудотермических электропечах. Однако расход электроэнергии остается еще высоким, а выход годного продукта еще низок.

Принимаемый за прототип способ производства алюминиево-кремниевого сплава [4] включает подготовку шихты к плавке, расплавление шихты в плавильной камере агрегата и нагрев расплава энергией окисления Al-Si сплава до температуры восстановления алюминия из его оксида, восстановление металлов из оксидов в расплаве и удаление восстановленных металлов из агрегата.

Способ, принимаемый за прототип, имеет преимущества по сравнению с указанными выше электротермическим и электролитическим способами, поскольку снижает капзатраты и энергозатраты, позволяет значительно уменьшить массу задалживаемого технологического оборудования и создать условия для утилизации тепла в отходящих газах. Недостатком принимаемого за прототип способа является то, что для получения Al-Si сплава на плавку необходимо подавать чистые оксиды алюминия и кремния в соответствующей пропорции. Это может быть концентрат, получаемый из кианитовой руды. При получении концентрата имеют место большие затраты средств на очень тонкое измельчение руды и небольшой выход кианита в концентрат. Около 80% от массы удаляется в отвал в виде чистого песка. Шихта для способа, принимаемого за прототип, может быть из чистого глинозема и чистого кварцевого песка, подготовленная в пропорции 30% SiO₂ и 70% Al₂O₃, но глинозем дорогой и требует, как известно, для своего производства боксит с низким содержанием SiO₂. Если же в шихте, направляемой на переплав, кроме оксидов алюминия и кремния будут другие оксиды, то получить сравнительно чистый Al-Si сплав трудно.

Целью изобретения является сохранение всех преимуществ, которые имеют место при реализации прототипа, а также устранение отмеченных выше недостатков прототипа. Еще одной целью изобретения является получение, кроме Al-Si сплава, дополнительного полезного товарного продукта и полное или почти полное исключение образования отходов при переработке руды, например бокситов, причем балансовых и забалансовых. В настоящее время глиноземные цехи Уральского и Богословского алюминиевых заводов (УАЗ и БАЗ) выдают громадное количество отходов в виде красного шлама (КШ). КШ задалживает большие площади на шламовые поля, при высыхании сильно пылит и создает неблагоприятную экологическую обстановку. С КШ теряется значительное количество железа, т.к. в КШ в среднем 20% железа и есть другие полезные элементы, которые безвозвратно теряются.

Цель достигается тем, что нагрев шихты и восстановление металлов осуществляют в двух агрегатах, причем до подачи шихты на плавку в плавильной камере первого агрегата наводят расплавленную металлическую подложку, приводимую во вращение электромагнитным полем МГД-устройства, расплавление и нагрев шихты осуществляют на вращающейся металлической подложке, восстанавливают металл из их оксидов, содержащихся в расплавленной шихте, при разрежении в плавильной камере с получением металлической и газовой фаз путем ведения в качестве восстановителя алюминиево-кремниевого сплава, образованный расплав, состоящий преимущественно из оксидов кремния и алюминия с содержанием не менее 30% оксида кремния по отношению к оксиду алюминия, удаляют во второй агрегат, в котором восстановление алюминия и кремния из их оксидов осуществляют углеродистым восстановителем.

В качестве содержащей оксид алюминия шихты рекомендуется применять боксит, как балансовый, так и забалансовый.

Заданную температуру первой стадии нагрева расплавленной шихты рекомендуется принимать в диапазоне 1700-1900^oС, а разрежение в плавильной камере агрегата создавать в пределах до 1 мм рт.ст.

В газовую фазу из оксидов рекомендуется восстанавливать кальций и магний.

Удаление расплава оксидов алюминия и кремния из плавильной камеры первого агрегата осуществляют при вращении металлической подложки с числом оборотов, обеспечивающим удаление жидкого металла с центральной части днища плавильной камеры, путем раскрытия центральной сливной летки. После слива летка вновь перекрывается.

Рекомендация наводить металлическую жидкую подложку в плавильной камере агрегата, а затем ее раскручивать позволяет образовывать в подложке лунку параболоидной формы, чтобы далее именно в этой лунке осуществлять расплавление и нагрев шихты, подчас весьма агрессивной в отношении влияния на футеровку (особенно при высоких температурах).

При наличии вращающейся металлической подложки восстанавливаемые из расплавленной шихты металлы по боковым металлопроводам могут периодически или постоянно отводиться из плавильной камеры агрегата, причем очищенными от неметаллических включений, т.к. при вращении металлического расплава оксидные включения, как более легкие, концентрируются в центре плавильной камеры (сказывается полезный центробежный эффект).

После первого этапа нагрева становится возможным освободить расплавленную шихту от тех оксидов, которые восстанавливаются алюминием при сравнительно низкой температуре, такой, например, которую выдерживает футеровка электросталеплавильной печи. Если же какие-либо оксиды при температуре, достигаемой на первом этапе нагрева, алюминием не восстанавливаются, то рекомендуемое создание в плавильной камере агрегата разрежения позволяет их восстанавливать и алюминием. Алюминием из оксидов восстанавливаются кальций и магний, поскольку, как известно, при создании разрежения и при определенной температуре стандартная свободная энергия образования оксидов у кальция и магния становится меньше, чем у алюминия, причем эта температура вполне допустима для условий сохранения в плавильном агрегате обычно применяемой футеровки.

Если все же футеровка не будет выдерживать сравнительно высокую необходимую температуру, например до 1700-1900^oС, то процесс можно будет вести, но с образованием металлического гарнисажа на стенках плавильной камеры. Потери тепла от расплава увеличиваются, но сравнительно незначительно. Есть технические решения, которые позволяют увеличенную теплоотдачу полезно использовать.

Расплавления шихты и нагрев расплавов на первом и втором этапах нагрева рекомендуется осуществлять за счет окисления производимого продукта плавки, т. е. Al-Si сплава. Восстановление оксидов в расплавленной шихте после первого этапа нагрева также рекомендуется осуществлять продуктом плавки, причем в процессе восстановления металлов из оксидов в шихте Al-Si сплавом выделяется значительное количество лишнего тепла. Если в образованном расплаве будет недостаточно оксида кремния и надо будет добавлять оксид кремния, то на его расплавление и доведение до необходимой температуры лишнего тепла будет вполне достаточно.

Использование Al-Si сплава в качестве топлива и в качестве сильного восстановителя и возможность использовать лишнее тепло для коррекции образованного расплава для получения в нем необходимой пропорции по оксидам алюминия и кремния позволяют иметь практически безотходный процесс переработки шихты.

В приведенном ниже примере производства Al-Si сплава и других металлов в качестве перерабатываемой шихты взят обезвоженный забалансовый боксит, который невыгодно перерабатывать электролитическим способом. Массовый состав такого боксита взят из публикации [5]. Предлагаемый способ пригоден и для переработки ряда промежуточных продуктов, получаемых в черной металлургии, поскольку часто такой продукт содержит значительное количество оксидов алюминия и кремния.

На чертеже дается схема производства Al-Si сплава и других металлов по предлагаемому способу. На схеме приведены данные: сколько надо израсходовать Al-Si сплава и кислорода в процессе плавления одной тонны боксита и последующего разогрева расплава боксита на первом и втором этапах нагрева, а также сколько надо Al-Si сплава, чтобы восстановить алюминием оксиды в расплавленной шихте. Приняты следующие два допущения: - плавильный агрегат для плавки обезвоженного боксита подготовлен и в агрегате имеет место заранее расплавленная металлическая подложка, приведенная во вращение электромагнитным полем до заданного числа оборотов, при котором образуется параболоидная лунка заданного размера; - поскольку создаются условия для восстановления алюминием всех имеющихся в расплаве оксидов, то и определяется на восстановление только расход алюминия, имеющийся в Al-Si сплаве. (На самом деле в восстановительных процессах может участвовать и кремний, но трудно оценить, какая его доля будет участвовать в процессах).

Второе допущение влечет за собой увеличение расхода алюминия, но поскольку алюминий на восстановление не покупается, а является оборотным, то такое допущение на расчеты особого влияния не оказывает.

На схеме указывается, как изменяется масса расплавов по мере проведения последовательных операций процесса и какой выход металлической фазы имеет место после восстановления алюминием Al-Si сплава оксидов в расплавленной шихте. Указывается и сколько надо вводить чистого кварцевого песка в виде добавки при восстановлении оксидов, иначе в расплавленной шихте будет образовываться твердый оксид алюминия - глинозем, температура плавления которого 2050^oС. Такой температуры на первом этапе нагрева не должно быть.

В качестве добавки можно рекомендовать и кианитовую руду, в которой, как известно, 80% чистого песка и 20% кианита. Кианит в данном случае не помешает, наоборот увеличит выход продукта по алюминию.

Следует заметить, что добавка чистого песка или кианитовой руды на свое плавление и на разогрев требует энергии, но в результате восстановления оксидов алюминием выделяется столько тепла, что его хватает и на добавку, и образование излишков энергии, которая может перегреть расплав до недопустимой величины. Целесообразно лишнее тепло расходовать на плавку кварцевого песка или кианитовой руды. Увеличится выход годного по кремнию и увеличится расход на последующее восстановление кремния, но доход от "лишней" добавки превышает расход на его восстановление.

После перелива образованного расплава во 2-й плавильный агрегат продолжение техпроцесса соответствует технологическому процессу прототипа с разницей в том, что полученный конечный продукт - Al-Si сплав - в большом объеме (520 кг) возвращается в процесс, т.к. он расходуется не только как топливо, но и как восстановитель. Конечный товарный продукт (340 кг Al-Si сплава) и промежуточный продукт (425 кг ферросилиция с содержанием кремния примерно 50%) окупают понесенные затраты и согласно расчетам могут дать прибыль не менее 100 долл. на каждую тонну боксита.

На схеме указаны количества оборотного и товарного продукта без учета того, что в процессе восстановления металла из полученного расплава могут образовываться летучие субоксиды алюминия и кремния, приводящие к снижению выхода годного. При определении прибыли учтены возможные потери из-за образования летучих оксидов.

По информации [3] при использовании плазменной техники, а именно такую технику рекомендуется использовать при восстановлении Al и Si из оксидов, выход годного приближается к 88-92%.

Предлагаемое изобретение реализует, в частности, техническое решение [4] , по которому Al-Si сплав восстанавливают из заранее освобожденного от примесей образованного расплава, причем это восстановление может происходить с повышенной скоростью за счет ввода в расплав избытка восстановителя, в частности конвертированного природного газа. Избыток восстановителя можно опустить, поскольку далее он удаляется из плавильного агрегата вместе с отходящими газами и повышает энергетический потенциал этого газа. Можно утверждать, что выход годного по предлагаемому способу, по крайней мере, не меньше, чем выход годного, указанный в источнике информации [3].

Необходимо отметить и следующее важное обстоятельство.

Многие отходы горнообогатительных комбинатов (ГОКов) и металлургических предприятий ("пустая порода", хвосты, шлаки, шламы и т.д.) в своем составе имеют, например, оксиды Al, Si, Ni, Ti и т.д. Все это - ценные металлы, стоимость которых в несколько раз превышает, например, стоимость железа.

Часто в черной металлургии, думая об извлечении из шихты черных металлов, в отход направляют продукт, в котором много цветных металлов. Если же этот отход направляют на переработку, то часто не с целью извлечения цветных металлов, а с целью получения, например, таких материалов, как цемент, щебенка для дорог, шлаковата и т.д. В цветной же металлургии больше, естественно, думают об извлечении необходимого цветного металла, ради которого создается производство, и в отходы направляют продукт, в котором много недоизвлеченных из оксидов как черных, так и цветных металлов.

Настало время объединить черную и цветную металлургию, причем не за счет создания холдингов, в которые входят предприятия черной и цветной металлургии, а за счет создания заводов черной и цветной металлургии с безотходным производством продукции. Можно рекомендовать, например, построить завод по производству ванадийсодержащего чугуна, ванадиевого шлака, Al-Si сплава, титанованадийсодержащего сплава с добавками железа, марганца и других полезных металлов из чинейской титаномагнетитовой руды. Технологическая схема такого завода разработана. В 2002 году начинается промышленная добыча титаномагнетитовой руды Чинейского месторождения Четинской области. Возможна переработка этой руды на Коршуновском ГОКе в Иркутской области. При Коршуновском ГОКе и целесообразно строительство завода черной и цветной металлургии.

Подводя итог сказанному выше, можно сделать следующее заключение.

Поскольку преимущества прототипа в данном техническом решении сохраняются, то они будут иметь место и при реализации предлагаемого технического решения.

Дополнительные преимущества заключаются в следующем: - резко снижаются затраты на подготовку шихты к переработке; - можно вовлекать в переработку забалансовые бокситы, добыча которых обходится дешевле; - значительный доход может дать то, что из перерабатываемой шихты (руды) извлекаются элементы, которые часто уходили в отвалы; - предлагаемое техническое решение на некоторых заводах позволяет иметь, по сути дела, безотходное производство.

Литература: 1. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение). Справочник. Пер. с немецкого. Под редакцией Дрица М.Е. и Райтбарга Л.Х. - М.: Металлургия, 1979, с.14-16.

2. Барсуков Ю.И., Варюшенков А.М., Водолажский В.Ф. Усовершенствование технологий производства кремния и алюминиевокремниевых сплавов в печах большой мощности. Сб. трудов ВАМИ "Научные исследования и опыт проектирования металлургии легких сплавов", с.110-115.

3. Безукладников А.Б., Останин Ю.Д., Татакин А.Н., Якубовский B.C. Новые способы получения алюминия. Сб. трудов ВАМИ, 1981, с.104-106.

4. Патент Российской Федерации 2148670. Авторы Коршунов И.А., Третьяков B. C. Способ производства алюминиево-кремниевого сплава. Опубл. 10.05.2000. Бюллетень 13.

5. Буркин С. П., Логинов Ю.Н., Щипанов А.А., Жуков С.С., Логинова И.В. Переработка железоглиноземистых техногенных отходов. Сталь. 1996, 6, с.77-88.

Формула изобретения

1. Способ производства алюминиево-кремниевого сплава и других металлов из шихты, содержащей оксид алюминия, включающий подготовку шихты к плавке, расплавление шихты в плавильной камере агрегата и нагрев расплава энергией окисления алюминиево-кремниевого сплава до температуры восстановления алюминия из его оксида, восстановление металлов из оксидов в расплаве и удаление восстановленных металлов из агрегатов, отличающийся тем, что нагрев шихты и восстановление металлов осуществляют в двух агрегатах, причем до подачи шихты на плавку в плавильной камере первого агрегата наводят расплавленную металлическую подложку, приводимую во вращение электромагнитным полем МГД-устройства, расплавление и нагрев шихты осуществляют на вращающейся металлической подложке, восстанавливают металлы из их оксидов, содержащихся в расплавленной шихте, при разрежении в плавильной камере с получением металлической и газовой фаз путем введения в качестве восстановителя алюминиево-кремниевого сплава, образованный расплав, состоящий преимущественно из оксидов кремния и алюминия с содержанием не менее 30% оксида кремния по отношению к оксиду алюминия, удаляют во второй агрегат, в котором восстановление алюминия и кремния из их оксидов осуществляют углеродистым восстановителем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве шихты, содержащей оксид алюминия, используют балансовый или забалансовый боксит.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в первом агрегате шихту нагревают до 1700-1900^oС.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в плавильной камере первого агрегата создают разрежение до 1 мм рт. ст.

5. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что с получением газовой фазы восстанавливают кальций и магний.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаление расплава оксидов алюминия и кремния из плавильной камеры первого агрегата осуществляют при вращении металлической подложки с числом оборотов, обеспечивающим удаление жидкого металла с центральной части днища правильной камеры путем раскрытия центральной сливной летки.

РИСУНКИ

Рисунок 1