RU2736996C1 - Method of producing silumins in electrolysis cell for producing aluminium - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy of non-ferrous metals, specifically to production of silumins in an electrolysis cell for aluminium production using amorphous microsilica as a silicon source. Silumins are obtained by reducing silicon from amorphous microsilica, obtained from dust of gas cleaning systems of electrothermal furnaces, in aluminium melt, by introducing amorphous microsilica together with the stream of inert gas directly into the molten primary aluminium using magnesium in an amount of up to 1 % of the weight of microsilica as an alloying surface-active additive, wherein before introduction of melt to reduce surface tension of melt, energy of interfacial interaction and intensification of silicon reduction process, microsilica is mixed with powdered magnesium, which is introduced by set of nozzles made of borosilicate graphite.

EFFECT: invention enables to obtain hypoeutectic, eutectic and hypereutectic silumins, which correspond to GOST 1583-93, with a fine-grained structure and high mechanical properties due to use as raw material unclaimed at present amorphous microsilica, which is a by-product of producing crystalline silicon.

1 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, а именно к получению силуминов в электролизере для производства алюминия с использованием в качестве источника кремния аморфного микрокремнезема.The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals, namely to the production of silumins in an electrolytic cell for the production of aluminum using amorphous microsilica as a source of silicon.

Получение силуминов в электролизере позволяет повысить экономическую эффективность процесса их получения за счет использования вместо технического кремния аморфного кремнийсодержащего сырья (пыли систем газоочистки электротермических печей), обладающего крайне низкой себестоимостью.Obtaining silumins in an electrolytic cell makes it possible to increase the economic efficiency of the process of their production due to the use of amorphous silicon-containing raw materials (dust from gas cleaning systems of electrothermal furnaces), which has an extremely low cost, instead of technical silicon.

Из существующего уровня техники известны различные способы получения силуминов, применение которых зависит от назначения сплавов, их состава, возможности обеспечения необходимой чистоты по неметаллическим включениям и газам, вида исходного сырья, объема и условий производства, а также экономических соображений.From the existing prior art, various methods are known for producing silumins, the use of which depends on the purpose of the alloys, their composition, the possibility of providing the necessary purity for non-metallic inclusions and gases, the type of feedstock, the volume and conditions of production, as well as economic considerations.

1) Карботермический (руднотермический) способ, в котором силумины получают путем восстановления природных алюмокремниевых минералов (каолинит, кианит, силлиманит и т.д.) в электротермических печах (патенты RU №2010881, RU №2484165). Недостатками данного способа является его высокая энергоемкость, сложность подготовки шихтовых материалов, а также высокая степень загрязнения сплава примесями и неметаллическим включениями (главным образом - углеродом, являющимся основным восстановителем).1) Carbothermal (ore-thermal) method, in which silumins are obtained by reducing natural aluminum-silicon minerals (kaolinite, kyanite, sillimanite, etc.) in electrothermal furnaces (patents RU # 2010881, RU # 2484165). The disadvantages of this method are its high energy consumption, the complexity of the preparation of charge materials, as well as a high degree of contamination of the alloy with impurities and non-metallic inclusions (mainly carbon, which is the main reducing agent).

2) Металлотермический способ, основанный на реакции восстановления кремния из его соединений (кислородных, галоидных) алюминием [Беляев А.И., Бочвар О.С., Бунов Н.Н. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов. М.: Металлургия, 1983]. Способ заключается во введении на поверхность алюминиевого расплава смеси порошков алюминия и кремнезема, местного нагрева смеси до температуры 1100-1200°С и последующем получении алюминиево-кремниевой лигатуры. Недостатком способа является необходимость использования алюминия и кремнезема в порошкообразном состоянии, необходимость значительного перегрева расплава, сложность получения сплава заданного состава, а также загрязнение получаемого сплава примесью железа.2) Metallothermal method based on the reduction of silicon from its compounds (oxygen, halide) with aluminum [Belyaev AI, Bochvar OS, Bunov NN. Aluminum alloys. Metallurgy of aluminum and its alloys. M .: metallurgy, 1983]. The method consists in introducing a mixture of aluminum and silica powders onto the surface of an aluminum melt, local heating the mixture to a temperature of 1100-1200 ° C, and then obtaining an aluminum-silicon master alloy. The disadvantage of this method is the need to use aluminum and silica in a powdery state, the need for significant overheating of the melt, the complexity of obtaining an alloy of a given composition, as well as contamination of the resulting alloy with iron impurities.

3) Растворение кристаллического кремния в алюминиевом расплаве (патент RU №2010881). Данный способ является основным промышленным способом получения литейных силуминов, который используют на алюминиевых заводах. Главным достоинством способа является его высокая производительность и возможность получения сплавов с заданным содержанием кремния. Однако, данный способ имеет и ряд существенных недостатков - большие безвозвратные потери металла за счет угара, низкое усвоение кремния мелких фракций (менее 5-6 мм), высокие энергетические затраты.3) Dissolution of crystalline silicon in an aluminum melt (patent RU No. 2010881). This method is the main industrial method for producing foundry silumins, which is used in aluminum plants. The main advantage of the method is its high productivity and the possibility of obtaining alloys with a given silicon content. However, this method also has a number of significant disadvantages - large irrecoverable losses of metal due to waste, low assimilation of silicon of fine fractions (less than 5-6 mm), high energy costs.

4) Способ получения сплавов с использованием "жидкой" лигатуры Al-Si, заключающийся в заливке расплавленного кремния в вакуум-ковш с находящимся в нем алюминиевым расплавом (заявка RU №93010136, патенты RU №2432411, RU №2215803). Несмотря на высокое качество получаемых сплавов, для реализации данного способа необходимым является близкое территориальное расположение предприятий-производителей алюминия и кремния.4) A method for producing alloys using a "liquid" Al-Si master alloy, which consists in pouring molten silicon into a vacuum ladle with an aluminum melt in it (application RU No. 93010136, patents RU No. 2432411, RU No. 2215803). Despite the high quality of the alloys obtained, the implementation of this method requires a close territorial location of the enterprises producing aluminum and silicon.

5) Электролитический способ, заключающийся в совместном восстановлении на катоде алюминия и кремния (патент RU №2556188, авторское свидетельство SU №1826998, патент RU №2030487) [Плавление и литье алюминиевых сплавов. Справ. изд. / М.Б. Альтман [и др.] - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.]. Данный способ отличается возможностью использования в качестве исходного сырья относительно дешевых соединений и получением сплавов с низким содержанием неметаллических и газовых включений. Основными недостатками способа являются высокие энергетические затраты на его осуществление, а также сложность поддержания в электролите оптимальной концентрации кремния, следствием чего является рост температуры процесса и снижению выхода по току.5) The electrolytic method, which consists in the joint reduction on the cathode of aluminum and silicon (patent RU No. 2556188, copyright certificate SU No. 1826998, patent RU No. 2030487) [Melting and casting of aluminum alloys. Ref. ed. / M.B. Altman [et al.] - 2nd ed. - M .: Metallurgy, 1983. - 352 p.]. This method is distinguished by the possibility of using relatively cheap compounds as a raw material and obtaining alloys with a low content of non-metallic and gas inclusions. The main disadvantages of the method are the high energy costs for its implementation, as well as the difficulty of maintaining the optimal concentration of silicon in the electrolyte, which results in an increase in the process temperature and a decrease in the current efficiency.

6) Жидкофазные технологии получения алюминиево-кремниевых сплавов, заключающиеся в прямом восстановлении кремния из его оксидов непосредственно в алюминиевом расплаве.6) Liquid-phase technologies for producing aluminum-silicon alloys, consisting in the direct reduction of silicon from its oxides directly in an aluminum melt.

Среди существующих способов получения силуминов аналогами заявленного технического решения являются способы, основанные на восстановлении алюминием кремния из его оксида, в которых в качестве источника кремния используется аморфный микрокремнезем, а также способы, в которых восстановление кремнезема происходит непосредственно в электролизере для производства алюминия.Among the existing methods for producing silumins, analogs of the claimed technical solution are methods based on the reduction of silicon by aluminum from its oxide, in which amorphous microsilica is used as a source of silicon, as well as methods in which the reduction of silica occurs directly in an electrolyzer for the production of aluminum.

Из существующего уровня техники известен способ получения алюминиево-кремниевого сплава (патент BY №17860 С1 2013.12.30, МПК С22С 1/03, С22С 21/06, опубл. 30.12.2013), согласно которому получение силуминов производится путем введения кремнезема в расплавленный алюминий или сплав на его основе. Введение микрокремнезема производится в интервале кристаллизации путем механического замешивания легирующего элемента. В результате получают лигатуру, которую в дальнейшем используют для легирования алюминия или сплавов на его основе. После введения полученной алюминиево-кремниевой лигатуры в расплав (t=800-900°С), производится его выдержка при температуре выше линии ликвидус в течение 20-60 мин, обработка рафинирующим флюсом и последующая разливка.From the existing state of the art, a method for producing an aluminum-silicon alloy is known (patent BY No. 17860 C1 2013.12.30, IPC C22C 1/03, C22C 21/06, publ. 30.12.2013), according to which silumins are obtained by introducing silica into molten aluminum or an alloy based on it. The introduction of microsilica is carried out in the crystallization interval by mechanical mixing of the alloying element. As a result, a master alloy is obtained, which is subsequently used for alloying aluminum or alloys based on it. After the introduction of the obtained aluminum-silicon master alloy into the melt (t = 800-900 ° C), it is held at a temperature above the liquidus line for 20-60 minutes, treated with a refining flux and subsequent casting.

Общим признаком заявляемого способа с аналогом является то, что в качестве источника кремния используется аморфный микрокремнезем.A common feature of the proposed method with an analogue is that amorphous microsilica is used as a source of silicon.

Основным недостатком данного способа является то, что получение лигатуры производится путем механического замешивания кремнезема в расплав, находящийся в твердожидком состоянии. Процесс механического замешивания характеризуется сложностью его автоматизации, а тот факт, что замешивание происходит в интервале кристаллизации алюминия или его сплава свидетельствует о недостаточном для восстановления кремния взаимодействии в системе "Al-SiO₂". Более того, получение силуминов с использованием данных лигатур связано со сложностью достижения требуемого химического состава сплава, а также с возможным загрязнением металла примесями и неметаллическими включениями.The main disadvantage of this method is that the ligature is obtained by mechanically kneading silica into a melt in a solid-liquid state. The process of mechanical kneading is characterized by the complexity of its automation, and the fact that kneading occurs in the crystallization interval of aluminum or its alloy indicates that the interaction in the "Al-SiO ₂ " system is insufficient to restore silicon. Moreover, obtaining silumins using these ligatures is associated with the difficulty of achieving the required chemical composition of the alloy, as well as with possible contamination of the metal with impurities and non-metallic inclusions.

Известен также "Способ получения алюминиево-кремниевых сплавов в серийных алюминиевых электролизерах" (патент RU 2030487, С25С 3/36, 1995 г.), включающий периодическую загрузку глинозема и кремнийсодержащего оксидного сырья на корку электролита, разрушение корки и погружение сырья в криолитоксидный расплав. Загрузка кремнийсодержащего оксидного сырья осуществляется в течение суток каждые 3-6 ч, а масса загружаемой порции кремнийсодержащего оксидного сырья составляет 0,2-0,4% (в расчете на SiO₂) от массы электролита.There is also known "A method for producing aluminum-silicon alloys in serial aluminum electrolyzers" (patent RU 2030487, C25C 3/36, 1995), including periodic loading of alumina and silicon-containing oxide raw materials on the electrolyte crust, crust destruction and immersion of raw materials in cryolite-oxide melt. The loading of silicon-containing oxide raw material is carried out during the day every 3-6 hours, and the mass of the loaded portion of the silicon-containing oxide raw material is 0.2-0.4% (in terms of SiO ₂ ) of the mass of the electrolyte.

Известное решение позволяет поддерживать в электролите оптимальную концентрацию кремния, которая не превышает максимально допустимую и предотвращает негативные явления, ведущие к росту температуры процесса и снижению выхода по току.The known solution allows maintaining the optimal concentration of silicon in the electrolyte, which does not exceed the maximum allowable and prevents negative phenomena leading to an increase in the process temperature and a decrease in the current efficiency.

Общим признаком заявляемого способа с аналогом является то, что восстановление кремнезема происходит непосредственно в электролизере для производства алюминия.A common feature of the proposed method with an analogue is that the recovery of silica occurs directly in the electrolyzer for the production of aluminum.

Недостатком данного способа является поточная обработка электролизера с загрузкой глинозема и кремнийсодержащего оксидного сырья на корку электролита с интервалом в 3-6 ч, которая приводит к значительным колебаниям концентрации глинозема и кремнезема в электролите. Более того, способ не предусматривает корректировку технологических параметров электролиза, направленных на получение первичного алюминия. Данное обстоятельство приводит к снижению эффективности получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере.The disadvantage of this method is in-line processing of the electrolyzer with loading of alumina and silicon-containing oxide raw materials on the electrolyte crust with an interval of 3-6 hours, which leads to significant fluctuations in the concentration of alumina and silica in the electrolyte. Moreover, the method does not provide for the adjustment of the technological parameters of electrolysis aimed at obtaining primary aluminum. This circumstance leads to a decrease in the efficiency of obtaining an aluminum-silicon alloy in an electrolytic cell.

Известен "Способ получения алюминиево-кремниевого сплава в электролизере для производства алюминия" (патент RU №2599475, МПК С25С 3/06, опубл. 10.10.2016). Способ включает в себя периодическую загрузку в расплав электролита, фтористых солей, глинозема, аморфного кремнийсодержащего оксидного сырья, а также последующее восстановление оксидов алюминия и кремния. В качестве аморфного кремнийсодержащего оксидного сырья используют микрокремнезем, получаемый в процессе очистки технологических газов при производстве кремния и кремнийсодержащих сплавов, который загружают в расплав электролита с использованием установок автоматического питания электролизера. В электролизере поддерживают увеличенное на 5-30% (масс.) количество расплава электролита, в который вместе с микрокремнеземом вводят измельченный кварцит в количестве до 40% от веса микрокремнезема. Дополнительно микрокремнезем предварительно смешивают с глиноземом или фтористыми солями и загружают в расплав электролита.Known "A method of producing an aluminum-silicon alloy in an electrolytic cell for the production of aluminum" (patent RU No. 2599475, IPC C25C 3/06, publ. 10.10.2016). The method includes periodic loading of electrolyte, fluoride salts, alumina, amorphous silicon-containing oxide raw materials into the melt, as well as the subsequent reduction of aluminum and silicon oxides. As an amorphous silicon-containing oxide raw material, microsilica is used, obtained in the process of cleaning process gases in the production of silicon and silicon-containing alloys, which is loaded into the electrolyte melt using automatic power supply units of the electrolyzer. The electrolyzer maintains an increased amount of electrolyte melt by 5-30% (mass), into which, together with microsilica, crushed quartzite is introduced in an amount of up to 40% by weight of microsilica. Additionally, microsilica is pre-mixed with alumina or fluoride salts and loaded into the electrolyte melt.

Общим признаком аналога с заявляемым изобретением является использование в качестве кремнийсодержащего сырья аморфного микрокремнезема, полученного в ходе переработки пыли систем газоочистки руднотермических печей производства кремния, а также факт, что в качестве агрегата для получения силумина используется алюминиевый электролизер.A common feature of the analogue with the claimed invention is the use as a silicon-containing raw material of amorphous microsilica obtained during the processing of dust from gas cleaning systems of ore-thermal furnaces for silicon production, as well as the fact that an aluminum electrolyzer is used as a unit for producing silumin.

Недостатком данного способа является то, что обязательным условием его реализации является необходимость предварительного смешения микрокремнезема с глиноземом и фтористыми солями. Отсутствие данной операции приводит к образованию в расплаве электролита агломератов микрокремнезема, снижающих интенсивность растворения SiO₂ и образующих нерастворимый осадок на подине электролизера. Более того, введение в электролизер, наряду с аморфным микрокремнеземом, кварцита (до 40% (масс.)) может приводить к нарушению параметров технологического процесса - снижению производительности электролизера и уменьшению выхода по току.The disadvantage of this method is that a prerequisite for its implementation is the need for preliminary mixing of microsilica with alumina and fluoride salts. The absence of this operation leads to the formation of microsilica agglomerates in the electrolyte melt, which reduce the intensity of dissolution of SiO ₂ and form an insoluble deposit on the bottom of the electrolyzer. Moreover, the introduction into the electrolyzer, along with amorphous microsilica, quartzite (up to 40% (wt.)) Can lead to a violation of the parameters of the technological process - a decrease in the performance of the electrolyzer and a decrease in the current efficiency.

Наиболее близким аналогом является способ получения силуминов (RU №2683176, МПК С22С 1/02, опубликовано 26.03.2019), включающий получение силуминов восстановлением кремния из аморфного микрорекремнезема, полученного из пыли систем газоочистки электротермических печей, в алюминиевом расплаве, путем введения аморфного микрокремнезема совместно с потоком инертного газа непосредственно в расплав первичного алюминия, с использованием магния в количестве до 1% от массы микрокремнезема в качестве легирующей поверхностно-активной добавки.The closest analogue is a method for producing silumins (RU No. 2683176, IPC C22S 1/02, published on March 26, 2019), which includes the production of silumins by reducing silicon from amorphous microsilica obtained from dust from gas cleaning systems of electrothermal furnaces, in an aluminum melt, by introducing amorphous microsilica together with an inert gas flow directly into the primary aluminum melt, using magnesium in an amount up to 1% by weight of microsilica as an alloying surfactant additive.

Задача заявляемого изобретения заключается в получении в алюминиевом электролизере доэвтектических, эвтектических и заэвтектических силуминов, соответствующих требованиям ГОСТ 1583-93, с использованием в качестве источника кремния аморфного микрокремнезема, являющегося побочным продуктом кремниевого производства.The objective of the claimed invention is to obtain in an aluminum electrolyzer hypoeutectic, eutectic and hypereutectic silumins that meet the requirements of GOST 1583-93, using amorphous microsilica as a source of silicon, which is a by-product of silicon production.

Технический результат изобретения заключается в:The technical result of the invention consists in:

- получении доэвтектических, эвтектических и заэвтектических силуминов, соответствующих требованиям ГОСТ 1583-93, в электролизере для производства алюминия при введении частиц SiO₂ в восстановленный на катоде первичный алюминии, находящийся в электролизере при t=950°С (далее по тексту - в расплав алюминия);- preparation of hypoeutectic, eutectic and hypereutectic silumin, satisfying the requirements of GOST 1583-93, in an electrolytic cell for aluminum production when administered SiO ₂ particles in the recovered primary aluminum on the cathode located in the cell at t = 950 ° C (hereinafter - in aluminum melt );

- отсутствии влияния процесса получения силуминов на основные технологические параметры электролиза - выход по току, расходные коэффициенты, состав и объем электролита;- no influence of the process of obtaining silumins on the main technological parameters of electrolysis - current efficiency, consumption coefficients, composition and volume of electrolyte;

- получении силуминов с мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами за счет использования в качестве сырья для получения силуминов микро- и нанодисперсных частиц аморфного кремнезема.- obtaining silumins with a fine-grained structure and enhanced mechanical properties due to the use of micro- and nanodispersed particles of amorphous silica as raw materials for obtaining silumins.

Технический результат достигается тем, что способ получения силумина, в котором в качестве источника кремния используется аморфный микрокремнезем, полученный из пыли систем газоочистки электротермических печей, включает в себя предварительное смешение с магниевым порошком и введение необходимого (рассчитывается исходя из массовой доли кремния в аморфном микрокремнеземе) для получения доэвтектического, эвтектического и заэвтектического силумина количества микрокремнезема в расплав алюминия, совместно с потоком инертного газа. Для введения микрокремнезема в расплав алюминия используется набор сопел, которые при пропускании через них инертного газа обеспечивают необходимую скорость введения частиц SiO₂, их равномерное распределение, а также максимальную площадь контакта в системе Al(ж)-SiO₂.The technical result is achieved by the fact that the method for producing silumin, in which amorphous microsilica obtained from dust of gas cleaning systems of electrothermal furnaces is used as a source of silicon, includes preliminary mixing with magnesium powder and the introduction of the necessary (calculated based on the mass fraction of silicon in amorphous microsilica) to obtain a hypereutectic, eutectic and hypereutectic silumin, the amount of microsilica into the aluminum melt, together with an inert gas flow. To introduce microsilica into the aluminum melt, a set of nozzles is used, which, when an inert gas is passed through them, provide the required rate of introduction of SiO ₂ particles, their uniform distribution, as well as the maximum contact area in the Al (l) -SiO _{2 system} .

Выходные раструбы сопел расположены на высоте 100 мм от подины катода электролизера и направлены вдоль его поверхности под различными углами (направления раструбов определяется методом физического моделирования). Давление инертного газа в системе подачи рассчитано таким образом, чтобы не превысить критического значения, которое может спровоцировать образование очагов турбулентности расплава и, как следствие, оказать негативное влияние на расходные коэффициенты электролиза.The outlet bells of the nozzles are located at a height of 100 mm from the bottom of the electrolyzer cathode and are directed along its surface at different angles (the direction of the bells is determined by the method of physical modeling). The pressure of the inert gas in the supply system is calculated so as not to exceed the critical value, which can provoke the formation of foci of melt turbulence and, as a consequence, have a negative effect on the flow rate coefficients of electrolysis.

Отличием от прототипа является то, что введение аморфного микрокремнезема осуществляется путем его вдувания совместно с потоком инертного газа непосредственно в расплав алюминия; поступление частиц SiO₂ в расплав алюминия осуществляется через набор сопел, выполненных из боросилицированного графита. Для уменьшения поверхностного натяжение расплава, энергии межфазного взаимодействия между твердой и жидкой фазой, а также интенсификации процесса восстановления кремния микрокремнезем предварительно смешивается с магниевым порошком в соотношении, обеспечивающем его присутствие в микрокремнеземе в количестве до 1% (масс.). Количество вводимого микрокремнезема рассчитывается в зависимости от объема металла в электролизере, необходимости получения силумина определенной группы (доэвтектического, эвтектического, заэвтектического состава), а также конкретной марки сплава. Существенно, что операция ввода кремнезема в алюминиевый расплав практически не оказывает влияния на технологические параметры электролиза (выход по току, расходные коэффициенты, объем и состав электролита). Более того, гидростатическое давление электролита препятствует всплытию из алюминиевого расплава частиц микрокремнезема, обладающих низкой плотностью, что обеспечивает высокие значения его усвоения (более 90%). Необходимо отметить, что в существующих способах получения силуминов путем ввода микрокремнезема в электролит необходима его корректировка по криолитовому отношению, а также контроль за изменением объема электролита.The difference from the prototype is that the introduction of amorphous microsilica is carried out by injecting it together with a flow of inert gas directly into the aluminum melt; the entry of SiO ₂ particles into the aluminum melt is carried out through a set of nozzles made of borosilicated graphite. To reduce the surface tension of the melt, the energy of interfacial interaction between the solid and liquid phases, as well as to intensify the process of silicon reduction, microsilica is pre-mixed with magnesium powder in a ratio that ensures its presence in microsilica in an amount of up to 1% (wt.). The amount of microsilica introduced is calculated depending on the volume of metal in the electrolyzer, the need to obtain silumin of a certain group (hypoeutectic, eutectic, hypereutectic composition), as well as a specific alloy grade. It is essential that the operation of introducing silica into an aluminum melt has practically no effect on the technological parameters of electrolysis (current efficiency, consumption factors, volume and composition of electrolyte). Moreover, the hydrostatic pressure of the electrolyte prevents low-density microsilica particles from floating out of the aluminum melt, which ensures high values of its assimilation (more than 90%). It should be noted that in the existing methods of obtaining silumins by introducing microsilica into the electrolyte, it is necessary to correct it in terms of the cryolite ratio, as well as to control the change in the volume of the electrolyte.

Особенно важно, что в предлагаемом способе контакт между микрокремнеземом и с электролитом отсутствует, т.е. полностью исключается возможность образования тетрафторида кремния SiF₄ (SiO₂+2F₂→SiF₄+O₂), обладающего высокой токсичностью (ПДК - 0,5 мг/м³).It is especially important that in the proposed method there is no contact between microsilica and the electrolyte, i.e. the possibility of the formation of silicon tetrafluoride SiF ₄ (SiO ₂ + 2F ₂ → SiF ₄ + O ₂ ), which has high toxicity (MPC - 0.5 mg / m ³ ), is completely excluded.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "новизна".The presence of distinctive features allows us to conclude that the claimed invention meets the "novelty" condition of patentability.

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и смежных областях не позволило выявить источники, содержащие сведения об известности совокупности всех отличительных признаков заявляемого технического решения.Comparison of the proposed technical solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this and related areas did not allow identifying sources containing information about the popularity of the totality of all distinctive features of the proposed technical solution.

Новая совокупность признаков заявляемого способа получения силуминов, а именно:A new set of features of the proposed method for producing silumins, namely:

1. Процесс получения силумина организован непосредственно в электролизере.1. The process of obtaining silumin is organized directly in the electrolyzer.

2. В качестве источника кремния используется пыль систем газоочистки электротермических печей, содержащих до 95% (масс.) аморфного микрокремнезема.2. As a source of silicon, dust from gas cleaning systems of electrothermal furnaces containing up to 95% (mass.) Of amorphous microsilica is used.

3. Введение аморфного микрокремнезема производится непосредственно в расплав алюминия.3. The introduction of amorphous microsilica is carried out directly into the aluminum melt.

4. Введение микрокремнезема осуществляется путем его вдувания в расплав алюминия совместно с потоком инертного газа (через набор сопел), что обеспечивает равномерное распределение частиц в объеме расплава, а также максимальную площадь контакта в системе Al(ж)-SiO₂.4. The introduction of microsilica is carried out by injecting it into the aluminum melt together with an inert gas flow (through a set of nozzles), which ensures a uniform distribution of particles in the volume of the melt, as well as the maximum contact area in the Al (l) -SiO _{2 system} .

5. Перед введением в расплав микрокремнезем предварительно смешивается с порошкообразным магнием (для уменьшения поверхностного натяжения расплава, энергии межфазного взаимодействия и ускорения восстановления кремния из его оксида) в соотношении, обеспечивающем его присутствие в микрокремнеземе в количестве до 1% (масс.).5. Before being introduced into the melt, microsilica is pre-mixed with powdered magnesium (to reduce the surface tension of the melt, the energy of interfacial interaction and accelerate the recovery of silicon from its oxide) in a ratio that ensures its presence in microsilica in an amount of up to 1% (wt.).

На основании изложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".Based on the foregoing, it can be concluded that the claimed invention meets the patentability condition "inventive step".

Сущность заявленного технического решения заключается в восстановлении кремния из аморфного микрокремнезема в алюминиевом расплаве действующего электролизера и получении силуминов, соответствующих требованиям ГОСТ 1583-93.The essence of the claimed technical solution lies in the recovery of silicon from amorphous microsilica in the aluminum melt of an operating electrolyzer and obtaining silumins that meet the requirements of GOST 1583-93.

Микрокремнезем, предварительно смешанный с порошкообразным магнием, под давлением инертного газа, через колено и распылительное сопло из боросилицированного графита подается в алюминиевый расплав, находящийся в электролизере. Сопло конструктивно выполнено таким образом, что при определенном давлении инертного газа мелкодисперсные частицы равномерно распределяются по всему объему расплава.Microsilica, pre-mixed with powdered magnesium, under the pressure of an inert gas, through a bend and a spray nozzle from borosilicated graphite, is fed into the aluminum melt in the electrolyzer. The nozzle is structurally designed in such a way that, at a certain pressure of the inert gas, fine particles are evenly distributed throughout the entire volume of the melt.

Способ предусматривает постепенный вывод электролизера на рабочий режим по выпуску сплава с необходимым содержанием кремния. Так как микрокремнезем трудно усваивается в расплаве алюминия, суточный объем его распыления рассчитывается как запланированный процент кремния в сплаве от наработки металла за этот период. Эта порция делится на 12 и распыляется с инертным газом под уровень расплава алюминия, одновременно из четырех форсунок каждые 2 часа. Конструктивное исполнение форсунок позволяет производить их установку с минимальным нарушением целостности корки электролита. В связи с этим влияние их ввода на тепловой баланс электролизера незначительно. Через определенный период (24-36 суток), в зависимости от общего объема металла, электролизер выходит на рабочий режим по производству указанного сплава. Далее суточная норма распыления корректируется в небольших пределах в зависимости от экспресс-анализа выливаемого сплава.The method provides for gradual bringing the electrolyzer to the operating mode for the production of an alloy with the required silicon content. Since microsilica is difficult to assimilate in the aluminum melt, the daily volume of its sputtering is calculated as the planned percentage of silicon in the alloy from the production of metal during this period. This portion is divided by 12 and sprayed with an inert gas under the level of the molten aluminum, simultaneously from four nozzles every 2 hours. The design of the injectors allows their installation with minimal damage to the integrity of the electrolyte crust. In this regard, the effect of their input on the heat balance of the electrolyzer is insignificant. After a certain period (24-36 days), depending on the total volume of metal, the electrolyzer enters the operating mode for the production of the specified alloy. Further, the daily spraying rate is adjusted within small limits depending on the express analysis of the poured alloy.

Для получения сплавов требуемого качества (удаления продуктов реакции восстановления кремния алюминием и очистки его поверхности) перед разливкой металла проводится его обработка покровно-рафинирующего флюса. Содержание кремния, а также легирующих элементов в алюминии до и после экспериментов определяется с помощью оптического эмиссионного спектрометра с искровым источником возбуждения спектра.To obtain alloys of the required quality (removal of the products of the silicon reduction reaction with aluminum and cleaning its surface), before pouring the metal, it is processed with a cover-refining flux. The content of silicon and alloying elements in aluminum before and after experiments is determined using an optical emission spectrometer with a spark excitation source of the spectrum.

Существует ряд факторов, осложняющих получение силуминов с использованием аморфного микрокремнезема путем его простого введения в алюминиевый расплав (аналогично растворению кристаллического кремния в алюминиевом расплаве):There are a number of factors complicating the preparation of silumins using amorphous microsilica by simply introducing it into an aluminum melt (similar to the dissolution of crystalline silicon in an aluminum melt):

1) низкая площадь контакта порошка микрокремнезема с расплавом [Pai B.C., Geetha Ramani, Pillai R.M., Satyanarayana KG. Role of magnesium in cast aluminium alloy matrix composites // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 1903-1911];1) low contact area of the microsilica powder with the melt [Pai B.C., Geetha Ramani, Pillai R.M., Satyanarayana KG. Role of magnesium in cast aluminum alloy matrix composites // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 1903-1911];

2) наличие газовых пленок на поверхности частиц микрокремнезема, препятствующих эффективному взаимодействию на границе раздела жидкой и твердой фазы [Gowri Shankar М.С. and Jayashree, Р.K. and Kini, Achutha U and Sharma S.S. Effect of silicon oxide (SiO₂) reinforced particles on ageing behavior of Al-2024 Alloy // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. - 2014. - Vol. 5 (9). - P. 15-21];2) the presence of gas films on the surface of microsilica particles, which prevent effective interaction at the interface between the liquid and solid phases [Gowri Shankar M.S. and Jayashree, R.K. and Kini, Achutha U and Sharma SS Effect of silicon oxide (SiO ₂ ) reinforced particles on aging behavior of Al-2024 Alloy // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. - 2014. - Vol. 5 (9). - P. 15-21];

3) присутствие в порошке 40-50% (об.) воздуха, снижающего его плотность, теплоемкость и теплопроводность.3) the presence of 40-50% (vol.) Of air in the powder, which reduces its density, heat capacity and thermal conductivity.

Использование легирующего элемента магния в предлагаемом техническом решении обусловлено тем, что магний может выступать в роли поверхностно-активной добавки, позволяющей удалять газовые пленки с поверхности дисперсных частиц, снижать поверхностное натяжение алюминиевого расплава, а также снижать энергию межфазного взаимодействия между твердой и жидкой фазой [Pai B.C., Geetha Ramani, Pillai R.M., Satyanarayana KG. Role of magnesium in cast aluminium alloy matrix composites // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 1903-1911]. Более того, магний также участвует в процессе восстановления кремния из его оксида.The use of the alloying element magnesium in the proposed technical solution is due to the fact that magnesium can act as a surface-active additive that allows you to remove gas films from the surface of dispersed particles, reduce the surface tension of an aluminum melt, and also reduce the energy of interfacial interaction between the solid and liquid phases [Pai BC, Geetha Ramani, Pillai RM, Satyanarayana KG. Role of magnesium in cast aluminum alloy matrix composites // Journal of Materials Science. - 1995. - Vol. 30. - P. 1903-1911]. Moreover, magnesium is also involved in the reduction of silicon from its oxide.

Соответствие условию патентоспособности "промышленная применимость" доказывается экспериментальными данными.Compliance with the "industrial applicability" patentability condition is proved by experimental data.

Пример 1.Example 1.

Промышленные испытания проводили на электролизере С-8БМ с самообжигающимся анодом. Была поставлена задача получить сплав Al-Si 7% при работе электролизера в обычном рабочем режиме с поддержанием силы тока на уровне 164 кА при среднем криолитовом отношении 2,32. Объем загружаемого микрокремнезема рассчитывался исходя из поставленной задачи и количества алюминия, находящегося в электролизере с 10% избытком и учетом суточной наработки металла.Industrial tests were carried out on an S-8BM electrolyzer with a self-baking anode. The task was to obtain a 7% Al-Si alloy during the operation of the electrolyzer in the normal operating mode while maintaining the current strength at the level of 164 kA with an average cryolite ratio of 2.32. The volume of loaded microsilica was calculated based on the task and the amount of aluminum in the electrolyzer with a 10% excess and taking into account the daily production of metal.

Установку с необходимым объемом подготовленной шихты расположили в простенке за электролизером (после соблюдения необходимых мер безопасности и согласования изменений с Ростехнадзором), подача материала была организована фиксированными порциями через каждые два часа. Сопла вводились в расплав на период продувки, с четырех точек (две от простенка, две с прохода - навстречу друг другу). Давление инертного газа в системе подачи, в соответствии с формой раструбов форсунок, обеспечивало равномерное распыление частиц вводимой порции микрокремнезема в объеме расплава (параметры определялись методом активного эксперимента на физической модели в лабораторных условиях).The installation with the required volume of the prepared charge was placed in a wall behind the electrolyzer (after observing the necessary safety measures and agreeing on the changes with Rostekhnadzor), the supply of material was organized in fixed portions every two hours. The nozzles were introduced into the melt for the period of blowing from four points (two from the wall, two from the passage - towards each other). The pressure of the inert gas in the supply system, in accordance with the shape of the nozzles of the nozzles, ensured uniform dispersion of particles of the introduced portion of microsilica in the volume of the melt (the parameters were determined by an active experiment on a physical model under laboratory conditions).

В течение 24 суток в электролизер вводили по 150 кг/сут. микрокремнезема до выхода на содержание кремния в силумине 6,8-7,0%.Within 24 days, 150 kg / day were introduced into the electrolyzer. microsilica to reach the silicon content in silumin 6.8-7.0%.

Выливку из электролизера нарабатываемого силумина производили вакуум-ковшом один раз в сутки. По количеству загруженного микрокремнезема, по весу вылитого сплава и содержанию в нем кремния рассчитывали степень его усвоения.The accumulated silumin was poured from the electrolyzer with a vacuum ladle once a day. By the amount of loaded microsilica, by the weight of the cast alloy and the silicon content in it, the degree of its assimilation was calculated.

По усредненным результатам оценки работы электролизера в течение 24 дней в устоявшемся режиме усвоение кремния в сплаве составило 96%.According to the averaged results of evaluating the operation of the electrolyzer for 24 days in the steady state, the assimilation of silicon in the alloy was 96%.

Пример 2.Example 2.

В качестве Примера №2 представлен вариант получения эвтектического сплава, отличием которого от первого примера является разница в сроках вывода электролизера на рабочий режим, а также незначительное снижение степени усвоения кремния.As Example No. 2, a variant of obtaining a eutectic alloy is presented, the difference of which from the first example is the difference in the timing of bringing the cell to the operating mode, as well as a slight decrease in the degree of assimilation of silicon.

При проведении промышленных испытаний, была поставлена задача получения эвтектического сплава Al-Si 12%. Для осуществления этой задачи использовалось то же оборудование, что и в Примере 1 - электролизер С-8БМ, типовая установка подготовки и введения кремнийсодержащего сырья с инертным газом под уровень металла, сопла с раструбами той же конфигурации.During industrial tests, the task was set to obtain an eutectic Al-Si alloy of 12%. To accomplish this task, the same equipment was used as in Example 1 - an S-8BM electrolyzer, a typical installation for the preparation and introduction of silicon-containing raw materials with an inert gas under the metal level, nozzles with bells of the same configuration.

Суточная загрузка микрокремнезема была увеличена со 150 до 165 кг, время выхода электролизера на рабочий режим по наработке эвтектического сплава составило 36 суток.The daily loading of microsilica was increased from 150 to 165 kg, the time for the electrolyzer to reach the operating mode for the production of the eutectic alloy was 36 days.

По усредненным результатам оценки работы электролизера в устоявшемся режиме в этих условиях, усвоение кремния в сплаве составило 94%.According to the averaged results of evaluating the operation of the electrolyzer in the steady state under these conditions, the assimilation of silicon in the alloy was 94%.

Таким образом, проведенные испытания позволили установить возможность и эффективность получения доэвтектических, эвтектических и заэвтектических силуминов, соответствующих требованиям ГОСТ 1583-93, в электролизере для производства алюминия.Thus, the tests carried out made it possible to establish the possibility and efficiency of obtaining hypoeutectic, eutectic and hypereutectic silumins that meet the requirements of GOST 1583-93 in an electrolytic cell for the production of aluminum.

Промышленное применение предлагаемого технического решения по получению силуминов восстановлением микрокремнезема в электролизере позволяет повысить экономическую эффективность процесса их получения за счет использования вместо технического кремния аморфного микрокремнезема (невостребованного в настоящее время), который является побочным продуктом производства кристаллического кремния.The industrial application of the proposed technical solution for the production of silumins by the reduction of microsilica in an electrolytic cell makes it possible to increase the economic efficiency of the process of their production due to the use of amorphous microsilica (not currently in demand) instead of technical silicon, which is a by-product of crystalline silicon production.

Claims (1)

Способ получения силуминов восстановлением кремния из аморфного микрокремнезема, полученного из пыли систем газоочистки электротермических печей, в алюминиевом расплаве, путем введения аморфного микрокремнезема совместно с потоком инертного газа непосредственно в расплав первичного алюминия с использованием магния в количестве до 1% от массы микрокремнезема в качестве легирующей поверхностно-активной добавки, отличающийся тем, что перед введением в расплав микрокремнезем смешивают с порошкообразным магнием, который вводят набором сопел, изготовленных из боросилицированного графита.A method for producing silumins by reducing silicon from amorphous microsilica obtained from dust of gas cleaning systems of electrothermal furnaces, in an aluminum melt, by introducing amorphous microsilica together with an inert gas flow directly into the primary aluminum melt using magnesium in an amount of up to 1% of the microsilica mass as a surface alloying agent -active additive, characterized in that before being introduced into the melt, microsilica is mixed with powdered magnesium, which is introduced by a set of nozzles made of borosilicated graphite.