Способ получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава
Владельцы патента RU 2258757:
Общество с ограниченной ответственностью "Инженерно-технологический центр" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству алюминия, и может быть использовано при приготовлении кремнийсодержащего алюминиевого сплава. Предложен способ получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающий введение струей инертного газа в расплав алюминия или его сплава пыли и мелочи кристаллического кремния при одновременной обработке расплава галогенидсодержащим флюсом, при этом минимальное количество используемого при обработке расплава флюса и средний размер частиц кремния при различных вариантах введения флюса определяют из уравнений. Технический результат - использование в технологическом процессе мелочи и пыли кристаллического кремния крупностью до 5,0 мм, образующихся при дроблении слитков. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству алюминия, и может быть использовано при приготовлении алюминиевых кремнийсодержащих сплавов.
Существующая на алюминиевых заводах технология производства кремнийсодержащих сплавов включает растворение в алюминии или его сплаве кристаллического кремния, полученного электротермическим восстановлением кварцита (М.Б.Альтман и др. Плавка и литье легких сплавов. М., Металлургия, 1969, с.270-271) (1).
Данная технология основана на использовании кристаллического кремния определенной крупности (5-50 мм). Для получения указанных фракций слитки электротермического кремния подвергаются дроблению и рассеву. При этом образуются "отходы" в виде мелочи и пыли кремния с крупностью до 5 мм. Суммарное количество мелочи и пыли кремния составляет 7-8% от объема выпускаемого кристаллического кремния.
Образующаяся пыль и мелочь кремния частично используются для покрытия изложниц перед заливкой в них электротермического кремния, в частности переплавляется в жидком кремнии. При этом "угар" пыли и мелочи кремния составляет примерно 50%.
Одним из основных недостатков существующей технологии получения кремнийсодержащих сплавов является наличие значительного количества неэффективно используемой пыли и мелочи кремния.
Частичное решение проблемы с переработкой пыли и мелочи кремния предложено в техническом решении, защищенном международной заявкой (№ WO 88/02409 от 07.04.1988, М. кл. С 25 С 1/02) (2).
Сущность запатентованной технологии сводится к переработке пыли и мелочи кремния крупностью 0,3-1,0 мм в составе брикетов, дополнительно содержащих хлорид бария и галогенидсодержащий флюс, а также продувкой струей инертного газа расплава алюминия или его сплава.
Указанная технология обеспечивает переработку пыли и мелочи кремния с достаточно высокими технико-экономическими показателями. В частности, усвоение кремния в процессе продувки составляет 96-97%.
По технической сущности и наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве прототипа.
Основной недостаток прототипа заключается в частичном использовании пыли и мелочи кремния, образующихся при дроблении слитков электротермического кремния. Из всего объема образующейся мелкой фракции кремния крупностью до 5,0 мм решается проблема переработки пыли крупностью 0,3-1,0 мм, что составляет около 30% от общего объема некондиционного кремния.
При продувке в расплав металла пыли кремния крупностью менее 0,3 мм усвоение кремния снижается до 40-60% в результате его окисления. При использовании мелочи кремния крупностью от 1 до 5 мм также наблюдается незначительное снижение извлечения кремния главным образом из-за ошлаковывания частичек кремния и их потери со шлаком. Кроме того, известное решение обеспечивает усвоение пыли и мелочи кремния на уровне 96-97%, что свидетельствует о наличии определенного резерва по повышению извлечения кремния в сплав.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей процесса приготовления кремнийсодержащих алюминиевых сплавов.
Техническим результатом является использование в технологическом процессе мелочи и пыли кристаллического кремния крупностью до 5,0 мм, образующихся при дроблении слитков.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающем введение струей инертного газа в расплав алюминия или его сплава пыли и мелочи кристаллического кремния при одновременной обработке расплава галогенидсодержащим флюсом, согласно предлагаемому изобретению, минимальное количество используемого при обработке расплава флюса определяют из уравнения
где Мф - масса галогенидсодержащего флюса, кг;
МSi - масса кристаллического кремния, кг;
dSi - средний диаметр частиц кремния, мм, рассчитываемый по уравнению
где Сi - содержание фракций кристаллического кремния, доли единицы;
di - диаметр частиц фракций, мм.
Предлагаемый способ дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение поставленной задачи.
В способе используют кремний крупностью 0,2-5 мм.
Галогенидсодержащий флюс загружают на поверхность расплава металла.
Пыль и мелочь кристаллического кремния предварительно смешивают с галогенидсодержащим флюсом.
Введение пыли и мелочи кристаллического кремния и обработку расплава галогенидсодержащим флюсом осуществляют с одновременным вдуванием порошков в расплав через разные фурмы.
Уравнение (2) справедливо для подсчета среднего диаметра частиц кремния при использовании для гранулометрического анализа стандартного набора сит по ГОСТ 6613-86/2.
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Известно, что при вдувании порошкообразных материалов в расплав металла, непосредственно от продувки внедряется в металл и усваивается не более 17-20 вес.% от всего объема порошка. Невнедрившаяся часть порошка газовыми пузырями выносится на поверхность металла. Достигая поверхности металла, газовый пузырь с порошком лопается. При этом порошок выбрасывается в атмосферу над поверхностью металла. Мелкие частички кремния окисляются кислородом и влагой воздуха и переходят в шлак. Более крупные частички кремния частично увлекаются циркуляционными потоками с поверхности металла в объем и растворяются в металле, а частично ошлаковываются и переходят в шлак.
Предлагаемая одновременная с продувкой кремния обработка расплава металла флюсом может быть реализована несколькими способами:
1. Загрузкой флюса на поверхность сплава перед продувкой порошка кремния или в процессе продувки.
2. Продувка пыли и мелочи кремния, предварительно смешанной с порошком галогенидсодержащего флюса.
3. Одновременное вдувание в металл порошков кремния и флюса через разные фурмы.
Во всех случаях введение флюса в систему жидкий алюминиево-кремниевый порошок положительно сказывается на извлечении кремния в сплав. Улучшение технико-экономических показателей процесса при использовании галогенидсодержащего флюса обусловлено:
- улучшением смачиваемости частиц кремния алюминием, что способствует их более быстрому растворению.
- созданием на поверхности металла слоя покровного флюса, который в значительной мере снижает окисление и ошлаковывание частичек кремния, выносимых на поверхность газопорошковыми пузырями.
Экспериментальным путем установлено, что с увеличением количества вводимого флюса, при прочих равных условиях, извлечение кремния в сплав сначала растет, а затем стабилизируется на некотором значении, по-видимому, предельном для данных условий проведения процесса. Количество галогенидсодержащего флюса, при котором достигается усвоение пыли и мелочи кремния на уровне, близком к предельному для данных условий, пропорционально массе введенного кремния и обратно пропорционально среднему диаметру частиц кремния. Данная зависимость может быть представлена эмпирической формулой (1). Если количество используемого флюса меньше расчетной величины, то извлечение кремния в сплав не достигает максимального значения для данных условий процесса.
При использовании большего количества флюса, по сравнению с расчетным по формуле (1), извлечение кремния в сплав практически не увеличивается.
От прототипа предлагаемое решение отличается тем, что получают кремнийсодержащий алюминиевый сплав с использованием мелочи и пыли кристаллического кремния крупностью до 5,0 мм с одновременной обработкой расплава галогенидсодержащим флюсом, количество которого рассчитываются по уравнению (1), учитывающему массу введенной пыли и мелочи кристаллического кремния и средний размер частиц кремния при различных вариантах введения флюса.
Вышеуказанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения "новизна".
Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом и другими известными решениями в данной области выявил следующее:
- известна технология получения кремнийсодержащих алюминиевых сплавов, включающая растворение в жидком алюминии или его сплаве кристаллического кремния крупностью 5,0-50 мм (1);
известна технология получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающая загрузку пыли и мелочи кремния крупностью 0,3-1,0 мм в жидкий металл в составе брикетов, дополнительно содержащих галогенидсодержащий флюс (2);
известен способ внепечной обработки жидкого металла путем тангенциального ввода газопорошковой смеси, подаваемой двумя направленными одна навстречу другой струями (авторское свидетельство СССР № 342909, С 21 С 1/00, 1972 (3)).
Не выявлено технических решений, характеризующихся сходными идентичными или эквивалентными признаками с предлагаемым, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемое техническое решение позволяет эффективно перерабатывать весь объем некондиционного кремния (0-5 мм). Одновременная с продувкой кремния обработка расплава металла флюсом обеспечивает повышенное по сравнению с известными техническими решениями извлечение кремния в сплав, а также более высокое качество получаемого металла.
Способ реализуется следующим образом.
В жидкий алюминий технической чистоты через установку для заглубленной инжекции порошков вдували пыль и мелочь кремния.
Основные условия опытов приведены в табл.1.
| Таблица 1 | ||
| №п/п | Параметры, размерность | Числовое значение |
| 1 | 2 | 3 |
| 1 | Масса порошка кремния в каждом опыте, кг | 100+1 |
| 2 | Масса алюминия в каждом опыте, кг | 2000+30 |
| 3 | Температура алюминия, °С | 810+20 |
| 4 | Диаметр фурмы, мм | 16 |
| 5 | Глубина погружения фурмы в металл, мм | 300+20 |
| 6 | Расход порошка кремния, кг/мин | 18+0,2 |
| 7 | Расход азота на транспорт, кг/час | 25+0,4 |
При этом варьировались количество, состав и способ введения флюса в металл. По окончании продувки металл отстаивался в течение 20 минут, затем с его поверхности удаляли шлак.
Пробы металла на кремний отбирались до и после продувки (после удаления шлака). По результатам анализов рассчитывалось извлечение кремния в сплав.
Для опытных продувок использовался рассев пыли и мелочи кремния гранулометрического состава, приведенного в табл.2.
| Таблица 2. | |
| Номер серии опытов | Крупность пыли и мелочи кремния, мм |
| 1 | 0-0,2 |
| 2 | 0-1,0 |
| 3 | 0-2,5 |
| 4 | 0,5-2,5 |
| 5 | 0,5-5,0 |
Результаты опытов приведены в табл.3.
| Таблица 3. | ||||
| Номер серии опытов | Средний диаметр частиц Si, мм, (рассчитанный по формуле (2) | Масса галогенидсодержащего флюса, кг | Извлечение Si в сплав, вес.% | |
| при продувке смеси порошка Si с флюсом 39% NaCl +50% KCl +6,6% Na3AlF6 +4,4% CaF2 | при загрузке на его поверхность карналитового флюса | |||
| 1 | 0,11 | 0 | 51,1 | 49,0 |
| 90 | 72,0 | 72,0 | ||
| 130 | 81,4 | 82,5 | ||
| 165 | 88,5 | 89,0 | ||
| 180 | 89,0 | 90,1 | ||
| 2 | 0,52 | 0 | 96,0 | 95,2 |
| 20 | 97,2 | 97,0 | ||
| 30 | 97,8 | 97,5 | ||
| 35 | 98,2 | 98,0 | ||
| 40 | 98,1 | 98,2 | ||
| 3 | 0,99 | 0 | 95,5 | 94,8 |
| 10 | 96,8 | 96,5 | ||
| 15 | 97,6 | 97,3 | ||
| 18 | 98,1 | 97,6 | ||
| 21 | 98,3 | 97,8 | ||
| 4 | 1,45 | 0 | 91,0 | 89,0 |
| 5 | 94,1 | 92,0 | ||
| 10 | 95,9 | 94,4 | ||
| 12,5 | 96,5 | 95,4 | ||
| 15,0 | 96,7 | 96,0 | ||
| 5 | 2,10 | 0 | 90,2 | 89,6 |
| 5 | 93,8 | 93,2 | ||
| 8,5 | 95,2 | 95,4 | ||
| 10 | 95,4 | 95,8 |
Таким образом, экспериментальным путем доказано, что для каждой крупности частиц кремния существует оптимальный расход галогенидсодержащего флюса, при котором извлечение кремния в сплав достигает максимального для данных условий значения. В табл.3 данные опытов по каждой серии выделены. На основании полученных результатов составлено уравнение, определяющее минимальный расход галогенидсодержащего флюса в зависимости от массы порошка кремния и среднего диаметра частиц кремния (уравнение 1).
Описанная технология может быть использована как для приготовления кремнийсодержащих алюминиевых сплавов, так и для их подшихтовки кремнием. Кроме того, во всех случаях реализуется флюсовое рафинирование получаемых сплавов от неметаллических и газовых примесей.
1. Способ получения кремнийсодержащего алюминиевого сплава, включающий введение струей инертного газа в расплав алюминия или его сплава пыли и мелочи кристаллического кремния при одновременной обработке расплава галогенидсодержащим флюсом, отличающийся тем, что минимальное количество используемого при обработке расплава флюса определяют из уравнения
где Мф - масса галогенидсодержащего флюса, кг;
MSi - масса кристаллического кремния, кг;
dSi - средний диаметр частиц кремния, мм, рассчитываемый по уравнению:
где Сi - содержание фракций кристаллического кремния, доли единицы;
di - диаметр частиц фракций, мм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют кремний крупностью 0,2-5 мм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что галогенидсодержащий флюс загружают на поверхность расплава металла.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пыль и мелочь кристаллического кремния предварительно смешивают с галогенидсодержащим флюсом.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что введение пыли и мелочи кристаллического кремния и обработку расплава галогенидсодержащим флюсом осуществляют с одновременным вдуванием пыли и мелочи кристаллического кремния и галогенидсодержащего флюса в расплав через разные фурмы.
