На правах рукописи
ГЛАЗАТОВ
Александр Николаевич
Разработка технологии электротермического получения
силико-алюминия с использованием малозольных восстановителей
Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных
и редких металлов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт – Петербург 2007
Работа выполнена в ООО "Институт Гипроникель"
Научный руководитель –
кандидат технических наук, доцент А.Ю. Баймаков
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
генеральный директор
ООО "ИНАЛМЕТ" Б.П. Онищин
кандидат технических наук, доцент В.Ф. Серебряков
Ведущая организация – Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт цветных металлов "ГИНЦВЕТМЕТ".
Защита диссертации состоится "__"_________2007 г
в ч мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г. В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, ом 2, ауд. №___
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан "__" _________ 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., доцент В.Н. Бричкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*
Актуальность темы. Значительная часть получаемого в электролизерах алюминия используется для получения литейных алюминиево-кремниевых сплавов. Между тем, существует принципиально другая возможность приготовления этих сплавов на основе силикоалюминия, полученного карботермическим восстановлением оксидного сырья в электропечах. Этот способ осуществлялся в Советском Союзе на Украине, на Днепровском алюминиевом заводе, ныне Запорожском алюминиевом комбинате (ЗАЛК) на печах мощностью 22,5 мВт.
К достоинствам способа электротермической переработки алюмосиликатного сырья на силикоалюминий относятся: совмещение энергоемких производств алюминия и кремния в одном плавильном агрегате и вовлечение в переработку большой группы непригодных для производства глинозема низкомодульных видов сырья (кианитов, силлиманитов, в т.ч. дистен-силлиманитовых концентратов (ДСК), каолинов, низко железистых бокситов и др.). По сравнению с электролизерами руднотермические печи характеризуются значительно более высокой удельной производительностью (т/м2 площади), низкими капитальными и эксплуатационными затратами.
Недостатками этой технологии являются низкое извлечение металла из сырья в рафинированный сплав (РС), составляющее по результатам эксплуатации промышленных трехфазных печей ~70-71% и высокое содержание примесей (железа, титана и др.), переходящих в РС из шихтовых материалов.
Наиболее предпочтительным восстановителем для получения качественного по примесям РС является нефтяной кокс из-за низкого содержания в нем золы. Однако степень использования нефтяного кокса сдерживается его повышенной электропроводностью и низкой реакционной способностью. В этой связирешающее значение при использовании повышенных количеств нефтяного кокса имеет разработка способов его активизации.
Цель работы. Улучшение технологических показателей плавки, повышающих конкурентоспособность электротермического способа, при использовании повышенного количества нефтяного кокса, а также других активных малозольных восстановителей.
Методы исследований. Лабораторные исследования восстановимости, кинетики восстановления, удельного электросопротивления (УЭС) шихт и прочности брикетов, опытно-заводские испытания по выплавке силикоалюминия и анализ данных работы промышленных печей при использовании шихт с различными восстановителями.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Степень восстановления алюмосиликатов углеродом обусловлена соотношением Al:Si в шихте, продолжительностью пребывания шихты в зонах низких и высоких температур, составом минерального сырья и восстановителя, летучие компоненты которого не участвуют в восстановлении, а образуемый пироуглерод повышает скорость протекания процесса.
2. Улучшение показателей плавки алюмосиликатов достигается на открытой и герметизированной печи за счет использования в составе восстановителя кокса низкотемпературного термоконтактного крекинга и повышенного содержания нефтяного кокса с введением в состав брикетов активирующих добавок сульфатов аммония и алюминия, а также применением "рыхлителей" шихты – гранул лигнина и древесной щепы.
Научная новизна
1. Показано, что на начальной стадии восстановления углерод шихты частично или полностью связывается в SiC. При содержании Si в выплавляемом силикоалюминии выше 60% основным восстановителем оксида алюминия является SiC, ниже 60% – SiC и свободный углерод шихты (Ссвоб. шихты),при взаимодействии с которым могут образовываться расплавы с оксикарбидными "комплексами" алюминия переменного состава.
2. Установлено, что с уменьшением времени пребывания шихты в низкотемпературных зонах печи (около 1600оС) снижается степень образования расплавов с оксикарбидными "комплексами", а в зонах с высокой температурой (2000оС) – образования карбидовалюминия и кремния. При этом в обоих случаях степень восстановления шихты повышается.
3. Установлены кинетические зависимости процесса восстановления шихт с различным составом восстановителя. Определена энергия активации процесса восстановления (3,33·102 кДж/моль), которая свидетельствует о протекании процесса в кинетической области.
4. Установлена взаимосвязь между содержанием в восстановителе кокса низкотемпературного термоконтактного крекинга (КНТК) и электросопротивлением шихты и ее восстановительной способностью.
Практическая значимость
1. Разработаны способы значительного улучшения технологических показателей рудовосстановительного процесса при одновременном улучшении качества выплавляемого силикоалюминия по содержанию примесей, в т.ч:
– увеличения производительности печей по выпуску РС на ~29%;
– повышения извлечения алюминия и кремния до ~92%;
– снижения удельного расхода электроэнергии на 18% и минеральной части шихты на ~29%;
– повышения содержания нефтяного кокса в составе восстановителя до 60-80 % по Снлт путем:
• введения в состав брикетов добавок солей (NH4)2SO4 и Al2SO4;
• использования в качестве "рыхлителя" окускованного лигнина и древесной щепы. Добавка "рыхлителей" к брикетам позволяет использовать существующий распад электродов на печи, не прибегая к ее реконструкции.
2. Предложен новый эффективный и "чистый" по содержанию примесей восстановитель – КНТК, содержащий оксиды никеля и ванадия, металлы которых являются легирующими компонентами в литейных сплавах.
3. Предложен способ расчета дозировки (Cнлт.)брик., основанный на результатах анализа содержаний нелетучего и общего углерода в составе восстановителя.
4. Показана целесообразность герметизации печей при выплавке силикоалюминия из шихт с "рыхлителями", которая позволяет использовать в качестве восстановителя 100% нефтяного кокса при одновременном снижении общей дозировки Снлт в шихте.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на семинаре ЭКСПО "Высокотемпературные реакторы" (2006г., г. Санкт-Петербург) и Всероссийских научно-технических конференциях: "Электротермия-2006" в СПбГТИ (ТУ) и "Ресурсосберегающие и природозащитные технологии в производстве глинозема, алюминия, магния и сопутствующей продукции" в ВАМИ (2006г., г.Санкт-Петербург) и др.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 18-ти печатных работах, получено 4 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах, состоит из введения, 5 разделов с выводами, заключения по работе и включает 31 рисунок, 27 таблиц, а также список литературы из 159 наименований.
Во введении обоснована актуальность, показана научная новизна, практическая значимость, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе приведены результаты анализа литературных данных о способах получения алюминиево-кремниевых сплавов, в том числе о процессе углетермического восстановления оксидов кремния и алюминия. Определены задачи работы.
Во втором разделе изложено описание использованных методик. Лабораторные исследованиявосстановимости (степени восстановления)шихты проводили на печи Таммана. Методика имитировала последовательный сход шихты из колошниковой в реакционную зону промышленной печи. Шихты выдерживали в печи при температуре 2000оС в течение 20 минут (в отдельных опытах использовали другие параметры). Кинетику восстановления изучали на миниатюрной печи с графитовым нагревателем с малой инерционностью и высокой скоростью нагрева и охлаждения (до 500 о/мин) с системой для сбора газа. Прочность высушенных (105оС) ипрокаленных (1000оС) брикетов определяли на лабораторном прессе при давлении 19,6 мПа. УЭС шихт определяли методом измерения падения напряжения при постоянном токе. Опытно-заводские испытания проводили на однофазной двухэлектродной открытой и герметизированной (со сводом) печи с угольной подиной мощностью 200 кВА с графитированными электродами диаметром 150 мм опытного завода Всесоюзного (Всероссийского) алюминиево-магниевого института (ВАМИ). Все шихты рассчитывали на получение в силикоалюминии 63% Al. Сульфатные добавки дозировали совместно с другими компонентами при подготовке брикетов. Гранулы лигнина готовили с 20% масс. каолина.