СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF OBTAINING ALUMINIUM-SILICON ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к электролитическому производству алюминия, и может быть использовано в процессах подготовки алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния (силуминов) марок АК5М2, АК7, АК7пч, АК8М3, АК9, АК12 и других.
Известен способ получения литейных алюминиево-кремниевых сплавов (патент РФ №2322522, опубл. 20.04.2008 г.). Сущность способа состоит в том, что в качестве шихты используются первичный силумин, возврат песчано-глинистого литья, возврат кокильного литья при соотношении компонентов, мас.% соответственно (1÷1,6):(2,3÷3,6):(2÷2,6). Плавка осуществляется по следующей технологии: расплавление шихты, содержащей первичный силумин и возврат песчано-глинистого литья, перегрев расплава при температуре от 1000°С до 1050°С, охлаждение расплава за счет ввода от 60 до 70% массы возврата кокильного литья, последующая загрузка при температуре от 825°С до 875°С остатка возврата кокильного литья, рафинирование и разливка.
Недостатками способа являются высокие энергетические затраты на нагрев шихты и существенные потери сырья во время операций загрузки, а также низкий выход годной продукции.
Известен способ получения литейных алюминиевых сплавов из вторичного сырья (патент РФ №2351670, опубл. 10.04.2009 г.), включающий расплавление основной шихты, перегрев расплава при температуре от 990°С до 1000°С, выдержку расплава при температуре перегрева, охлаждение расплава загрузкой в него твердой металлической шихты: первая порция вводится при температуре перегрева и составляет от 8 до 10% от массы основной шихты; вторая порция вводится при температуре от 860°С до 870°С и составляет от 4 до 6% массы основной шихты, третья порция вводится при температуре от 750°С до 760°С и составляет от 4 до 6% массы основной шихты, рафинирование и разливку расплава.
Недостатками способа являются многостадийность процесса и большие энергетические затраты, поскольку способ предусматривает высокие температуры перегрева, также полученный сплав имеет низкий уровень механических свойств.
Известен способ получения силуминов (патент РФ №2094515, опубл. 27.10.1997 г.), включающий расплавление алюминия, введение в расплав шлака производства сплавов на основе алюминия или съемов, образующихся при получении отливок из алюминиево-кремниевых сплавов, а также ввод кварцевого песка и наводороживание расплава.
Недостатками способа являются трудоемкость и низкая эффективность процесса, а также высокий уровень содержания примесей в полученных сплавах.
Известен способ переплава пылевидных отходов кремния в среде твердожидкого алюминия (патент РФ №2180013, опубл. 27.02.2002 г.), включающий плавление алюминиевого расплава, введение кристаллического кускового кремния при температуре от 1350°С до 1650°С с одновременным барботированием и охлаждением расплава инертным газом, ввод пылевидного кристаллического кремния, смешанного с влажной алюминиевой стружкой, струей инертного газа в количестве от 5 до 16% общего веса вводимого в расплав кремния.
Недостатками способа являются низкая эффективность из-за неполного растворения пылевидного кремния, а также высокий уровень опасности при вводе в расплав отходов кремния с влажной алюминиевой стружкой.
Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов в алюминиевых электролизерах (патент РФ №2556188, опубл. 10.07.2015 г.), принятый за прототип, включающий подготовку путем механоактивации загружаемой шихтовой смеси, содержащей алюмосиликатное сырье, включающее отработанную подину, и оборотный электролит алюминиевого электролизера и глинозем, загрузку шихтовой смеси в электролизер с последующим электролизом в расплаве электролита.
Недостатками способа являются высокие энергетические затраты, необходимые для реализации процессов взаимодействия всех шихтовых компонентов с расплавом, необходимость перегрева расплава, а также высокий выход угольной пены, который при нагреве сопровождается науглероживанием электролита алюминиевого электролизера и образованием криолит-глиноземных осадков на подине.
Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат при получении алюминиево-кремниевых сплавов, упрощение технологического процесса, а также вовлечение в производство алюминиевых сплавов отходов кремниевого производства (микросилики).
Технический результат достигается тем, что в качестве шихтовой смеси используют микросилику, которую загружают в алюминиевые контейнеры в количестве, соответствующем содержанию кремния в алюминиевом сплаве от 2 до 10 мас. %, контейнеры предварительно подогревают до температуры от 300°С до 400°С, а затем вводят в электролизер под слой электролита, при этом электролиз проводят при непрерывной циркуляции расплава в электролите при температуре от 940°С до 950°С и напряжении на электролизере от 4,25 до 4,30 В.
Способ осуществляется следующим образом. Микросилику загружают в алюминиевые контейнеры-трубы с таким расчетным количеством, чтобы выйти на заданный уровень содержания кремния в алюминии (от 2% до 10%), с учетом усвоения кремния равным от 91% до 92%. Затем контейнеры, сжатые по концам с двух сторон, помещают в раздатчик стандартной фурмы и подогревают над проделанным окном в криолит-глиноземной корке до температуры от 300 до 400°С. После подогрева контейнеры вводятся в расплав при помощи стандартной фурмы в специально подготовленные «окна» в корке электролизной ванны. Ввод происходит при температуре от 940 до 950°С и напряжении от 4,25 до 4,30 В. Алюминиевые контейнеры расплавляются в слое металла за 5-8 сек, при этом частички микросилики, под действием движущегося в ванне металла со скоростью от 15 до 20 см/сек, всплывают и попадают в межфазную границу «алюминий-электролит», где происходит электрохимическое восстановление.
Использование электролизера для получения алюминиево-кремниевых сплавов обеспечивает стабильную температуру металла, при этом жидкие фторалюминаты натрия оказывают модифицирующее и рафинирующее действие на сплав, а непрерывная циркуляция металла в электролизере за счет динамического потока расплава под действием электромагнитных сил создает условия для полного растворения микросилики без ее всплытия на поверхность электролита.
Расчетные величины между содержанием кремния и алюминия и их предельным количеством определяются в каждом конкретном случае в зависимости от заданной марки силумина. При превышении содержания примесей в условиях электролитического получения алюминия возможны различные варианты корректировки химического состава.
Для подготовки алюминиевого сплава выбирается группа из 2 электролизеров. В качестве основы используют расплав первичного алюминия марки А7Е, получаемый в электролизерах для производства алюминия. Количество металла в электролизере от 6 до 6,5 т.
Способ поясняется следующими примерами.
Пример 1. В электролизер марки С8БМ при наличии в нем 6500 кг катодного алюминия ввели по предлагаемому способу 780 кг микросилики. Ввод происходил при температуре 940°С и напряжении 4,25 В. После замера уровня металла производился отбор проб металла для определения химического состава. На подготовку алюминиевого сплава затрачивается 60 мин. После растворения кремниевого сырья во время электролитического процесса получили алюминиево-кремниевый сплав с содержанием Si 5,02 мас. %, соответствующего марке АК7.
Процент усвоения кремния составил 93,2%.
Пример 2. Способ осуществляют идентично примеру 1. В электролизер с катодным алюминием массой 6000 кг ввели по предлагаемому способу 1500 кг микросилики. Ввод происходит при температуре 950°С и напряжении 4,25 В. После растворения кремниевого сырья во время электролитического процесса получили алюминиево-кремниевый сплав с содержанием Si 10,1 мас. %.
Процент усвоения кремния составил 92,5%.
Пример 3. Способ осуществляют идентично примеру 1. В электролизер с катодным алюминием массой 6000 кг ввели по предлагаемому способу 1500 кг микросилики. Ввод происходит при температуре 940°С и напряжении 4,30 В. После растворения кремниевого сырья во время электролитического процесса получили алюминиево-кремниевый сплав с содержанием Si 10,06 мас. %
Процент усвоения кремния составил 93,6%.
Пример 4. Способ осуществляют идентично примеру 1. В электролизер с катодным алюминием массой 6000 кг, ввели по предлагаемому способу 1500 кг микросилики. Ввод происходит при температуре 950°С и напряжении 4,30 В. После растворения кремниевого сырья во время электролитического процесса получили алюминиево-кремниевый сплав с содержание Si 9,9 мас. %.
Процент усвоения кремния составил 92,4%.
Пример 5. Способ осуществляют идентично примеру 1. В электролизер марки С8БМ при наличии в нем 6500 кг катодного алюминия ввели по предлагаемому способу 780 кг микросилики. Ввод происходил при температуре 880°С и напряжении 4,1 В. После растворения кремниевого сырья во время электролитического процесса получили алюминиево-кремниевый сплав с содержанием Si 4,1 мас. %
Процент усвоения кремния составил 73,4%.
Пример 6. Способ осуществляют идентично примеру 1. В электролизер с катодным алюминием массой 6000 кг ввели по предлагаемому способу 1500 кг микросилики. Ввод происходит при температуре 1030°С и напряжении 4,4 В. После растворения кремниевого сырья во время электролитического процесса получили алюминиево-кремниевый сплав с содержанием Si 8,0 мас. %.
Процент усвоения кремния составил 70,1%.
Преимуществами способа являются получение алюминиево-кремниевых сплавов непосредственно в электролизере, снижение энергозатрат при производстве сплавов в литейных отделениях, эффективное использование отходов кремниевого производства, отсутствие пыления во время загрузки, а также возможность управлять загрузкой шихтовых материалов в зависимости от заданного содержания кремния в сплаве. Применение технологии прямого ввода микросилики обеспечивает повышенный срок службы за счет уменьшения количества трещин и пор в катодной футеровке при реакции микросилики с углеродом на подине электролизной ванны.