Магістерська робота

Метою моєї науково-дослідної роботи є аналіз можливості виробництва ферроалюмінія в плазмено-дуговій печі з використанням нефелінової руди.

Алюміній є сильним розкислювачем і застосовується в кількості 0,3 - 1 кг/т для розкислювання майже всіх сталей і для регулювання розмірів зерна аустеніту з підвищенням пластичності і в'язкості стали. Для розкислювання сталі використовують також ферроалюміній, що отримується сплавом стали з алюмінієм в дугових печах. Необхідність проведення робіт по виробництву комплексних алюмінієвих феросплавів викликана наступними причинами: 1)ограниченностью запасів високоякісних бокситів для виробництва алюмінію, наявністю великих запасів комплексної сировини і алюміносодержащих відходів; 2)высокой вартістю первинного алюмінію, високим чадом його при розкислюванні стали, обмеженістю ресурсів вторинного алюмінію і високим вмістом в нім шкідливих домішок; 3)высокой ефективністю використання комплексних сплавів.

На мал. 1 приведена технологічна схема комплексного використання каолінов, кианітов, бідних бокситів і інших алюмосилікатов.

Сировиною для отримання глинозему є боксити, що є гірською породою, що складається з багатьох мінералів: гідратів і оксидів заліза. Хімічний склад електротермічного ферроалюмінія повинен бути наступним: зміст алюмінію залежно від марки від 8 до 24 %, зміст домішок для всіх марок (не більш): 4% Si, 4% З, 0,06% S, P. Виплавку ферроалюмінія доцільно вести в типових закритих електропечах великої потужності. Технологія виплавки сплаву полягає у відновленні алюмінію з електрокорунду, що отримується з агломерату бокситів будь-якого складу, ставролітового концентрату або іншої алюмосилікатного сировини. При цьому отримують також ферросиліций мазкий ФС20 і ФС25. Друга стадія є безперервним процесом з періодичним випуском металу і дуже невеликої кількості шлаку. При отриманні всіх алюмінієвих феросплавів алюміній відновлюється з сировини при високій температурі з появою рідкої фази, а також розчиненням відновленого алюмінію в металевій складовій. На цьому принципі засновані технології отримання і інших сплавів з алюмінієм.

Физико-хімічні основи процесу виробництва сплавів алюмінію

У природі алюміній зустрічається у вигляді Al₂O₃ плавиться він при 2326К. Відновлення оксидів алюмінію вуглецем пов'язане з утворенням складних оксикарбідов і карбіду алюмінію, що мають високу стійкість у присутності деяких інших оксидів і металів. Відсутність надійних термодинамічних даних по оксикарбідам алюмінію утрудняє достовірний термодинамічний аналіз всіх ступенів послідовного відновлення Al₂O₃ вуглецем, що протікає по схемі: Al₂O₃>Al₄O₄C>Al₂OC>Al₄C₃>Al

На комбінаті ім. Ілліча розглядають схему отримання ферроалюмінія з нефелінової руди. Нефеліни - мінерали складного складу, входять до складу вивержених порід. Вони мають більше розповсюдження в земній корі, чим боксити і кріоліт.

Зразковий склад руді: 30% Al₂O₃, 45% SiO₂, 4% Fe₂O₃, 15% Na₂O, 5,3% K₂O, 0,7 % MgO.

Видно, що з підвищенням температури, відновленню алюмінію передує відновлення решти всіх оксидів руді, таким чином, отриманий сплав не задовольнятиме Гостам на ферроалюміній за змістом кремнію. Одній з можливих схем виробництва ферроалюмінія з нефелінової руди є двохстадійний процес, коли на першій стадії в рудовосстановітельной печі відновлюється кремній з SiO₂ і легковосстановімиє оксидів Na₂O і K₂O, при цьому отримують шлак, збагачений алюмінієм і ферросиліций ФС23. Отриманий високоалюміністий шлак із змістом Al₂O₃ до 90% потім, на другій стадії, в плазменнодугової печі відновлюють до ферроалюмінія.

Для побудови точної технологічної схеми отримання ферроалюмінія потрібно провести термодинамічний аналіз реакцій відновлення нефеліну в печі.

Точніший розрахунок температури почала відновлення оксидів вимагає знання актівностей компонентів в шлаку і металі і їх впливу на температуру почала відновлення.

Оскільки вуглець при температурах до 3500°С знаходиться в твердому стані його коефіцієнт активності можна прийняти рівній одиниці. Оскільки плавка ведеться при атмосферному тиску, тиск З можна прийняти рівним зовнішньому, тобто одній атмосфері. Таким чином, значення константи рівноваги залежить від активності елементів в шлаку і металі.

Для знаходження активності оксидів в шлаку скористаємося методом Пономаренко. Розроблена модель цього методу дозволяє розрахувати активності компонентів шлаку як хімічних елементів, використовуючи атомні коефіцієнти активності.

Результати розрахунків приведені в таблиці. У розрахунку склад шлаку був прийнятий рівним складу нефелінової руди, температура 1600°С. На підставі цього ж методу було розраховано вплив температури на коефіцієнти активності Al₂O₃ і SiO₂ в шлаку (малюнок). Видно, що з підвищенням температури коефіцієнти активності міняються трохи.

Також були розраховані залежності коефіцієнтів активності Al₂O₃ і SIO₂ від основності шлаку. З малюнка видно, що найбільшого значення коефіцієнти активності досягають при основності рівною 2,5-3. Тобто для повнішого відновлення алюмінію, ймовірно, буде потрібно додавання великої кількості винищити в шлак.

Для знаходження активності елементів в розплаві буде використана модель багатокомпонентного регулярного розчину. Таким чином, можна зробити вивід що отримання ферроалюмінія з нефелінової руди можливо, зразкова технологічна схема цього процесу складається з двох етапів - на першому етапі виплавляється шлак з високим вмістом алюмінію і низьким змістом кремнію, а на другому етапі виплавка безпосередньо алюмінію в плазмено-дуговій печі. Схема процесу приведена на малюнку 2.