大型铝电解槽直接生产铝硅合金的研究_图文

1、大型铝电解槽直接生产铝硅合金的研究马绍良,许敏,林玉胜,胡海洋(中国铝业山东分公司,山东淄博255051摘要:采用大型预焙铝电解槽电解二氧化硅生产铝硅合金母液,探讨了各项技术参数的控制与优化,并提出了切实可行的方案,最佳工艺条件为冰晶石分子比2 45,A l 2O 3与SiO 2的质量分数分别为2 0%2 5%和0 1%0 5%,电解温度960 。为铝电解槽电解金属氧化物生产铝基合金提供参考。关键词:铝电解槽;二氧化硅;铝硅合金中图分类号:T F 821;T G146 2+1 文献标识码:A 文章编号:1007-7545(201105-0020-04Research on Al Si Allo

2、y Produced from Large Aluminum Reduction CellM A Shao liang,XU M in,LIN Yu sheng,H U H ai yang(Shandong Branch of Chalco,Zibo 255051,Ch inaAbstract:Al Si m other alloy w as produced by electr olyzing silicon diox ide on lar ge pre baking electro lytic a luminum r eductio n cell,the control and optim

3、 ization of technical param eters were analy zed,and the feasible scheme w as proposed.T he o ptimum techno logical parameter s w ere that cryolite mo lecule proportion w as 2.45,mass fraction o f Al 2O 3and SiO 2w ere 2 0%2 5%and 0 1%0 5%respectively,and elec tro lysis temper ature w as 960 .T his

4、project could serve as a positive r efer ence fo r pro ducing alum inium base alloy by electroly zing m etal o xide on aluminum reduction cell.Key words:Alum inum reduction cell;Silicon diox ide;Al Si alloy 作者简介:马绍良(1971-,男,山东乐陵人,高级工程师,博士研究生传统Al Si 合金的生产方法有熔配法、电热还原法。熔配法用纯Al 、Si 熔配成中间合金,电热还原法是用合适的含铝矿

5、物加还原剂,在电热炉中还原获得粗Al Si 合金,再经精炼和成分调配,得到所需的Al Si 合金。这种方法虽然流程较短、对原料要求相对较宽,但精炼设备复杂、条件苛刻、技术较难掌握1-5。本文在工业铝电解生产方式基础上直接向电解槽中加入SiO 2,以冰晶石 氧化铝为基本电解质,直接电解得到了A l Si 合金。除了基本电解质外,还添加了必要的添加剂,以改善电解质的物理化学性质。大量的生产实践和理论数据证明这一方法是可行的。试验制取了含Si 超过4%以上的Al Si 合金,这一含量超过了文献报道数值6。Si 在Al 中的分布呈针片状、为典型的过共晶形貌。在试样的抛光面清晰可见暗纹7。加入电解质中的

6、Si 的质量分数在5%以下,都可以很好地溶解于电解质中。在工业铝电解槽中制备铝基合金是以Na 3AlF 6 A l 2O 3为基本电解质体系,添加其它金属氧化物或碳酸盐等,使其溶解,再电解制取铝基合金。这种方法是否可行,关键是所加的金属氧化物或碳酸盐的分解电压与氧化铝的分解电压是否接近。分解电压高于氧化铝时,得不到合金;分解电压低于或者接近时可以得到合金。再者是否影响铝电解槽的正常操作8-10。Al Si 合金以其良好的力学性能(较高的比强度、比刚度和优良的铸造性能11。在N a 3A lF 6 Al 2O 3体系中加入SiO 2电解可以制取A l Si 合金8。试验中Na 3A lF 6的分

7、子比(NaF/AlF 3的摩尔比分别是2 7和2 8。这样的分子比与当时工业铝电解槽上所采用的分子比一致。原料中的SiO2的含量、电解质中SiO2的浓度、电解时间都对合金中Si的含量有影响6,8。1 直接电解SiO2制取A l Si合金的热力学计算8,10在Na3AlF6 Al2O3为基本电解质的体系中,添加SiO2,直接电解制取Al Si合金,可能发生以下两种反应:SiO2+4/3A l=2/3Al2O3+Si(1SiO2+C=Si+CO2(2 1 1 Al还原SiO2的热力学可能性Si:G1213= H0298+ 1213298 C P dT-T( S0298+ 1213298 C P T

8、 dt(3将 H0298=0, S0298=0, C P=22 824+3 858 10-3-3 54 105T-2代入(3式,可得:G1213=-41 05kJ/mo l同样可计算出SiO2、Al和Al2O3在1213K的自由能分别为-1007 74kJ/mol、-59 09kJ/mol 和-1818 38kJ/m ol,由上述数据,可以计算出反应(1的自由能变化:G1213=-166 78kJ/m ol0表明在电解温度下,SiO2可以被Al还原。1 2 SiO2在活性炭电极上的分解电压可以计算出反应(2的 G1213=-297 18 kJ/mo lE01213=- G1213/nF=0 7

9、7V2 A l Si合金的制备2 1 试验原料和设备2 1 1 原料试验所用的原料有冰晶石、二氧化硅和氧化铝。其中冰晶石是工业级,分子比为2 2,二氧化硅和氧化铝是工业用原料。试验从2008年3月11日至2008年6月18日,共计101天。2 1 2 设备某单位2台200kA大型预焙电解槽,于2003年10月启动,至今已经运行1450天,采用218#电解槽试验,205#电解槽作为对比槽。2 13 添加方式在氧化铝输送管道上安装三通,在氧化铝超浓相输送后用三通将二氧化硅添加到氧化铝料箱中进行自然混合,然后随氧化铝自动下料进入电解槽进行电解。2 2 SiO2添加量在试验条件下电解开始时为预防电解反

10、应剧烈,采用逐渐添加的方式,SiO2添加量随时间变化情况见图1。在2008年5月4日SiO2添加量突然下降是因为218#试验电解槽火苗偏重,电解温度过高,因此适当降低。后来SiO2添加量是为了维持原 铝中的硅含量而进行调整的。图1 SiO2添加量随时间变化情况3 参数控制3 1 设定电压在电解槽添加SiO2后,根据温度情况对设定电压进行调整。2008年3月18日将电压提高17 mV,2008年5月4日由于电解温度过高,将电压降低30mV,5月5日又降低20mV,然后根据温度情况逐渐恢复提高电压至正常槽生产电压。设定电压随时间变化情况见图2 。图2 设定电压随时间变化情况Fig 2 Set vo

11、ltage vs time3 2 电解温度温度随时间变化情况见图3,可以看出,试验电解槽添加SiO2后,温度有所上升,但是幅度不大,当添加二氧化硅为每天200kg时温度急剧上升,达到998 ,为保证电解温度正常将电压进行调整后,电解温度逐渐恢复正常。3 3 试验电解槽炉帮通过 上冷下热 法控制炉帮,试验槽在试验前后试验电解槽炉帮变化情况见图4,可以看出,电解图3 温度随时间变化情况Fig 3 Temperature vs time槽炉帮厚度最大值与最小值仅相差3cm,充分说明 试验前后对试验电解槽炉帮的冲击较小。图4 炉帮厚度随时间变化情况Fig 4 Furnace thickness vs

12、time3 4 试验电解槽炉底压降炉底压降试验前360mV,试验后360m V,基本无变化。3 5 试验电解槽铝水平铝水平试验前20cm,试验后21cm,基本无变化。3 6 试验电解槽电解质水平电解质水平试验前20cm,试验后19cm,基本无变化。3 7 试验电解槽效应系数试验电解槽效应分别在5月7日、5月28日发生,效应电压平均分别为19 5V 和20 8V,效应时间分别为89s 和102s,效应电压偏低也说明与验证试验电解槽温度偏高,效应时间正常,但是效应不宜熄灭。3 8 试验电解槽电解质中Fe 2O 3、SiO 2含量2008年5月取4个样品进行分析218#试验电解槽电解质中Fe 2O

13、3、SiO 2含量情况,结果见表1。表1 电解质中Fe 2O 3、SiO 2含量Table 1 Fe 2O 3and SiO 2content in electrolyte/%日期SiO 2Fe 2O 35月9日0 170 0095月13日0 120 0095月20日0 110 0275月23日0 140 0124 结果与讨论4 1 二氧化硅回收率总加入二氧化硅12900kg,原铝总产硅量4460 34985kg,回收率计算结果为74 5952%。4 2 电流效率4 2 1 试验槽电流效率试验前盘存结果12906 7kg ,试验后盘存结果:12672 3kg 。总硅产量4460 3kg,总出铝

14、产量233905 7kg,核实铝产量233671 3kg 。4 2 2 对比槽电流效率试验前盘存结果13558 6kg,试验后盘存结果15604 4kg 。总出铝产量242289kg,核实铝产量244334 8kg,核实出铝量减少6203 2kg,影响效率约2 41%。4 3 试验电解槽原铝中硅含量试验电解槽原铝中硅含量随二氧化硅的添加逐渐上升(图5,最高含量在是5月2日达到4 38%,但电解温度当时也达到最高,因此作者认为工业化电解槽电解二氧化硅生产铝硅合金原铝中硅含量不要高于4%, 否则不利于电解槽槽况稳定。图5 原铝中硅含量随时间变化情况Fig 5 Silicon content in

15、aluminum vs time 4 4 试验电解槽原铝中铁含量图6表明,试验电解槽从试验开始,原铝中铁含量基本成下降趋势,虽然有波动但是当原铝中硅含量达到3%及以上时,原铝中铁含量基本稳定在0 04%。主要是因为硅的蒸气压大8,带走部分铁, 从而降低了铁含量。图6 铁含量随时间变化情况Fig 6 Iron content in aluminum vs time5 结论(1SiO2在铝电解槽中进行优先电解。最佳工艺条件为:冰晶石分子比2 45,A l2O3与SiO2的质量分数分别为2 0%2 5%和0 1%0 5%,电解温度960 ;(2原铝中硅含量随二氧化硅的添加逐渐上升,最高达到4 38%

16、。在原铝中硅含量不大于4%的情况下,采取各项措施后,在铝电解槽中进行电解SiO2工业化生产,可以基本保证槽况稳定,火苗正常,各项生产参数及技术参数合理有效控制。试验槽经济效益与对比槽基本盈亏平衡。参考文献1A nada H,Hag inaka R,T ada S,et a l F ormat ion offeathery cry stals in A l Si a lloyJ.M aterials T ransac tio ns,JIM,1989,30(9:684-694.2T sai D C,L ui T S,Chen L H.Effect o f silicon par ticleson

17、EDM character istics o f A l Si allo ysJ.M ater ials T r ansactio ns,2002,43(2:199-205.3St uberg h J R.Pr ocessing silico n,silumin and aluminiumfrom feldspars a method to reg ulate the Si,Al Si allo ys and Al amo unts by a continuo us w ayC.L ight M etals, Anaheim:T M S,1996:237-240.4Co ok R,Coo pe

18、r P S,Kear ns M A.Benefits of masteralloy melt tr eat ments in the a luminium f oundry industryC.L ight M etals,A naheim:T M S,1996:647-654.5H eshmat pour B.M odification o f silicon in eutectic andhy per eutectic Al Si a llo ysC.L ight M etals,O rlando: T M S,1997:801-808.6邱竹贤.铝电解原理与应用M.北京:中国矿业大学出版社,1998:556-566.7马龙翔.铝