15.2. Минералы и руды алюминия
В свободном виде глинозем встречается в природе в виде минерала корунда –Al2O3. Известны и широко используются минералы, содержащие глинозем: каолин Al2O32SiO22H2O, дистен–силлиманит Al2O3SiO2, муллит 3Al2O32SiO2 и др. Основной рудой для получения алюминия являются бокситы, глинозем в которых представлен самостоятельными минералами: гиббситом (Al(OH)3 (65,4% Al2O3), бёмитом –AlO(OH) (85% Al2O3) и диаспором –AlO(OH) (85% Al2O3). Сопутствующие бокситам примесные минералы представлены SiO2, TiO2, CaO, MgO, MnO, P2O5, V2O5 и др.
15.3. Технология производства силикоалюминия
Сплавы алюминия с кремнием (общее название силумины) широко используются для получения отливок различного функционального назначения. В мировой практике эти сплавы получают сплавлением электролитического алюминия с чистым кремнием. Для получения алюминия из технического глинозема необходимо, прежде всего, наличие высококачественных бокситов (с содержанием SiO2 не более 2-3%) и большой удельный расход химических реагентов (NaOH) и электрической энергии (16000 кВтч/т алюминия). Вместе с тем, в природе распространены породы, содержащие Al2O3 и SiO2 в химически связанном виде.
В 60-х годах в СССР была разработана электрометаллургическая технология выплавки алюминиево-кремниевого сплава (60% Al + 40% Si) и реализована в промышленных условиях на Днепровском алюминиевом заводе (ДАЗ), ныне Запорожский производственный алюминиевый комбинат (ОАО «ЗАлК») (рис. 15.7).
Сущность технологии состоит в совместном восстановлении алюминия и кремния из оксидов Al2O3 и SiO2 углеродом. Шихта состоит из дистен-силлиманитового концентрата (Al2O3∙SiO2), технического глинозема (Al2O3), каолина (Al2O32SiO22Н2O) и углеродистого восстановителя.
Каолин представлен, в основном, минералами каолинитом, который состоит из окиси алюминия, кремнезема и воды, его химическая формула Al2O3∙2SiO2∙2H2O. Этот минерал имеет химсостав, %: 39,5 Al2O3; 46,6 SiO2 и 13,9 Н2О.
Для производства силумина используется каолин Просяновского месторождения (Украина) сухого обогащения марок КЗС-37, КЗС-36, КЗС-35 (табл. 15.1).
Рис. 15.7. Технологическая схема получения сплава алюминия с кремнием электротермическим способом:
1 – насос пневмовинтовой; 2 – силосной склад каолина, дистена–силлиманита; 3 – дробилка щековая; 4 – дробилка молотковая;
5 – мельница шахтная с аэрозагрузкой; 6 – бункер; 7 – дозатор;
8 – шнек; 9 – смеситель; 10 – дозатор щелевой; 11–13 – мешалки; 14 – сушило; 15 – пресс; 16 – бункер; 17 – питатель золотниковый;
18 – печь рудовосстановительная; 19 – рафинирование первичного сплава; 20 – миксер; 21 – печь вакуумфильтровальная; 22 – конвейер литейный; 23 – печь газовая
Таблица 15.1. Физико-химические свойства каолина (по ГОСТ 20080-74)
Содержание компонента, % |
Норма по сортам |
Фактич. свойства |
||
КЗС–37 |
КЗС–36 |
КЗС–35 |
||
Al2O3, не менее |
37 |
36 |
35 |
35,0–37,0 |
Fe2O3, не более |
0,4 |
0,5 |
0,8 |
0,4–0,8 |
СаО, не более |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,41–0,8 |
TiO2, не более |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
0,41-0,6 |
Влаги (Н2О), не более |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,5 |
Глинозем технический состоит из полиминеральной смеси различных модификаций Al2O3, из которых наиболее высокотемпературной модификацией является -Al2O3. Используется глинозем металлургический марки Г0, Г00, Г000 по ГОСТу 30558-98.
Массовую долю оксида алюминия определяют по разности 100% и суммы массовых долей примесей (табл. 15.2) и потери массы при прокаливании
Таблица 15.2. Физико-химические свойства глинозема металлургического, %
Марка |
Примеси, не более |
Потери массы при прокаливании 300-1100оС, не более |
|||||
SiO2 |
Fe2O3 |
TiO2+ +K2O5+ +Cr2O3+ +MnO |
ZnO |
P2O5 |
Сумма Na2O+K2O в пересчете на Na2O |
||
Г0 |
0,03 |
0,05 |
0,02 |
0,02 |
0,002 |
0,5 |
1,2 |
Г00 |
0,02 |
0,03 |
0,01 |
0,01 |
0,02 |
0,4 |
1,2 |
Г000 |
0,02 |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
0,001 |
0,3 |
0,6 |
Дистен-силлиманитовый концентрат (ДСК) представлен двумя основными минералами – дистеном (65%) и силлиманитом (30%), отличающихся кристаллической структурой и имеющих одну химическую формулу Al2O3∙SiO2 (62,96% Al2O3 и 37,04% SiO2).
Дистен-силлиманитовый концентрат марки КДЗС (зернистый) получают на Верхнеднепровском горно-металлургическом комбинате как побочный продукт при переработке титано-цирконовых песков (табл. 15.3).
Таблица 15.3. Физико-химические свойства дистен-силлиманитового концентрата
Наименование показателей |
Нормы компонентов по ТУ У-14-10-017-98 |
Фактичес- кое содержание |
Содержание Al2O3 в %, не менее |
54 |
55,0–59,0 |
Содержание Fe2O3 в %, не более |
0,8 |
0,5–0,8 |
Содержание СаО в %, не более |
0,2 |
– |
Содержание MgO в %, не более |
0,4 |
– |
Содержание TiO2 в %, не более |
2,5 |
0,4–1,3 |
Влага в %, не более |
0,5 |
0,3–0,5 |
Остаток по сетке №315 по ГОСТ 6613, не более |
0,5 |
– |
Насыпная плотность, кг/см3 |
– |
1,94 |
Для корректировки шихты по ходу плавки брикетов в рудовосстановительной дуговой электропечи используют кварцит (98% кварца) Баничского месторождения (по ТУ У-14-10-007-97) (табл. 15.4).
Таблица 15.4. Физико-химические свойства кварцита
Наименование показателей |
Требования по ТУ |
Фактическ. свойства |
Содержание SiO2 в %, не менее |
99,0 |
99,5–99,0 |
Содержание Fe2O3 в %, не более |
0,15 |
0,06–0,15 |
Содержание Al2O3 в %, не более |
0,25 |
0,10–0,15 |
Содержание СаО в %, не более |
0,05 |
0,05–0,10 |
Содержание посторонних приме- сей (глина) в %, не более |
3,0 |
– |
Размер кусков, мм для зимних условий 01.11 по 01.04) |
20–90 40–90 |
25–70 |
Насыпная плотность фракции 25-70 г/см3 |
1,40,2 |
1,45 |
В качестве восстановителя применяют газоугольный концентрат в смеси с нефтяным коксом. Концентрат получают при механическом обогащении молодых газовых углей Донбасса с высоким содержанием летучих веществ (32–38%). Этот концентрат характеризуется низким содержанием золы и Fe2O3 в составе золы (табл. 15.5).
Пыль газоугольного концентрата по степени воздействия на организм относится к 4 классу опасности, ПДК – 6,0 мг/м3; по опасности воспламенения и взрыва в помещениях, относится к IV классу опасности группы «Б». Может тлеть, самовозгораться. При концентрациях от 30 до 2000 г/м3 и наличия источника огня, пыль взрывоопасна.
Температура тления при самовозгорании пыли с размером частиц 50–100 мкм 150–250оС. Температура самовоспламенения – 410оС.
Нефтяной кокс марки – КЗА является продуктом медленного коксования при температуре 580–700оС остаточных продуктов, получаемых при переработке нефти по ГОСТ 22898-78 и марок КС-0, КС-5 по ТУ У 00152230020-97.
Эти компоненты подвергаются брикетированию с использованием лигносульфоната* (табл. 15.6). После сушки брикеты подвергаются восстановительной электроплавке в
_____________________
*Лигносульфонат (сульфито-спиртовая барда) – побочный продукт получения целлюлозы сульфитной варки древесины.
открытых рудовосстановительных трехэлектродных электропечах, работающих на переменном токе. Процесс ведется непрерывно, с погруженными в шихту рабочими концами самообжигающихся электродов диаметром 1200 мм каждый. Номинальная мощность группы печных трансформаторов 16,5 МВА (5,5 х 3).
Таблица 15.5. Физико-химические свойства газоугольного концентрата
Наименование показателей |
Требова-ния по контракту |
Фактичес. свойства |
Содержание золы, в %, не более |
3,75 |
2,5–5,0 |
Содержание влаги, в %, не более |
3,0 |
2,2–5,0 |
Выход летучих веществ, в % |
35,5 |
33,0–38,0 |
Содержание окислов железа, в % если партия до двух вагонов, не более – « – более двух вагонов, не более |
0,8
0,6 |
0,8–1,1
0,35–0,60 |
Углерод твердый, в % |
56,5 |
62,0–51,0 |
Состав золы угля, %: |
|
|
содержание Fe2O3 |
– |
13–25,0 |
– « – SiO2 |
– |
42–50,5 |
– « – MgO |
– |
1,5–5,0 |
– « – TiO2 |
– |
0,4–1,5 |
Насыпная плотность фракции 13-60 мм, т/м3 |
– |
0,8 |
Таблица 15.6. Физико-химические свойства лигносульфатов технических (ЛСТ)
Наименование показателей |
Норма по ТУ 13-028-1036-89 |
Фактичес. свойства |
|
А |
В |
||
Внешний вид и цвет |
Густая жидкость темно-коричневого цвета |
|
|
Массовая доля сухих веществ, % не менее |
47 |
47 |
48,0–50,0 |
Плотность, кг/м3 |
1230 |
1230 |
1230–1260 |
Массовая доля золы к массе сухих веществ, % не более |
18,0 |
20,0 |
|
Предел вязкости |
50–320 |
50–320 |
|
В общем химизм процесса можно представить балансовой реакцией
Al2O3 + SiO2 + 2C = Al + Si + 2CO.
Реально процесс проходит с образованием промежуточных соединений SiOгаз, SiC, Al4О4C, Al2OC, Al4C3, что значительно усложняет выбор рациональных электрических и технологических параметров работы печи.
Силикоалюминий выпускают в ковш с одновременным рафинированием его от шлака при помощи легкоплавких флюсов. Выпускаемый из печи первичный рафинированный алюминиево-кремниевый сплав имеет следующий химический состав, %:
Al |
Si |
Fe |
Ti |
Zr |
Cr |
55–62 |
38–42 |
1,3–2,0 |
0,5–1,0 |
0,2–0,6 |
0,50–1,5 |
Шлак имеет гетерогенный состав и включает корольки сплава, оксидную и карбидную части. Этот шлак используют в сталеплавильном производстве в качестве раскислителя. Рафинированный в ковше силикоалюминий в дальнейшем подвергают металлургическому переделу с целью получения литейных сплавов широкого сортамента. С этой целью сплав разбавляют жидким электролитическим алюминием. При этом понижается температура сплава, снижается растворимость примесных металлов (Fe, Ti, Zr, Ca) с образованием твердых интерметаллидов. Путем фильтрации жидкий сплав очищают от интерметаллидов и затем разливают его в слитки. Освоен ряд литейных сплавов: АК7М3Ц2, АКМ3Ц2Мг, АК7М2,5МгМн* и др., которые используются для отливки деталей машин автотранспорта и автомобильной промышленности.
_________________
* Условные обозначения металлов в маркировке литейных сплавов: А – Al; К – Si; M – Cu; Ц – Zn; Мг – Mg; Н – Ni.