碳熱還原鋁土礦浮選尾礦制取一次鋁硅合金的研究.pdf

1、選礦拜耳法生產(chǎn)氧化鋁工藝的開(kāi)發(fā)，對(duì)提高我國(guó)氧化鋁工業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，合理利用中低品位鋁土礦資源做出了重大貢獻(xiàn)。但是，選礦過(guò)程中要產(chǎn)出占原礦25％左右的尾礦，這部分尾礦如不加以利用不僅會(huì)浪費(fèi)資源，而且還會(huì)占用土地，污染環(huán)境。目前，大約60％的鋁是以鋁合金的形式進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域的，其中，尤以鋁硅合金的消費(fèi)量為大。以鋁土礦浮選尾礦為原料，碳熱還原法生產(chǎn)鋁硅合金較之傳統(tǒng)的兌摻法，可以緩解鋁土礦資源的壓力，充分利用二次資源，減少設(shè)備投資，降低能耗，提高

2、能量利用率，是未來(lái)鋁工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。
　　 本文首先對(duì)以鋁土礦浮選尾礦、煙煤、亞硫酸鹽紙漿廢液為制團(tuán)原料的物料配比進(jìn)行了準(zhǔn)確地計(jì)算，得出理論物料配比為鋁土礦浮選尾礦：氧化鋁：煙煤：干粉粘結(jié)劑：水=100:25.1:74.0:19.7:7.91。然后，在此基礎(chǔ)上，以抗壓強(qiáng)度和氣孔率作為衡量生團(tuán)塊性能的指標(biāo)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)考察了制團(tuán)壓力、干粉粘結(jié)劑配入量、配水量及尾礦粒度對(duì)生團(tuán)塊性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)生團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度和氣孔

3、率影響最大的分別是干粉粘結(jié)劑含量和尾礦粒度，配水量對(duì)二者的影響最小。最佳的工藝條件為：制團(tuán)壓力22.5 MPa，干粉粘結(jié)劑含量9％，配水量13％，尾礦粒度0.420～0.178mm，此時(shí)生團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度為27.8 MPa，氣孔率為18.4％，均優(yōu)于實(shí)際工業(yè)指標(biāo)。
　　 實(shí)驗(yàn)同時(shí)研究了焙燒條件對(duì)團(tuán)塊性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，團(tuán)塊的氣孔率隨著焙燒溫度的升高及焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，且增大的幅度較大，而抗壓強(qiáng)度則不斷下降，下降的幅度

4、逐漸變小。在焙燒溫度升至500℃之前，團(tuán)塊幾乎不導(dǎo)電，此后在700℃焙燒時(shí)，其電阻率下降明顯，1000℃后電阻率降幅趨緩，并有逐漸增大的趨勢(shì)。在真空碳管爐中以氬氣為保護(hù)氣體進(jìn)行了碳熱還原鋁土礦浮選尾礦制取一次鋁硅合金的研究。結(jié)果表明，當(dāng)氣體壓力接近常壓，反應(yīng)溫度1900℃，反應(yīng)時(shí)間lh，煙煤配入量為理論量的95 wt.％時(shí)，可獲得質(zhì)量較優(yōu)的一次鋁硅合金。所獲得的一次鋁硅合金由6個(gè)相組成，包括Al-Si-Fe相，碳化物相及氧化物相。電弧爐

5、冶煉過(guò)程中，當(dāng)輸出電流穩(wěn)定在1100 A時(shí)，合適的輸出電壓為25～30 V。配煤量為理論量的93 wt.％時(shí)，所得爐底殘?jiān)蠥12O3及SiC的含量較小。所獲得的一次鋁硅合金包括有6個(gè)相，主要是一次合金相，其中鋁含量為52.5％，硅含量為23.2％，另含有很少量的的金屬雜質(zhì)鈦、鈣等以及氧化物和碳化物。煙氣的主要成分為Al2O3、SiO2。
　　 對(duì)碳熱共同還原Al2O3、SiO2制取鋁硅合金的熱力學(xué)行為進(jìn)行了分析，得出該還原反應(yīng)

6、需很高的溫度，合適的反應(yīng)溫度為2000～2100℃。利用XRD、SEM-EDS等技術(shù)分別對(duì)真空碳管爐中各不同反應(yīng)溫度及電弧爐內(nèi)不同反應(yīng)區(qū)帶的產(chǎn)物進(jìn)行了分析，利用TG/DTA技術(shù)研究了在動(dòng)態(tài)氣氛下的整個(gè)碳熱還原反應(yīng)過(guò)程。結(jié)果表明，碳熱共還原Al2O3、SiO2的反應(yīng)過(guò)程與碳熱還原鋁土礦尾礦的反應(yīng)過(guò)程極為相近，可分為4個(gè)階段：煙煤熱解階段；Al2O3、SiO2的晶型轉(zhuǎn)變階段；碳化物的生成與分解階段；生成物的損失階段。關(guān)于碳熱共還原Al2O3

7、、SiO2的4種還原機(jī)理中，碳化物生成與分解機(jī)理能較好地解釋反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的反應(yīng)現(xiàn)象，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)這一理論進(jìn)行了修正，提出了具體的反應(yīng)方程為：SiO2+3C=SiC+2CO，2Al2O3+9C=Al4C3+6CO，3SiO2+2Al4C3=8Al+3Si+6CO，3SiC+Al2O3=2Al+3Si+3CO。利用DTA技術(shù)在動(dòng)態(tài)高純氬氣氣氛下以不同的升溫速率10,15,20和25 K/min對(duì)碳熱法制取鋁硅合金的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了研究

8、。結(jié)果表明，不同的升溫速率下均存在6個(gè)吸熱峰，這6個(gè)峰所處的溫度范圍大致在1220～1240 K、1340～1360 K、1680～1730 K、1850～1950 K、1970～2050 K、2100～2160 K。利用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法和Kissinger法計(jì)算了碳熱還原過(guò)程中各個(gè)吸熱峰的表觀活化能，每個(gè)吸熱峰的平均表觀活化能依次為：848.9，945.4，569.7，325.7，431.9和723.1kJ