Розробка технології електротермічного отримання сілікоалюмінія з використанням малозольних

На правах рукопису

ГЛАЗАТОВ

Олександр Миколайович

Розробка технології електротермічного отримання

силіко-алюмінію з використанням малозольних відновників

Спеціальність 05.16.02 - Металургія чорних, кольорових

і рідкісних металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Санкт - Петербург 2007

Робота виконана в ТОВ "Інститут Гіпронікель"

Науковий керівник -

кандидат технічних наук, доцент А.Ю. Баймак

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,

генеральний директор

ТОВ "ІНАЛМЕТ" Б.П. Оніщін

кандидат технічних наук, доцент В.Ф. Серебряков

Провідна організація - Федеральне державне унітарне підприємство "Державний науково-дослідний інститут кольорових металів" Гинцветмет ".

Захист дисертації відбудеться "__"_________ 2007 р

в ч хв на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 212.224.03 при Санкт-Петербурзькому державному гірничому інституті імені Г. В. Плеханова (технічному університеті) за адресою: 199106 Санкт-Петербург, 21-а лінія, ом 2, ауд. №   ___

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Санкт-Петербурзького державного гірничого інституту.

Автореферат розісланий "__" _________ 2007

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., доцент В.М. Брічкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ ^*

Актуальність теми. Значна частина одержуваного в електролізерах алюмінію використовується для одержання ливарних алюмінієво-кремнієвих сплавів. Між тим, існує принципово інша можливість приготування цих сплавів на основі сілікоалюмінія, отриманого карботермічним відновленням оксидного сировини в електропечах. Цей спосіб здійснювався в Радянському Союзі на Україну, на Дніпровському алюмінієвому заводі, нині Запорізькому алюмінієвому комбінаті (ЗАЛК) на печах потужністю 22,5 мВт.

До достоїнств способу електротермічної переробки алюмосилікатного сировини на сілікоалюміній відносяться: поєднання енергоємних виробництв алюмінію і кремнію в одному плавильному агрегаті і залучення в переробку великої групи непридатних для виробництва глинозему низькомодульної видів сировини (кіаніту, силіманіту, в т.ч. дистен-сілліманітових концентратів (ДСК ), каолінів, низько залізистих бокситів та ін.) У порівнянні з електролізерами Руднотермічна печі характеризуються значно більш високою питомою продуктивністю (т / м ² площі), низькими капітальними та експлуатаційними витратами.

Недоліками цієї технології є низька вилучення металу із сировини в рафінований сплав (РС), що становить за результатами експлуатації промислових трифазних печей ~ 70-71% і високий вміст домішок (заліза, титану тощо), які переходять в РС з шихтових матеріалів.

Найбільш кращим відновником для отримання якісного по домішках РС є нафтовий кокс із-за низького вмісту в ньому золи. Однак ступінь використання нафтового коксу стримується його підвищеної електропровідністю і низькою реакційною здатністю. У зв'язку з цим вирішальне значення при використанні підвищених кількостей нафтового коксу має розробка способів його активізації.

Мета роботи. Поліпшення технологічних показників плавки, підвищують конкурентоспроможність електротермічного способу, при використанні підвищеної кількості нафтового коксу, а також інших активних малозольних відновників.

Методи досліджень. Лабораторні дослідження відновлюваність, кінетики відновлення, питомого електроопору (УЕР) шихт і міцності брикетів, дослідно-заводські випробування з виплавки сілікоалюмінія та аналіз даних роботи промислових печей при використанні шихт з різними відновниками.

Основні положення, що виносяться на захист:

1. Ступінь відновлення алюмосилікатів вуглецем обумовлена ​​співвідношенням Al: Si в шихті, тривалістю перебування шихти в зонах низьких і високих температур, складом мінеральної сировини і відновника, летючі компоненти якого не беруть участь у відновленні, а утворений піроуглеродом підвищує швидкість протікання процесу.

2. Поліпшення показників плавки алюмосилікатів досягається на відкритій і герметизированной печі за рахунок використання в складі відновника коксу низькотемпературного термоконтактним крекінгу і підвищений вміст нафтового коксу з введенням до складу брикетів активуючих добавок сульфатів амонію та алюмінію, а також застосуванням "підпушувачів" шихти - гранул лігніну і деревної тріски .

Наукова новизна

1. Показано, що на початковій стадії відновлення вуглець шихти частково або повністю зв'язується в SiC. При вмісті Si в виплавленої сілікоалюмініі вище 60% основним відновником оксиду алюмінію є SiC, нижче 60% - SiC і вільний вуглець шихти (С _{своб. Шихти),} при взаємодії з яким можуть утворюватися розплави з оксікарбіднимі "комплексами" алюмінію змінного складу.

2. Встановлено, що зі зменшенням часу перебування шихти в низькотемпературних зонах печі (близько 1600 ^о С) знижується ступінь освіти розплавів з оксікарбіднимі "комплексами", а в зонах з високою температурою (2000 ^о С) - утворення карбідів алюмінію і кремнію. При цьому в обох випадках ступінь відновлення шихти підвищується.

3. Встановлено кінетичні залежності процесу відновлення шихт з різним складом відновника. Визначено енергія активації процесу відновлення (3,33 · ¹⁰ Лютого кДж / моль), яка свідчить про протікання процесу в кінетичній області.

4. Встановлено взаємозв'язок між вмістом у відновник коксу низькотемпературного термоконтактним крекінгу (КНТК) і електроопору шихти і її відновлювальною здатністю.

Практична значимість

1. Розроблено способи значного покращення технологічних показників рудовідновну процесу при одночасному поліпшенні якості виплавленого сілікоалюмінія за змістом домішок, в т.ч:

- Збільшення продуктивності печей з випуску РС на ~ 29%;

- Підвищення вилучення алюмінію і кремнію до ~ 92%;

- Зниження питомої витрати електроенергії на 18% і мінеральної частини шихти на ~ 29%;

- Підвищення вмісту нафтового коксу в складі відновника до 60-80% по С _нлт шляхом:

• введення до складу брикетів добавок солей (NH _{4) 2} SO ₄ і Al ₂ SO _4;

• використання в якості "рихлителя" окускованного лігніну і деревної тріски. Добавка "підпушувачів" до брикетам дозволяє використовувати існуючий розпад електродів на печі, не вдаючись до її реконструкції.

2. Запропоновано новий ефективний і "чистий" за змістом домішок відновник - КНТК, що містить оксиди нікелю і ванадію, метали яких є легуючими компонентами в ливарних сплавах.

3. Запропоновано спосіб розрахунку дозування (C _{нлт.) Брик.,} Заснований на результатах аналізу змістів нелетючого і загального вуглецю в складі відновника.

4. Показана доцільність герметизації печей при виплавці сілікоалюмінія із шихт з "розпушувачами", яка дозволяє використовувати в якості відновника 100% нафтового коксу при одночасному зниженні загальної дозування З _нлт в шихті.

Апробація роботи. Основні результати роботи були докладені на семінарі ЕКСПО "Високотемпературні реактори" (2006р., м. Санкт-Петербург) і Всеукраїнських науково-технічних конференціях: "Електротермія-2006" в СПбГТІ (ТУ) і "Ресурсозберігаючі та природозахисні технології у виробництві глинозему, алюмінію, магнію та супутньої продукції "в ВАМИ (2006р., м. Санкт-Петербург) та ін

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 18-ти друкованих працях, отримано 4 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 155 сторінках, складається з вступу, 5 розділів з ​​висновками, укладення по роботі і включає 31 рисунок, 27 таблиць, а також список літератури з 159 найменувань.

У вступі обгрунтовано актуальність, показана наукова новизна, практична значущість, сформульовані мета роботи та основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі наведено результати аналізу літературних даних про способи отримання алюмінієво-кремнієвих сплавів, у тому числі про процес углетерміческого відновлення оксидів кремнію і алюмінію. Визначено завдання роботи.

У другому розділі викладено опис використаних методик. Лабораторні дослідження відновлюваність (ступеня відновлення) шихти проводили на печі Таммана. Методика імітувала послідовний сход шихти з колошникового в реакційну зону промислової печі. Шихти витримували в печі при температурі 2000 ^о С протягом 20 хвилин (в окремих дослідах використовували інші параметри). Кінетику відновлення вивчали на мініатюрній печі з графітовим нагрівачем з малою інерційністю і високою швидкістю нагріву і охолоджування (до 500 ^о / хв) з системою для збору газу. Міцність висушених (105 ^о С) і прожарений (1000 ^о С) брикетів визначали на лабораторному пресі при тиску 19,6 мПа. УЕР шихт визначали методом вимірювання падіння напруги при постійному струмі. Дослідно-заводські випробування проводили на однофазної двоелектродної відкритою і герметизированной (зі зведенням) печі з вугільною подини потужністю 200 кВА з графітовими електродами діаметром 150 мм дослідного заводу Всесоюзного (Всеросійського) алюмінієво-магнієвого інституту (ВАМИ). Всі шихти розраховували на отримання в сілікоалюмініі 63% Al. Сульфатні добавки дозували спільно з іншими компонентами при підготовці брикетів. Гранули лігніну готували з 20% мас. каоліну.

У третьому розділі наведені результати лабораторних досліджень з вивчення механізму та кінетики процесу відновлення алюмосилікатних шихт в широкому діапазоні складів сілікоалюмінія з використанням різної сировини і відновника, витримки шихти при низьких і високих температурах. Також представлені результати досліджень впливу на процес вмісту летких компонентів відновників, в т.ч. піроуглерода, взаємозв'язку складів сировини і відновника, сульфатних добавок.

У четвертому розділі представлені результати плавок шихт з підвищеним вмістом нефтекокса і КНТК на однофазної двоелектродної печі.

У п'ятому розділі наведено результати аналізу багаторічних даних виробництва сілікоалюмінія на трифазної печі при використанні шихт з різним складом відновника.

ОСНОВНІ захищені становища

Ступінь відновлення алюмосилікатів вуглецем обумовлена ​​співвідношенням Al: Si в шихті, тривалістю перебування шихти в зонах низьких і високих температур, складом мінеральної сировини і відновника, летючі компоненти якого не беруть участь у відновленні, а утворений піроуглеродом підвищує швидкість протікання процесу.

■ У дослідах на печі Таммана (рис. 1) з використанням у шихті різного мінеральної сировини (криві 1-3, 5) і технічного карбіду кремнію (крива 4) при однаковому складі вуглецевого відновника: газового вугілля і нафтового коксу в співвідношенні 70:30 по С _нлт. (дозування 95% від стехіометрії) встановлено:

▪ Витяг кремнію із сировини в діапазоні складів сі лікоалюмінія з розрахунковим вмістом Si ~ 34-60% має досить близькі значення і практично не залежить від форми вуглецю в шихті: у вигляді SiC або вільного вуглецю шихти. Відновлення оксиду кремнію протікає по реакції (1).

SiO ₂ + 3С = SiC + 2СО (1)

▪ Для шихт із співвідношенням Al: Si = 2:3 (~ 60% кремнію в сілікоалюмініі) вилучення алюмінію так само, як і кремнію, не залежить від форми вуглецю в шихті: SiC або З _{своб. шихти.} Оксид алюмінію відновлюється за сумарною реакції (2).

А l ₂ O ₃ + 3SiC = 2Al + 3Si + 3 СО (2)

При співвідношенні в шихту Al: Si> 2:3 вільний вуглець, що залишився після завершення стадії утворення SiC, може утворювати з А l ₂ O ₃ оксікарбідние "комплекси" (моно і-тетра оксікарбіди алюмінію Al ₂ OC та Al ₄ O ₄ C) по реакціях (3 і 4).

Al ₂ O ₃ + 3C = Al ₂ OC + 2CO (3)

Al ₂ OC + Al ₂ O ₃ = Al ₄ O ₄ C (4)

Ці "комплекси" плавляться при більш низьких температурах (1840-1950 ° С) в порівнянні з А l ₂ O ₃ (~ 2050 ° С) з відповідним зниженням реакційної здатності вуглецю, який перейшов із шихти в оксікарбідний розплав. Цим пояснюється нахил кривої 4 на рис. 1. У дослідах з алюмосилікатними шихта (Криві 1-3) ступінь утворення цих "комплексів" зменшувалася із-за блокування поверхні С _{своб. шихти} утворюються за реакцією (1) частками SiC.

■ Дослідженнями на печі Таммана (таблиця 1) шихти промислового складу, що включає каолін і ДСК у співвідношенні по масі 65:35, глинозем і відновник: газовий вугілля і нафтовий кокс у співвідношенні 70:30 по нелетючого вуглецю при дозуванні З _нлт. 95% від стехіометрії (розрахункове вміст Al в сілікоалюмініі 63% мас.) встановлено:

▪ Зі збільшенням часу витримки шихти при 1600 ° С відновлюваність шихти зменшується, що пояснюється зростанням ступеня освіти SiC по реакції (1). Що залишився З _{своб. шихти} взаємодіє з А l ₂ O ₃ з утворенням оксікарбідних "ком-комплексів" алюмінію, складових рідку фазу шлаків. Основним постачальником цієї фази в руднотермічних печах є ділянки з низькими температурами (міжелектродні або межтігельние зони), що підтверджується практикою роботи цих печей. Кількість шлаків при виплавці сілікоалюмінія на однофазної одноелектродной і двоелектродної печах, а також трифазної трьохелектродної печі за кількістю цих зон на 1 електрод становить, відповідно, ~ 8-10, 17-20 і 25-30%.

▪ У випадку "перетримки" шихти при 2000 ^о С відновлюваність знижується через взаємодію відновленого металу з вуглецем тигля (в плавки на печах з вуглецем подини або електрода).

■ Дослідженнями властивостей (рис. 2, а, б, в, г) шихт з використанням каоліну і глинозему і суміші попередньо прожареного газового вугілля і нафтового коксу в співвідношенні 70:30 по С _нлт з дозуванням 95% мас. проти стехіометрії з розрахунковим утримуючи-

Рис. 2 - Зміна від температури прокалки: складу газового

вугілля (а, 1-зола, 2-леткі компоненти, 3-нелетких вуглець),

УЕР вугілля (б) і шихти (в), відновлюваність шихти (г)

ням 60% Al в сілікоалюмініі визначено:

Летючий вуглець практично не бере участь у відновленні оксидів алюмінію і кремнію. Показники відновлюваність і ПЕО шихти близькі до максимальних значень при вмісті летючих компонентів у вугіллі всього лише ~ 1% (рис. 2, а, в, г). Такий зміст летючих компонентів отримано в газовому вугіллі, прожареному при ~ 1000 ^о С, тобто до початку перебігу відновних реакцій.

▪ Зміст золи (рис. 2, а) у прожарений вугіллі зростає з

збільшенням температури прокалки до 1000-1300 ° С, а при подальшому підвищенні температури дещо зменшується, що можна пояснити початком відновлення оксидів власної золи.

▪ Зниження відновлюваність і ПЕО шихти (рис. 2, в, г) з підвищенням температури прокалки вугілля вище 1000 ° С відбувається в результаті впорядкування структури вуглецю й зниження його хімічної активності (рис. 2, б) при графітизації.

■ Дослідженнями на лабораторній печі зі збором відходить газу (рис. 3 і 4) шихт з каоліну і ДСК в масовому співвідношенні 65:35, глинозему, а також непрожарений і попередньо прожареного протягом 2-х годин при температурах 800 і 1200 ° С без доступу повітря відновника, що включає газовий вугілля і нафтовий кокс при різному співвідношенні з С _нлт. при дозуванні 95% проти стехіометрії з розрахунковим вмістом Al 63% мас показано:

▪ Швидкість відновлення алюмосилікатів в стаціонарному режимі (горизонтальні майданчики) у шихти з використанням непрожарений відновника значно вище, ніж з прожареним відновником (рис. 3), що зумовлено впливом утворюється на поверхні мінералів піроуглерода.

▪ Шар піроуглерода, утворений на частинках крупно-зернистого (фр. -0,5 +0,1 мм) ДСК, щільно пов'язаний з кристалічною гратами оксидів і, мабуть, деформує її прикордонний шар, активізуючи його. Цим можна пояснити велику швидкість відновлення газовим вугіллям. Однак максимальний вміст вуглецю, що осів на поверхні частинок ДСК, при піролізі летючих компонентів одного вугілля по відношенню до мінеральної частини не перевищує 1,4% мас (рис. 4). Отже, піроуглеродом впливає лише на кінетику процесу, підвищуючи швидкість протікання відновних реакцій.

При 800 ^о С піроліз летючих компонентів відновників ще не закінчується, і продовжується при 1200 ^о С. Отримані дані задовільно узгоджуються з результатами дослідів з прокалки газового вугілля при температурах 500-1000 ^о С (див. рис. 2, а).

▪ За експериментальними даними визначена постійна величина енергії активації процесу відновлення шихт з різним складом непрожарений відновника, складова 3,33 · ¹⁰ лютого кДж / моль, що свідчить про протікання відновлення алюмосилікатів в кінетичній області.

1. ■ У дослідах (рис. 5) на печі Таммана з шихтою (1 - 3) з використанням різного мінерального складу та відновника при дозуванні З _нлт. 95% проти стехіометрії, розрахованих на отримання сілікоалюмінія з вмістом 63% Al встановлено:

▪ В міру збільшення утримання нафтового коксу в суміші відновників відновлюваність шихти зменшується. Проте залежно від мінерального складу сировини отримані криві носять різний характер, що пов'язано з утвореної при мулітизації (1300-1400 ^о С) легкоплавкой суміші муллита з кристобалита, кількість якої у каоліну при нагріванні до 1600-1800 ^о С в ~ 4 рази вище, ніж у ДСК (реакції 5 і 6).

Al ₂ O ₃ · 2SiO ₂ → 1 / 3 (3Al ₂ O ₃ · 2SiO ₂₎ + 4/3SiO ₂ (5)

Al ₂ O ₃ · SiO ₂ → 1 / 3 (3Al ₂ O ₃ · 2SiO ₂₎ + 1/3SiO ₂ (6)

За зростанням масової частки цієї фази, шихти розташовуються в наступний ряд: піщано-глиноземні-з каоліном і ДСК-каолін-глиноземні.

■ Дослідженнями на печі Таммана шихт з добавками сульфатів амонію, алюмінію та кальцію з каоліну і ДСК у співвідношенні по масі 65:35, глинозему, газового вугілля і нафтового коксу в співвідношенні з С _нлт. 70:30 з дозуванням 95%, розрахованих на 63 % Al встановлено:

▪ За активуючий вплив на відновлення алюмосилікатів сульфати розташовуються в наступному порядку за спаданням: (NH _{4) 2} SO _4, Al ₂ SO ₄ і CaSO _4. Відновлюваність шихти підвищилася, відповідно, на ~ 31, 20 і 16%;

▪ Добавка сульфатів амонію та алюмінію забезпечує високу реакційну поверхню відновника брикетів за рахунок низьких температур розкладання (> 218-350 ^о C) при дисоціації. При цьому підвищується глибина взаємодії субоксідов Al ₂ O _г і SiO _г з вуглецем шихти, що сприяє більш повному відновленню сировини;

▪ Сульфат кальцію в присутності вуглецю відновлюється при температурах 800-900 ^о С по реакції (7):

CaSO ₄ + 2 C = CaS + 2 CO ₂ (7),

що призводить до збільшення пористості брикетів за рахунок зменшення обсягу і поліпшенню контакту утворюються A ₂ O та SiO з вуглецем шихти.

■ Дослідженнями шихт (таблиця 2) з використанням як відновника коксу низькотемпературного термоконтактним крекінгу (С _заг -91,8; З _нлт. -87,2;% Мас: SiO ₂ -0,16; А l ₂ О ₃ -0, 04; Fe ₂ O ₃ -0,19; TiO ₂ -0,01; P ₂ 0 ₅ -0,02; CaO -0,07; MgO -0,01; S -6,0; Na ₂ 0 -0 , 07; V ₂ O ₅ -1,17; NiO -0,44), розрахованих на отримання сілікоалюмінія з 63% Al, при дозуванні C _нлт. в шихті 95% визначено:

▪ Найбільш високими міцнісними властивостями брикетів за рахунок зменшення обсягу відновника володіють шихти з використанням КНТК і нафтового коксу.

Показники ПЕО і відновлюваність шихт, навпаки, вище

при використанні суміші КНТК з газовим вугіллям, що пояснюється великими значеннями вказаних характеристик для вугілля.

▪ Кращі показники отримані для шихти з використанням як відновника одного КНТК (шихта 5): міцність висушених і прожарений брикетів підвищилася відповідно на 26,8 і 51,3%, ПЕО збільшилася в 2,6 рази, відновлюваність зросла на 13%.

Висока активність КНТК обумовлена ​​низькими температурами коксування, а також збільшенням реакційної поверхні за рахунок отгонки сірки при нагріванні шихти.

Поліпшення показників плавки алюмосилікатів досягається на відкритій і герметизированной печі за рахунок використання в складі відновника коксу низькотемпературного термоконтактним крекінгу і підвищений вміст нафтового коксу з введенням до складу брикетів активуючих добавок сульфатів амонію та алюмінію, а також застосуванням "підпушувачів" шихти - гранул лігніну і деревної тріски .

■ У дослідно-заводських плавках на однофазної двоелектродної печі (рис. 6) шихт з сульфатами (NH _{4) 2} SO ₄ і Al ₂ (SO _{4) 3} у количе стве 2% мас, приготованих на основі "базової" шихти (без добавки сульфату),% мас: каолін - 35,3; ДСК - 19,0; глинозем - 14,4; вугілля газовий - 15,3 і нафтовий кокс - 16,0 при співвідношенні газового вугілля і нафтового коксу в брикетах 40:60 по C _нлт і загальної дозуванні 100% проти стехіометрії (розпад електродів 550-560 мм, середня потужність печі ~ 124 кВт) встановлено:

▪ Збільшення продуктивності печі по рафінованому сплаву, відповідно, на ~ 12 і 8%;

▪ Зниження питомої витрати електроенергії на ~ 12 і 8%.

■ плавки шихти з співвідношенням каоліну і ДСК 62:38 мас. і глиноземом з підвищеним вмістом нафтового коксу (40 і 80% по C _нлт. в суміші з газовим вугіллям) з "розпушувачами": гранулами лігніну (дозування вуглецю в брикетах і у вигляді "рихлителя" по C _нлт. склала ~ 88:9) і деревною тріскою (~ 84:13%) у порівнянні з "базової" шихтою (без "підпушувачів") з співвідношенням вугілля і коксу з С _нлт 70:30 (розпад електродів 490-500 мм, потужність 117-132 кВт) встановлено:

▪ Добавка "підпушувачів" дозволяє знизити "спікання" колошника і поліпшити сход брикетів в печі;

▪ Продуктивність печі при плавках шихт, містять 40 і 80% нефтекокса у складі відновника в брикетах, з використанням гранул лігніну підвищилася на ~ 15 і 29%, а питома витрата електроенергії і мінеральної частини шихти знизився, відповідно, на ~ 14 і 18% і ~ 21 і 29%.

Вихід при рафінуванні зріс, відповідно, до ~ 87 і 92%.

▪ Продуктивність печі при плавках брикетованих шихт з аналогічним складом відновника із застосуванням деревної тріски підвищилася на ~ 15 і 9%. Питома витрата електроенергії і мінеральної частини шихти скоротився, відповідно, на ~ 18 і 17% і ~ 15%.

Зниження частині показників при збільшенні вмісту нафтового коксу в брикетах свідчить про необхідність збільшення дозування "рихлителя" для цього складу відновника.

■ плавки (рис. 7) на герметизированной печі (зі зведенням) піщано-глиноземних шихт на основі кварцового піску і пилу кальцинації глинозему (шихти 1 і 2) і глинозему (3) з добавкою 20% мас. каоліну від мінеральної частини, що містять 100% нафтового коксу в брикетах, із застосуванням "підпушувачів" (розпад електродів 490-500 мм, середня потужність печі ~ 133 кВт) встановлено:

▪ Герметизація печі сприяє зниженню дозування З _нлт. В шихті до 90% або на ~ 7%;

▪ Кращі показники отримані плавці шихти з використанням в якості "рихлителя" деревної тріски. Продуктивність у порівнянні з "базової" шихтою (без "підпушувачів) підвищилася на ~ 13%, витрати електроенергії і мінеральної частини знизився, відповідно, на ~ 11 і 17%;

▪ Зниження дозування З _нлт. В шихті нижче 90% (до ~ 83%) погіршує показники плавки.

■ У плавках шихт із співвідношенням каоліну і ДСК 65:35 мас. і глиноземом з КНТК і газовим вугіллям в співвідношенні 50:50 і 30:70 по С _нлт. з дозуванням З _нлт. проти стехіометрії, відповідно, 99 і 104%, розрахованої (див. формулу 1), виходячи зі змісту нелетючого і загального вуглецю в суміші відновників (розпад електродів 400-410 мм, потужність ~ 182 -194 кВт) встановлено:

▪ Продуктивність печі зросла на ~ 10 і 22%, а питома витрата електроенергії і мінеральної частини шихти знизився, відповідно на ~ 8 і 11 і ~ 12 і 17%;

▪ Витяг V і Ni у сілікоалюміній склало ~ 85-90%.

■ Аналізом практичних даних ЗАЛКу з урахуванням фактичного і теоретичного витрати нелетючого вуглецю встановлено:

▪ Ступінь окислення З _нлт. Шихти киснем повітря зростає в міру збільшення вмісту нафтового коксу в суміші з газовим вугіллям (рис. 8, а). Це компенсується одночасним підвищенням дозування відновника в брикетах (рис. 8, б).

Рис. 8 - Зміна ступеня окислення нелетючого вуглецю шихти

і дозування відновника в брикетах при різному складі

відновника в брикетах

▪ Дозування нелетючого вуглецю проти стехіометрії в брикетах може бути розрахована за формулою 1.

(C _{нлт.) Брик.} @, (1)

де: Σ (С _{нлт.) восст.} та Σ (С _{заг.) восст.} - змісту нелетючого і загального вуглецю в суміші використовуються відновників у брикетах,% мас; 114 - емпіричний коефіцієнт, що відповідає досвіду промислової експлуатації печей.

ВИСНОВКИ

1. Показано, що на початковій стадії процесу виплавки сілікоалюмінія відновлюється SiO _2. Залишковий вуглець частково або повністю зв'язується в SiC, кількість якого залежить від масового співвідношення Al ₂ O _3: SiO ₂ в шихті. На наступній стадії в міру сходження шихти відновлюється Al ₂ O _3. При вмісті Si в сілікоалюмініі вище 60% мас. основним відновником Al ₂ O ₃ є SiC, нижче цього значення - SiC і вільний вуглець шихти. З _{своб. шихти} при взаємодії з Al ₂ O ₃ утворює легкоплавкі розплави, що містять оксікарбідние "комплекси" алюмінію змінного складу, які складають рідку фазу шлаків і руйнуються при високих температурах в зоні дуги.

2. Тривалість перебування шихти в міжелектродного зонах низьких (1600 ^о С) температур печі при її уповільненому сході сприяє збільшенню кількості утворився SiC і виникнення в шихті дефіциту більш активного З _{своб. шихти,} який у цих зонах переходить у розплав з утворенням оксікарбідних "комплексів". При "затримці" шихти у високотемпературних (2000 ^о С) зонах зростає ймовірність взаємодії вже відновленого металу з вуглецем подини або електродів з утворенням карбідів алюмінію і кремнію.

3. Практикою експлуатації печей різного типу встановлена ​​пропорційна залежність виходу шлаку від числа міжелектродного зон. У згаданих зонах відновлення не завершується і утворюється шлак, що включає оксікарбідние "комплекси" і SiC, що виходить з льотки разом з металом. Це свідчить про найбільш зручною використанні у виробництві електротермічного сілікоалюмінія потужних однофазних печей.

4. Установлено постійний величина енергії активації процесу, складова 3,33 · ^{2 жовтня} кДж / моль, що свідчить про протікання відновлення алюмосилікатів в кінетичній області.

5. Встановлено, що леткі компоненти відновника практично повністю, до ~ 1,1% мас, видаляються з брикетів при температурах нижче 1000 ^о С, характерних для поверхневого шару колошника печі, і не беруть участь у відновних реакціях.

6. Освіта піроуглерода в результаті протікання реакцій піролізу летючих компонентів може мати місце лише в нижніх горизонтах колошника, де немає доступу повітря. Піроуглеродом, осідаючи в малих кількостях (до 1,4% мас.) На поверхні мінералів, мабуть, деформує її прикордонний шар, активізуючи його, і робить вплив на кінетику процесу, підвищуючи швидкість протікання відновних реакцій.

7. Аналізом даних промислової експлуатації трифазних печей встановлено взаємозв'язок між дозуванням вуглецю в брикетах і ступенем окислення нелетючого вуглецю. Зі збільшенням змісту нафтового коксу в суміші відновників окислення З _нлт. Підвищується, при цьому нестача летючих компонентів потрібно компенсувати підвищенням дозування відновника в шихті. Виведена розрахункова формула вмісту С _нлт. В брикетах з урахуванням нелетючого і загального вуглецю в суміші відновників та емпіричного коефіцієнта:

(C _{нлт.) Брик.} @

8. Показник відновлення крім складу відновника також залежить від мінеральної частини шихти. У порядку зростання масової частки легкоплавкой фази, шихти розташовуються в наступний ряд: піщано-глиноземні - з каоліном і ДСК - каолін-глиноземні. Для "утримання" в обсязі брикету утворюється при нагріванні легкоплавкой фази необхідна заважає злиттю крапель розплаву в поточну масу "губка". Цю роль виконує "пористий", після видалення летких компонентів, відновник. Його "об'ємне" вміст у шихті має зменшуватися при збільшенні вмісту нафтового коксу в суміші з вугіллям по С _нлт. У зворотній пропорції кількості мінеральних складових, що утворюють рідку фазу, в основному каоліну.

9. Встановлено, що добавка в брикети сульфатів амонію та алюмінію (1-2% мас.) У зв'язку з низькими (> 218-350 ^о C) температурами їх дисоціації збільшує поверхню і реакційну здатність відновника. При цьому підвищується глибина взаємодії субоксідов Al ₂ O _г і SiO _г з вуглецем шихти, що сприяє більш повному відновленню сировини. Добавка CaSO ₄ підвищує пористість брикетів за рахунок виділення CO ₂ при його відновленні вуглецем при 800-900 ^о С. Плавками шихт з добавками (NH _{4) 2} SO ₄ і Al ₂ (SO _{4) 3} на однофазної двоелектродної печі дослідного заводу вами потужністю 200 кВА показана можливість збільшення вмісту малозольного нафтового коксу в суміші з газовим вугіллям по С _нлт. До 60%.

Продуктивність печі з випуску рафінованого сплаву при використанні сульфатів амонію та алюмінію зросла, відповідно, на ~ 12 і 8%, а питома витрата електроенергії знизився на ~ 12 і 8%.

10. Застосування "підпушувачів", гранул лігніну і деревної тріски, дозволяє підвищити вміст нафтового коксу в суміші з газовим вугіллям до 80% з С _нлт. При проведенні плавок продуктивність печі (при використанні лігніну) за рахунок зменшення "спікання" колошника і поліпшення сходу шихти збільшилася на ~ 29%, витрати електроенергії і мінеральної частини шихти знизився, відповідно, на ~ 18 і 29%. З підвищенням вмісту нафтового коксу в суміші з вугіллям потрібно збільшувати кількість "рихлителя".

11. Плавками на герметизированной печі 200 кВА встановлена ​​можливість 100% використання нафтового коксу в відновлювач з застосуванням "підпушувачів". Продуктивність печі (при використанні деревної тріски) підвищилася на ~ 13%, витрати електроенергії і мінеральної частини шихти скоротився, відповідно, на ~ 11 і 17%. Герметизація знижує підсмоктування повітря на колошнике, зменшуючи окислення летючих компонентів і нелетючого вуглецю шихти. Це сприяє зменшенню дозування З _нлт. В шихті на ~ 7%.

12. Дослідженнями шихт з коксом низькотемпературного термоконтактним крекінгу встановлено: міцність висушених і прожарений брикетів підвищується, відповідно, на ~ 27 і 51%, електроопір - в 2,6 рази, а відновлюваність на ~ 13%. Висока активність КНТК обумовлена ​​низькими температурами коксування і розвиненою реакційної поверхнею за рахунок отгонки сірки при нагріванні шихти. Ефективність КНТК підтверджена результатами досвідчених плавок: продуктивність печі зросла на ~ 22%; питома витрата електроенергії і мінеральної частини шихти знизився на ~ 11 і 17%. Застосування КНТК дозволяє додатково отримати в сілікоалюмініі V і Ni у кількостях ~ 1 і 0,4% мас, відповідно. Ці елементи є легуючими добавками в ливарних сплавах AK 12 M 2 M гН, АЛ30СХ та ін

13. Очікувана економічна ефективність використання запропонованих розробок визначається підвищенням витягу алюмінію і кремнію з сировини до 92%, збільшенням на ~ 18% продуктивності руднотермічних печей з виплавки рафінованого сілікоалюмінія та обсягу випуску продукції і зниженням на ~ 21% витрати основних шихтових матеріалів. Вона також обумовлено відповідним скороченням експлуатаційних витрат (капітальних вкладень питомих і трудовитрат) і на ~ 18% витрати електроенергії. За рахунок покращення якості сплаву за змістом домішок в ~ 4,5 рази знижується кількість утворюваних фільтр-залишків і на ~ 6% Al-сирцю при виробництві ливарних сплавів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Баймак А.Ю. Електротермія у виробництві алюмінію і алюмінієво-кремнієвих сплавів. / О.Ю. Баймак, О.М. Глазатов, М.Р. Русаков, А.М. Салтиков / / Кольорові метали. 2007. № 8. С.68-73.

2. Баймак А.Ю. Кінетика відновлення алюмосилікатів вуглецем. / Баймак А.Ю., Брусак Ю.І., Глазатов О.М., Мікшін В.П., Занцінская І.С., Калінін М.А. / / Кольорові метали. 1986. № 8. С.48-49.

3. Глазатов О.М. Дослідження із застосування коксу низькотемпературного термоконтактним крекінгу в електротермії алюмінієво-кремнієвих сплавів і кремнію. / Глазатов О.М., Брусак Ю.І., Богданов А.П., Баймак А.Ю., Покривайло Л.В. / / Збірник наукових праць ВАМИ: Перспективні технічні рішення у виробництві глинозему, алюмінію і кремнію. 1987. С.163-167.

4. Глазатов О.М. Вивчення реакційної здатності вільного та зв'язаного вуглецю по відношенню до оксиду алюмінію при електротермічному відновленні алюмосилікатів Глазатов О.М., Баймак А.Ю. / / Руднотермічна печі (конструкції, дослідження і оптимізація технологічних процесів, моделювання). СБ праць Всеросійської науково-технічної конференції з міжнародною участю "Електротермія-2006" під редакцією Ю.П. Удалова. СПб. 2006. С.241-250.