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)氧化鋁工藝的開發(fā)，對提高我國氧化鋁工業(yè)的市場競爭力，合理利用中低品位鋁土礦資源做出了重大貢獻。但是，選礦過程中要產(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浪費資源，而且還會占用土地，污染環(huán)境。目前，大約60％的鋁是以鋁合金的形式進入消費領(lǐng)域的，其中，尤以鋁硅合金的消費量為大。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，是未來鋁工業(yè)發(fā)展的趨勢。
　　 本文首先對以鋁土礦浮選尾礦、煙煤、亞硫酸鹽紙漿廢液為制團原料的物料配比進行了準確地計算，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，以抗壓強度和氣孔率作為衡量生團塊性能的指標，通過單因素實驗和正交實驗考察了制團壓力、干粉粘結(jié)劑配入量、配水量及尾礦粒度對生團塊性能的影響。結(jié)果表明，對生團塊抗壓強度和氣孔

3、率影響最大的分別是干粉粘結(jié)劑含量和尾礦粒度，配水量對二者的影響最小。最佳的工藝條件為：制團壓力22.5 MPa，干粉粘結(jié)劑含量9％，配水量13％，尾礦粒度0.420～0.178mm，此時生團塊的抗壓強度為27.8 MPa，氣孔率為18.4％，均優(yōu)于實際工業(yè)指標。
　　 實驗同時研究了焙燒條件對團塊性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，團塊的氣孔率隨著焙燒溫度的升高及焙燒時間的延長而逐漸增大，且增大的幅度較大，而抗壓強度則不斷下降，下降的幅度

4、逐漸變小。在焙燒溫度升至500℃之前，團塊幾乎不導電，此后在700℃焙燒時，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。在真空碳管爐中以氬氣為保護氣體進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，當氣體壓力接近常壓，反應溫度1900℃，反應時間lh，煙煤配入量為理論量的95 wt.％時，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、冶煉過程中，當輸出電流穩(wěn)定在1100 A時，合適的輸出電壓為25～30 V。配煤量為理論量的93 wt.％時，所得爐底殘渣中A12O3及SiC的含量較小。所獲得的一次鋁硅合金包括有6個相，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。
　　 對碳熱共同還原Al2O3、SiO2制取鋁硅合金的熱力學行為進行了分析，得出該還原反應

6、需很高的溫度，合適的反應溫度為2000～2100℃。利用XRD、SEM-EDS等技術(shù)分別對真空碳管爐中各不同反應溫度及電弧爐內(nèi)不同反應區(qū)帶的產(chǎn)物進行了分析，利用TG/DTA技術(shù)研究了在動態(tài)氣氛下的整個碳熱還原反應過程。結(jié)果表明，碳熱共還原Al2O3、SiO2的反應過程與碳熱還原鋁土礦尾礦的反應過程極為相近，可分為4個階段：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種還原機理中，碳化物生成與分解機理能較好地解釋反應過程中出現(xiàn)的反應現(xiàn)象，并根據(jù)實驗現(xiàn)象對這一理論進行了修正，提出了具體的反應方程為：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對碳熱法制取鋁硅合金的動力學行為進行了研究

8、。結(jié)果表明，不同的升溫速率下均存在6個吸熱峰，這6個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法計算了碳熱還原過程中各個吸熱峰的表觀活化能，每個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