Магистерская работа

Целью моей научно-исследовательской работы является анализ возможности производства ферроалюминия в плазменно-дуговой печи с использованием нефелиновой руды.

Алюминий является сильным раскислителем и применяется в количестве 0,3 - 1 кг/т для раскисления почти всех сталей и для регулирования размеров зерна аустенита с повышением пластичности и вязкости стали. Для раскисления стали используют также ферроалюминий, получаемый сплавлением стали с алюминием в дуговых печах. Необходимость проведения работ по производству комплексных алюминиевых ферросплавов вызвана следующими причинами: 1)ограниченностью запасов высококачественных бокситов для производства алюминия, наличием больших запасов комплексного сырья и алюминосодержащих отходов; 2)высокой стоимостью первичного алюминия, высоким угаром его при раскислении стали, ограниченностью ресурсов вторичного алюминия и высоким содержанием в нем вредных примесей; 3)высокой эффективностью использования комплексных сплавов.

На рис. 1 приведена технологическая схема комплексного использования каолинов, кианитов, бедных бокситов и других алюмосиликатов.

Стандартная схема получения ферроалюминия.

Сырьем для получения глинозема являются бокситы, представляющие собой горную породу, состоящую из многих минералов: гидратов и оксидов железа. Химический состав электротермического ферроалюминия должен быть следующим: содержание алюминия в зависимости от марки от 8 до 24 %, содержание примесей для всех марок (не более): 4% Si, 4% С, 0,06% S, P. Выплавку ферроалюминия целесообразно вести в типовых закрытых электропечах большой мощности. Технология выплавки сплава состоит в восстановлении алюминия из электрокорунда, получаемого из агломерата бокситов любого состава, ставролитового концентрата или другого алюмосиликатного сырья. При этом получают также ферросилиций марок ФС20 и ФС25. Вторая стадия представляет собой непрерывный процесс с периодическим выпуском металла и очень небольшого количества шлака. При получении всех алюминиевых ферросплавов алюминий восстанавливается из сырья при высокой температуре с появлением жидкой фазы, а также растворением восстановленного алюминия в металлической составляющей. На этом принципе основаны технологии получения и других сплавов с алюминием.

Физико-химические основы процесса производства сплавов алюминия

В природе алюминий встречается в виде Al₂O₃ плавится он при 2326К. Восстановление оксидов алюминия углеродом связано с образованием сложных оксикарбидов и карбида алюминия, имеющих высокую устойчивость в присутствии некоторых других оксидов и металлов. Отсутствие надежных термодинамических данных по оксикарбидам алюминия затрудняет достоверный термодинамический анализ всех ступеней последовательного восстановления Al₂O₃ углеродом, протекающего по схеме: Al₂O₃>Al₄O₄C>Al₂OC>Al₄C₃>Al

На комбинате им. Ильича рассматривают схему получения ферроалюминия из нефелиновой руды. Нефелины - минералы сложного состава, входят в состав изверженных пород. Они имеют большее распространение в земной коре, чем бокситы и криолиты.

Примерный состав руды: 30% Al₂O₃, 45% SiO₂, 4% Fe₂O₃, 15% Na₂O, 5,3% K₂O, 0,7 % MgO.

Видно, что с повышением температуры, восстановлению алюминия предшествует восстановление всех остальных оксидов руды, таким образом, полученный сплав не будет удовлетворять ГОСТам на ферроалюминий по содержанию кремния. Одной из возможных схем производства ферроалюминия из нефелиновой руды является двухстадийный процесс, когда на первой стадии в рудовосстановительной печи восстанавливается кремний из SiO₂ и легковосстановимые оксиды Na₂O и K₂O, при этом получают шлак, обогащенный алюминием и ферросилиций ФС23. Полученный высокоалюминистый шлак с содержанием Al₂O₃ до 90% затем, на второй стадии, в плазменнодуговой печи восстанавливают до ферроалюминия.

Для построения точной технологической схемы получения ферроалюминия требуется провести термодинамический анализ реакций восстановления нефелина в печи.

Более точный расчет температуры начала восстановления оксидов требует знания активностей компонентов в шлаке и металле и их влияния на температуру начала восстановления.

Так как углерод при температурах до 3500°С находится в твердом состоянии его коэффициент активности можно принять равной единице. Поскольку плавка ведется при атмосферном давлении, давление СО можно принять равным внешнему, то есть одной атмосфере. Таким образом, значение константы равновесия зависит от активности элементов в шлаке и металле.

Для нахождения активности оксидов в шлаке воспользуемся методом Пономаренко. Разработанная модель этого метода позволяет рассчитать активности компонентов шлака как химических элементов, используя атомные коэффициенты активности.

Результаты расчетов приведены в таблице. В расчете состав шлака был принят равным составу нефелиновой руды, температура 1600°С. На основании этого же метода было рассчитано влияние температуры на коэффициенты активности Al₂O₃ и SiO2 в шлаке (рисунок). Видно, что с повышением температуры коэффициенты активности меняются незначительно.

Также были рассчитаны зависимости коэффициентов активности Al₂O₃ и SIO₂ от основности шлака. Из рисунка видно, что наибольшего значения коэффициенты активности достигают при основности равной 2,5-3. То есть для более полного восстановления алюминия, вероятно, потребуется добавление большого количества извести в шлак.

Для нахождения активности элементов в расплаве будет использована модель многокомпонентного регулярного раствора. Таким образом, можно сделать вывод что получение ферроалюминия из нефелиновой руды возможно, примерная технологическая схема этого процесса состоит из двух этапов – на первом этапе выплавляется шлак с высоким содержанием алюминия и низким содержанием кремния, а на втором этапе выплавка непосредственно алюминия в плазменно-дуговой печи. Схема процесса приведена на рисунке 2.