Реферат: Разработка технологии электротермического получения силикоалюминия с использованием малозольных восстановителей

В первом разделе приведены результаты анализа литературных данных о способах получения алюминиево-кремниевых сплавов, в том числе о процессе углетермического восстановления оксидов кремния и алюминия. Определены задачи работы.

Во втором разделе изложено описание использованных методик. Лабораторные исследования восстановимости (степени восстановления)шихты проводили на печи Таммана. Методика имитировала последовательный сход шихты из колошниковой в реакционную зону промышленной печи. Шихты выдерживали в печи при температуре 2000^о С в течение 20 минут (в отдельных опытах использовали другие параметры). Кинетику восстановления изучали на миниатюрной печи с графитовым нагревателем с малой инерционностью и высокой скоростью нагрева и охлаждения (до 500 ^о /мин) с системой для сбора газа. Прочность высушенных (105^о С) ипрокаленных (1000^о С) брикетов определяли на лабораторном прессе при давлении 19,6 мПа. УЭС шихт определяли методом измерения падения напряжения при постоянном токе. Опытно-заводские испытания проводили на однофазной двухэлектродной открытой и герметизированной (со сводом) печи с угольной подиной мощностью 200 кВА с графитированными электродами диаметром 150 мм опытного завода Всесоюзного (Всероссийского) алюминиево-магниевого института (ВАМИ). Все шихты рассчитывали на получение в силикоалюминии 63% Al. Сульфатные добавки дозировали совместно с другими компонентами при подготовке брикетов. Гранулы лигнина готовили с 20% масс. каолина.

В третьем разделе приведены результаты лабораторных исследований по изучению механизма и кинетики процесса восстановления алюмосиликатных шихт в широком диапазоне составов силикоалюминия с использованием различного сырья и восстановителя, выдержки шихты при низких и высоких температурах. Также представлены результаты исследований влияния на процесс содержания летучих компонентов восстановителей, в т.ч. пироуглерода, взаимосвязи составов сырья и восстановителя, сульфатных добавок.

В четвертом разделе представлены результаты плавок шихт с повышенным содержанием нефтекокса и КНТК на однофазной двухэлектродной печи.

В пятом разделе приведены результаты анализа многолетних данных производства силикоалюминия на трехфазной печи при использовании шихт с различным составом восстановителя.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Степень восстановления алюмосиликатов углеродом обусловлена соотношением Al:Si в шихте, продолжительностью пребывания шихты в зонах низких и высоких температур, составом минерального сырья и восстановителя, летучие компоненты которого не участвуют в восстановлении, а образуемый пироуглерод повышает скорость протекания процесса.

■ В опытах на печи Таммана (рис. 1) с использованием в шихтах различного минерального сырья (кривые 1-3, 5 ) и технического карбида кремния (кривая 4) при одинаковом составе углеродистого восстановителя: газового угля и нефтяного кокса в соотношении 70:30 по С_нлт. (дозировка 95% от стехиометрии) установлено:

▪ Извлечение кремния из сырья в диапазоне составов силикоалюминия с расчетным содержанием Si ~34-60% имеет достаточно близкие значения и практически не зависит от формы используемого углерода в шихте: в виде SiC или свободного углерода шихты. Восстановление оксида кремния протекает по реакции (1).

SiO₂ + 3С = SiC + 2СО (1)

▪ Для шихт с соотношением Al:Si = 2:3 (~60% кремния в силикоалюминии) извлечение алюминия так же, как и кремния, не зависит от формы углерода в шихте: SiC или С_{своб. шихты} . Оксид алюминия восстанавливается по суммарной реакции (2).

Аl₂ O₃ + 3SiC = 2Al + 3Si + 3СО (2)

При соотношении в шихтах Al:Si > 2:3 свободный углерод, оставшийся после завершения стадии образования SiC, может образовывать с Аl₂ O₃ оксикарбидные "комплексы" (моно и -тетра оксикарбиды алюминия Al₂ OC и Al₄ O₄ C) по реакциям (3 и 4).

Al₂ O₃ + 3C = Al₂ OC + 2CO (3)

Al₂ OC + Al₂ O₃ = Al₄ O₄ C (4)

Эти "комплексы" плавятся при более низких температурах (1840-1950°С) по сравнению с Аl₂ O₃ (~2050°С) с соответствующим понижением реакционной способности углерода, перешедшего из шихты в оксикарбидный расплав. Этим объясняется наклон кривой 4 на рис. 1. В опытах с алюмосиликатными шихтами(кривые 1-3 ) степень образования этих "комплексов" уменьшалась из-за блокировки поверхности С_{своб. шихты} образующимися по реакции (1) частицами SiC.

■ Исследованиями на печи Таммана (таблица 1) шихты промышленного состава, включающей каолин и ДСК в соотношении по массе 65:35, глинозем и восстановитель: газовый уголь и нефтяной кокс в соотношении 70:30 по нелетучему углероду при дозировке С_нлт. 95% от стехиометрии (расчетное содержание Al в силикоалюминии 63% масс.) установлено:

▪ С увеличением времени выдержки шихты при 1600°С восстановимость шихты уменьшается, что объясняется возрастанием степени образования SiC по реакции (1). Оставшийся С_{своб. шихты} взаимодействует с Аl₂ O₃ с образованием оксикарбидных "ком-плексов" алюминия, составляющих жидкую фазу шлаков. Основным поставщиком этой фазы в руднотермических печах являются участки с низкими температурами (межэлектродные или межтигельные зоны), что подтверждается практикой работы этих печей. Количество шлаков при выплавке силикоалюминия на однофазной одноэлектродной и двухэлектродной печах, а также трехфазной трехэлектродной печи по числу этих зон на 1 электрод составляет, соответственно, ~8-10, 17-20 и 25-30%.

▪ В случае "передержки" шихты при 2000^о С восстановимость снижается из-за взаимодействия восстановленного металла с углеродом тигля (в плавке на печах с углеродом подины или электрода).

■ Исследованиями свойств (рис. 2, а, б, в, г) шихт с использованием каолина и глинозема и смеси предварительно прокаленного газового угля и нефтяного кокса в соотношении 70:30 по С_нлт с дозировкой 95% масс. против стехиометрии с расчетным содержа-

Рис. 2 – Изменение от температуры прокалки: состава газового

угля (а, 1–зола, 2 –летучие компоненты, 3 –нелетучий углерод),

УЭС угля (б) и шихты (в), восстановимости шихты (г)

нием 60% Alв силикоалюминии определено:

Летучий углерод практически не участвует в восстановлении оксидов алюминия и кремния. Показатели восстановимости и УЭС шихты близки к максимальным значениям при содержании летучих компонентов в угле всего лишь ~1% (рис. 2, а, в, г). Такое содержание летучих компонентов получено в газовом угле, прокаленном при ~1000^о С, т.е. до начала протекания восстановительных реакций.

▪ Содержание золы (рис. 2, а) в прокаленных углях растет с

увеличением температуры прокалки до 1000-1300°С, а при дальнейшем повышении температуры несколько уменьшается, что можно объяснить началом восстановления оксидов собственной золы.

▪ Снижение восстановимости и УЭС шихты (рис. 2, в, г) с повышением температуры прокалки углей выше 1000°С происходит в результате упорядочения структуры углерода и понижения его химической активности (рис. 2, б) при графитизации.

■ Исследованиями на лабораторной печи со сбором отходящего газа (рис. 3 и 4) шихт из каолина и ДСК в массовом соотношении 65:35, глинозема, а также непрокаленного и предварительно прокаленного в течение 2-х часов при температурах 800 и 1200°С без доступа воздуха восстановителя, включающего газовый уголь и нефтяной кокс при различном соотношении по С_нлт. при дозировке 95% против стехиометрии с расчетным содержанием Al 63% масс показано: