专利名称：一种从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法
技术领域：
本发明涉及一种铝硅合金的生产方法，特别是涉及到从低品位的一水硬铝石型铝土矿中用真空法直接制备铝硅合金的生产方法，属于冶金技术领域。
背景技术：
铝硅合金具有密度小、导热性好、热膨胀系数小、耐磨、耐蚀、尺寸稳定性好等特点，可用作炼钢的脱氧剂、热法炼镁的还原剂，并应用于载重汽车、小轿车和摩托车等发动机的活塞、汽缸衬套、汽缸盖等零件。在太阳能热发电领域，铝硅合金也是一种较为理想的高温相变储热材料。铝硅系合金中硅是主要合金化元素，在铝合金中加硅，能显著改善合金的流动性，降低合金的热膨胀系数，减少热裂倾向，减轻合金比重，提高耐磨性、高温强度、刚度、疲劳强度和提高气密性。铝硅合金在577°C发生共晶反应，生成含硅量为12.6%的铝硅共晶体。按合金中硅含量的多少，铝硅系合金可分为三类:亚共晶(Si，8-10%)，共晶合金(Si，11-13%)和过共晶合金(Si，14-26%)铝硅合金。共晶和亚共晶型铝硅合金具有较好的力学性能、铸造性能和切削性能。铝硅合金的传统生产方法有熔配法、电热还原法。熔配法是利用固体工业硅块和铝锭，重熔后在液态按比例混合熔配。电热还原法是用合适的含铝矿物和还原剂，在电热炉中还原获得粗铝硅合金，再经精炼和成分调配，得到所需的铝硅合金。电热法生产铝硅合金的冶炼温度大约在2000°C左右。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。目前公开的专利中涉及铝硅合金生成方法的有:专利CN1614043公开了一种使用铝钒土、硅石、煤、铁屑为原料，在3500KVA矿热炉内生产硅铝铁合金的方法。该方法主要包括选料、配料，熔炼、出炉浇铸等工序，原料配比为铝钒土:硅石:煤:铁屑=46: 2.5: 45: 6.5均匀混合，在熔炼步骤中，将配料步骤中所配的炉料一次性加入矿热炉内熔炼。专利CN1757779公 开了一种铝硅合金制造新工艺。该工艺主要是将氧化铝、碳质还原剂粉碎烘干，去除原料中的铁份，按成品合金中铝、硅成分含量要求计算出生产中所需氧化铝、硅石及碳质还原剂的重量，搅拌，轧制成球团。将球团与硅石及碳质还原剂按比例配制均匀后，入炉2 3小时即可出炉，倒入铸模中铸成铝硅合金锭成品。专利CN1657640公开了一种用粉煤灰为原料生产铝硅铁合金的方法。该方法以粉煤灰为原料，以煤泥和石油焦为还原剂，粉煤灰重量百分比含量为50 70%，煤泥和石油焦重量百分比含量为20 40%，加入重量百分比含量为5 8%废纸浆液和重量百分比含量为I 4%钡|丐复合添加剂。专利CN101476047公开了一种从含铝原料中制备金属铝的方法。该方法是从含A1203、Si02、Fe203的原料中，通过碳热还原得到铝硅铁合金，再通过金属锌熔液浸出，得到锌铝合金和锌硅铁合金，合金通过真空蒸馏得到金属铝、锌和铝硅合金。此外一些专利主要集中于往铝硅合金中添加特定量的特定元素，或进行特定的处理，以获得所需性能的铝硅合金，例如:专利CN1847429公开的方法是采用工业生产中铸造铝合金的一般工艺进行生产，合金锭熔清后采用Sr+B联合熔体处理，细化组织中的共晶硅和枝晶团，从而获得高的力学性能；专利CN 1752249是在过共晶铝硅合金中添加适量的Cu、B1、P、Sr、RE等元素，产生高的耐磨性和较好的自润滑性，并通过热处理获得高的硬度；专利CN101560620是将铝加热熔化，加入其它金属，熔化，加入变质剂，加入精炼剂精炼或吹氩气精炼，然后晶形浇注和热处理；专利CN1877821是将工业纯铝及高纯硅按一定的质量百分比制备成铝硅合金粉末，再将其进行球磨，挤压；专利CN101456122是用纯铝、硅和稀土合金熔炼得到预制合金，用真空感应炉熔炼，再进行喷射、挤压、冷轧；专利CN102191392以AlTilO中间合金和磷盐为复合变质剂，工业纯铝和质量分数为99.7%的结晶硅为基体，经过精炼，变质处理和细化晶粒，从而改善该材料的性能；
根据2011年6月2日出版的中国有色金属报报道，登电集团铝合金公司研发出了液态铝、液态硅直接熔配铝硅合金工艺，并且已经探索出了符合国内原料、设备特点的系统工艺。目前登电集团铝合金公司正在继续完善该项工艺，同时计划申报相关成果和专利。此夕卜，东北大学正在进行碳热还原法制取铝·硅合金的研究，初步认为在以氩气作为保护气体的真空碳管炉内，铝硅合金的冶炼温度在2000°C左右。
发明内容
本发明提供一种用冶金法从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法。以一水硬铝石型铝土矿为原料，石墨作为还原剂，无水氯化铝作氯化剂，直接提取铝硅合金，具有原料易得、反应温度低、流程短、工艺简单、易于操作、成本低、对环境无污染等特点。本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法按如下步骤完成:
(1)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以石墨为还原剂，以无水氯化铝作氯化剂，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照C和二氧化硅的摩尔比2 3:1均匀混合；或者是按照C和氧化铝按摩尔比为3 5:1均匀混合；
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧；
(3)将步骤(2)中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水
氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金。所述石墨和无水氯化铝均为分析纯。所述一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为=Al2O3 54.6 57.8wt%, SiO2 23
25.lwt%, Fe2O3 1.6 1.9wt%,此外还含有Ca、Mg等金属氧化物。所述煅烧的条件为:在压力≤20Pa时，以10 20°C /min升温速率升温至 1450 1550°C进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应0.5h lh。所述氯化还原反应的条件为为压力在15 30Pa的条件下，以5 10°C / min升温速率升温至176 183°C后保温0.5h lh，无水氯化铝开始升华成气体，进入铝土矿与石墨反应的坩埚内进行氯化反应。所述步骤(4)中最终制得的铝硅合金的成分及百分比为:铝80 92.2wt%，硅7
22.7wt%,铁 0.45 0.6wt%,杂质总和≤ 0.9wt%。本发明的优点和积极效果为:本发明是一种冶金法从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法，其制备条件在中真空下，温度为1450 1550°C，其意义在于以一水硬铝石型铝土矿为原料，利用石墨作还原剂，无水氯化铝作氯化剂，直接提取铝硅合金，与现有技术相比具有原料易得、反应温度低、流程短、工艺简单、易于操作、成本低、对环境无污染等特点。
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施例方式实施例1:如图1所示，本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法为:
(I)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化齐U，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照c和二氧化硅的摩尔比2:1均匀混合；(一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为:A1203 56.5wt%, SiO2 24.7wt%,Fe2O3 1.77wt%，此外还含有Ca、Mg等金属氧化物)
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧，在压力为20Pa时，以10°C /min升温速率升温至1450°C时进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应0.5h ；
(3)将步骤(2)中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应，压力在15Pa的条件下，以10°C / min升温速率升温至176°C后保温Ih ；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金，成分及百分比为:铝80wt%,娃 19wt%,铁 0.45wt%,杂质总和 0.55wt%。实施例2:如图1所示，本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法为:
(I)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化齐U，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照C和二氧化硅的摩尔比2.5:1均匀混合；(一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为:Al2O3 54.6wt%, SiO2 25.lwt%, Fe2O3 1.9wt%，此外还含有Ca、Mg等金属氧化物)
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧，在压力为18Pa时，以15°C /min升温速率升温至1480°C进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应0.8h。；
(3 )将步骤(2 )中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应，压力在18Pa的条件下，以8°C / min升温速率升温至179°C后保温0.Sh ；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金，成分及百分比为:铝85wt%,娃 13.5wt%,铁 0.6wt%,杂质总和 0.9wt%。。实施例3:如图1所示，本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法为:
(I)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化齐U，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照C和二氧化硅的摩尔比3:1均匀混合；(一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为=Al2O3 57.8wt%, SiO2 23wt%, Fe2O3 1.6wt%，此外还含有Ca、Mg等金属氧化物)
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧，在压力为19Pa时，以20°C /min升温速率升温至1550°C进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应Ih ；
(3)将步骤(2)中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应，压力在30Pa的条件下，以5°C / min升温速率升温至183°C后保温0.5h ；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金，成分及百分比为:铝92.2wt%,娃 6.5wt%,铁 0.4wt%,杂质总和 0.9wt%。实施例4:如图1所示，本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法为:(I)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化齐U，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照按照C和氧化铝按摩尔比为3:1均匀混合；(一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为=Al2O3 55.2wt%, SiO2 24wt%，Fe2O3 1.68wt%，此外还含有Ca、Mg等金属氧化物)
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧，在压力为20Pa时，以12°C /min升温速率升温至1520°C进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应 0.6h ;
(3)将步骤(2)中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应，压力在20Pa的条件下，以6°C / min升温速率升温至183°C后保温0.5h ；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金，成分及百分比为:铝92.2wt%,硅 7wt%,铁 0.4 5wt%,杂质总和为 0.35wt%。实施例5:如图1所示，本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法为:
(I)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化齐U，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照按照C和氧化铝按摩尔比为3.5:1均匀混合；(一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为=Al2O3 54.6wt%, SiO2 24wt%, Fe2O3 1.8wt%，此外还含有Ca、Mg等金属氧化物)
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧，在压力为16Pa时，以20°C /min升温速率升温至1530°C进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应0.9h ；
(3)将步骤(2)中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应，压力在30Pa的条件下，以8°C / min升温速率升温至180°C后保温Ih ；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金，成分及百分比为:铝80wt%,娃 19.3wt%,铁 0.68wt%,杂质总和< 0.llwt%。实施例6:如图1所示，本发明的一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法为:
(I)以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化齐U，将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照C和二氧化硅的摩尔比2 3:1均匀混合；或者是按照C和氧化铝按摩尔比为5:1均匀混合；(一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为=Al2O355.8wt%, SiO2 25wt%, Fe2O3 1.75wt%，此外还含有 Ca、Mg 等金属氧化物)
(2)将步骤(I)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧，在压力为17Pa时，以19°C /min升温速率升温至1450°C进行煅烧使物料中的铝土矿与石墨发生碳热反应0.7h ；
(3)将步骤(2)中煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入铝土矿与石墨混合物中内进行氯化还原反应，压力在2 8Pa的条件下，以6°C / min升温速率升温至183°C后保温0.6h ；
(4)将步骤(3)被还原出的铝硅合金冷凝，冷凝后得到铝硅合金，成分及百分比为:铝78wt%，硅 20.7wt%，铁 0.58wt%,杂质总和 0.72wt%。
权利要求
1.一种从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法，其特征在于具体步骤包括如下: (1)将石墨和一水硬铝石型铝土矿按照C和二氧化硅的摩尔比2 3:1均匀混合；或者是按照C和氧化铝按摩尔比3 5:1均匀混合； (2)将步骤(1)中的混合料压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧； (3)将步骤(2)中煅烧后的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，气体混入混合料中进行氯化还原反应； (4)将步骤(3)被还原出的混合料冷凝后得到铝硅合金。
2.根据权利要求1所述的从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法，其特征在于:所述一水硬铝石型铝土矿的成分及百分比为:Al2O3 54.6 57.8wt%，SiO2 23 .25.1wt%，Fe2O3 1.6 1.9wt%，此外还含有Ca和Mg的金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法，其特征在于:所述煅烧的条件为在压力≤20Pa时，以10 20°C /min升温速率升温至1450 1550°C进行煅烧使物料中的招土矿与石墨发生碳热反应0.5h lh。
4.根据权利要求1所述的从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法，其特征在于:所述氯化还原反应的条件为压力在15 30Pa的条件下，以5 10°C / min升温速率升温至176 183°C后保温0.5h lh。
5.根据权利要求1所述的从一水硬铝石型铝土矿中制备铝硅合金的方法，其特征在于:所述步骤(4)中最终制得的铝硅合金的成分及百分比为:铝80 92.2wt%,硅7 .22.7wt%，铁 0.45 0.6wt%,杂质总和≤ 0.9wt%。
全文摘要
本发明涉及一种从一水硬铝石型铝土矿制备铝硅合金的方法，属于冶金技术领域。以一水硬铝石型铝土矿为原料，以分析纯石墨为还原剂，以分析纯的无水氯化铝作氯化剂，将石墨和一水硬铝石型铝土矿均匀混合，压制成型后在真空条件下对混合料进行煅烧；然后将煅烧后的铝土矿和石墨的混合料冷却至常温，再将无水氯化铝置于混合料下部，然后加热使无水氯化铝开始升华成气体，进入铝土矿与石墨反应的坩埚内进行氯化还原反应；将被还原出的铝硅合金冷凝后得到铝硅合金。本发明具有原料易得、反应温度低、流程短、工艺简单、易于操作、成本低、对环境无污染等优点。
文档编号C22B5/10GK103103353SQ20131002577
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者杨斌, 郁青春, 李艳, 徐宝强, 刘大春, 蒋文龙, 马文会, 戴永年, 王飞, 邓勇, 秦博, 曲涛, 熊恒 申请人:昆明理工大学