专利名称：利用铝渣制造合金的方法
技术领域：
本发明是关于利用铝渣制造合金的方法。
铝合金可以大致区分为通过氧化铝电解而制得的新的锭状合金和由回收材料制得的再生合金，前者主要用于板材、罐材等，后者可用于压铸件、铸造用材料、炼铁和炼钢用的铝系脱氧剂等。
近年来，在利用石油火力发电等电力成本比较高的国家中已经基本上停止采用电解法来精炼铝，而改由电力成本较低的国家进口铝材，自己只生产某些必要成分的合金，但是包括再生铝在内，需要将铝熔化这一点没有任何变化。在这个熔化工艺过程中，一般要产生3～5%的铝浮渣，通常，铝浮渣中含有40～60%的金属铝。目前已知的有效利用这些铝浮渣的方法仅仅是进行粉碎、筛分、分离出铝的品位较高的部分，将其重新熔炼，回收其中的铝，至于回收后剩下的残渣，也就是铝渣，尚未听说对其重新利用的方法。
这种铝渣，依粒度大小不同其金属铝的含量各异。最近，由于炼钢和炼钢工艺中吹炼技术的进步，粒度在1毫米以下、金属铝含量较高(30～50%)的铝渣已在促进脱硫、脱氧和升温等方面得到了新的应用。
另一方面，粒度在100目以下、金属铝含量较低(20%以下)的铝渣只有一部分得到利用，在钢铁冶炼过程中代替萤石用作造渣剂。
然而，在最近发展起来的铁水包(LF)精炼技术中，上述金属铝的含量较低的铝渣由于含有氮，因而其使用范围受到很大限制，这样的铝渣大部分不能得到重新利用。不能重新利用的铝渣被作为工业废料进行处理，但这些工业废料中含有氮化铝(AlN)，与水接触会产生氨，带来一系列问题。目前，管理型的最终处理场比较少，处理费用高涨，因此企业的经营管理受到很大压力，这是制铝工业所面临的一个严峻的问题。
本发明就是为了解决上述问题而进行的，其目的是提供利用铝渣制造合金的方法，即有效地利用工业废弃物-金属铝含量较低的铝渣来制造铝合金。
为了解决上述课题，作为第一项发明的利用铝渣制造合金的方法，其主要技术特征是将由铝渣的成形物、以二氧化硅为主要成分的块状原料和块状碳还原剂组成的混合物加入电炉中，通过熔融还原反应生成铝-硅合金。
作为第二项发明的利用铝渣制造合金的方法，其主要技术特征是将由铝渣、以二氧化硅为主要成分的原料和碳还原剂构成的混合物加工成型，将所得成形物加入电炉中，通过熔融还原反应生成铝-硅合金。
作为第三项发明的利用铝渣制造合金的方法，其主要技术特征是在上述第一项发明或第二项发明的混合物中进一步添加氧化铁。
作为第四项发明的利用铝渣制造合金的方法，其主要技术特征是在上述第一项至第三项发明中的任一混合物中进一步添加电石渣和生石灰中的一种或两种，从而制成铝-硅-钙合金。
作为第五项发明的利用铝渣制造合金的方法，其主要技术特征是将采用上述第一项至第三项发明中的任一种方法制得的铝-硅合金进行晶析分离提纯，以提高合金中铝的含量。
本发明中使用的铝渣、以二氧化硅为主要成分的原料以及碳还原剂，可以分别加工成成形物或块状，或者也可以将这三种物料混合后成形，使用所得到的成形物。以块状或成形物的形式使用是为了高效率地进行高温熔融还原反应，另外，也是为了改善反应过程中产生的气体的透气性，并使同时生成的铝、硅、铝-硅等蒸气状的金属附着在成形物的表面上予以回收。成形物、块状物的大小没有特别的限制，一般地说，20～100毫米大小易于处理，比较理想。如果把它们制成粉末使用，送入电炉时会由于高温气流的作用而四处飞散，给操作带来很大困难。
本发明中使用的铝渣是金属铝熔化时在熔融铝的表面上生成的物质，通常用球磨机等设备将其粉碎，所得粉状物用旋风式集尘器收集起来。这种铝渣的粒度通常在100目以下，金属铝的含量不到20%。
本发明中使用的以二氧化硅为主要成分的原料，例如可以是硅石、硅砂、粘土、膨润土等矿物，二氧化硅的品位最好是在94%以上。在这些矿物中如果使用粘土、膨润土，在将铝渣与碳还原剂一起成形的情况下，它们还可以起粘结剂的作用，十分方便。
本发明中使用的碳还原剂，例如可以是无烟煤或焦炭等。此外，在使用混合成形物的情况下，也可以采用焦粉、碳粉。
据推测，氧化铝的还原反应是按下述反应过程进行的
由②式和③式得到下面的④式在有二氧化硅存在的情况下，在①式的反应之前发生下面⑤式的反应，按照⑥式生成铝-硅合金
另外，在Al2O3-SiO2-C体系中加入氧化铁而形成的体系(第三项发明)中，在比较低的温度下氧化铁被还原，在氧化铝的还原过程中由于金属铁的存在而使铝的活度降低。因此，反应过程不经过生成Al4C3的阶段，而是在比不含铁的体系低大约100℃的温度下按⑦式进行。
Al4O4C(熔体)+3C(固体)→4Al(固体)+4CO……⑦在本发明中，要想得到富铝的铝-硅合金，适宜的配料为铝渣中的Al2O350～60%，SiO240～50%，相对于100份这两种材料来说，碳还原剂的C为35～40份。如果想要得到富硅的合金，只要把氧化铝和二氧化硅的比例颠倒过来就行了。
在第四项发明中使用的电石渣，如所周知，是以氧化钙、碳化钙等为主要成分的物料。
另外，在第五项发明中进行的晶析分离。是指将合金制成熔融液，通过过滤提高合金中含铝量的操作。
按照第一至第四项发明制得的铝合金，例如可以用于炼钢工艺过程中。举例来说，可以在没有电弧加热装置的LF精炼炉中作为升温剂，或者在通常采用过氧化操作的电炉炼钢过程中作为脱氧剂，以高效率和低成本去除钢中残留的氧。
按照第五项发明制得的铝合金，其铝含量比较高，因此，举例来说，可以用来作为铸造用铝的母合金。
下面说明本发明的实施例。
实施例1实施例1是第一项发明的一个例子。将表1所示成分的100目以下的铝渣加工成形得到的40×40×25毫米的压块成形物、表1所示成分的20～50毫米大小的块状硅石、表1所示成分的20～50毫米大小的块状无烟煤，按照Al2O3∶SiO2∶C＝40∶33∶27的重量比连续地加入一个生产碳化物用的电炉中，该电炉设有3根直径为1400毫米的自耗电极，变压器的容量为30，000千伏安，电极的埋入深度约为1米，电弧区中温度保持在2200～2400℃，在这些条件下进行熔融还原。加入的铝渣成形物达到170吨时，可以制得100吨Al-Si-Fe合金。原料的化学成分
单位重量%)所得到的合金的成分为Al43.2%、Si39.2%、Fe15.2%、C0.49%、S＜0.01%、P0.03%、N0.02%、Ti0.59%、Cr0.50%、Mn0.23%、Ca0.17%、Mg0.11%、其它(Ni、Zn、Cu、Sn、Pb)。
所得合金的成分中，铁的含量高于反应理论值，这是因为在熔融还原反应过程中钢制的电极支柱(壳体材料)受热而熔损脱落以及生成的金属熔融液出料时用的钢制放液材料熔入其中所致。另外，生产每一吨合金消耗的电力平均为13000千瓦小时(KWH)。
实施例1中制得的铝合金可以应用于钢铁工业中，在转炉或没有电弧加热装置的LF精炼炉中作为升温剂，或者在通常采用过氧化操作的电炉炼钢工艺过程中作为脱氧剂，脱除钢中残留的氧。
下面叙述实施例2，该实施例是第二项发明的一个例子。
实施例2在上述实施例1所描述的原料中，将硅石粉碎至50目以下用以代替块状的硅石，用粉末状的无烟煤代替块状无烟煤，按照与实施例1相同的成分配比，使用纸浆废液作为粘合剂，制成由铝渣、硅石和无烟煤构成的压块(40×40×25毫米)，其常温强度为100千克/厘米2以上。将这些压块送入电炉，在与实施例1相同的条件下进行熔融还原。按照被混合的铝渣重量计算，当送入的压块中的铝渣重量达到160吨时，可以制得100吨Al-Si-Fe合金。所得合金的成分与实施例1大致相同。与实施例1相比，生产每一吨合金的电耗降低了1500千瓦小时。另外还发现，还原部分收得率提高了。因此，从实用化的大批量生产的角度来说，实施例2的方法更为可取。
实施例2所制得的铝合金，其用途与实施例1相同。
下面叙述实施例3，该实施例是第三项发明的一个例子。
实施例3在上述实施例2的原料配比中另加10%的铁鳞粉(T-FeO 93.9%)，制成压块，送入电炉，在与实施例1相同的条件下进行熔融还原。结果发现，所得合金成分中的Fe比实施例1增加了5.2%，同时，生产每一吨合金的电耗降低了1800千瓦小时。这一结果表明，添加氧化铁具有促进Al2O3-SiO2体系还原的作用。
实施例3所得到的铝合金，其用途与实施例1相同。
下面叙述实施例4，该实施例是第四项发明的一个例子。
实施例4为了制造含有钙的铝合金，除了上述实施例1中使用的原材料外，再添加10%以CaO、C、CaC2等为主要成分的电石渣，进行熔融还原，得到下列成分的Ca-Al-Si-Fe合金Al 41.2%、Si 36.5%、Fe 14.8%、Ca 5.8%。
在钢的实用脱氧剂中，最有效的是金属钙，但金属钙单独使用时不够稳定，因此一般是制成合金使用。另外，钙-硅合金在脱氧的同时还具有使钢中的脱氧产物-氧化铝、铁尖晶石(ハ一シナィト)等高熔点化合物球化的作用，即具有控制钢中的非金属夹杂物形态的能力。因此，实施例4中制得的合金可以用来作为钢的实用脱氧剂。
最后，说明实施例5，该实施例是第五项发明的一个例子。
实施例5使用上述实施例1得到的Al-Si-Fe合金，利用晶析分离机提高该合金中的铝含量。晶析分离机的结构是，下部具有加热保温和减压功能，用于接收已过滤的合金的铁水包可以放入和取出，其上部具有一定的容积，用于接收从电炉排出的熔融合金，上半部分的底部是由具有耐火性的过滤材料构成。将900℃左右的熔融合金导入该晶析分离机的上部容器，将其下部减压至680毫米汞柱，这样，总量的大约30%被过滤，进入下部的铁水包中。经过过滤的合金，铁的含量降低，铝的含量增加。
将1000千克实施例1所得到的熔融合金导入晶析分离机中，将其下部减压，可以得到250千克高品位的Al-Si合金，其成分为Al 76.5%、Si 20.3%、Fe 2.4%。合金中铝的含量从43.2%猛增至76.5%。
实施例5所得到的铝合金，由于铝的含量较高，可以用来作为铸造用铝的母合金材料。
如同以上实施例所述，本发明实现了将以往作为工业废弃物的100目以下的铝渣(金属铝含量不到20%)转变成铝合金这一最终的再循环。而且，利用本发明的方法制得的铝合金可以在钢铁工业等领域中得到有效的利用。因此，本发明对于铝资源的重复利用起到了决定性的作用。
不言而喻，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明宗旨的范围内，可以对其进行各种改进。
如同以上所详细说明的那样，采用本发明的铝合金制造方法，可以充分地利用以往作为工业废料的含铝量很低的铝渣，将其制成铝合金，从而减少了以往困扰铝工业的铝渣废料的处理费用，不仅如此，从资源的有效利用的观点来看，还实现了非常理想的废料回收利用的再循环体系。
权利要求
1.利用铝渣制造合金的方法，其特征在于将由铝渣的成形物、以二氧化碳为主要成分的块状原料以及块状的碳还原剂组成的混合物送入电炉中，通过熔融还原反应生成铝-硅合金。
2.利用铝渣制造合金的方法，其特征在于将由铝渣、以二氧化硅为主要成分的原料和碳还原剂组成的混合物加工成形，将制成的成形物送入电炉内，通过熔融还原反应生成铝-硅合金。
3.权利要求1或2所述的利用铝渣制造合金的方法，其特征是在上述混合物中进一步添加氧化铁。
4.权利要求1-3中任一项所述的利用铝渣制造合金的方法，其特征是在上述混合物中进一步添加电石渣和生石灰中的一种或两种，从而制成铝-硅钙合金。
5.利用铝渣制造合金的方法，其特征是按照权利要求1-3中任一项所述的方法，利用铝渣制成铝-硅合金，对所得到的铝硅合金进行晶析分离提纯，提高合金中铝的含量。
全文摘要
提供了有效地利用作为工业废弃物的铝含量很低的铝渣制造铝合金的方法。将铝渣的压块成型物、块状硅石以及块状无烟煤，按Al
文档编号C22B7/04GK1088622SQ93114678
公开日1994年6月29日 申请日期1993年11月16日 优先权日1992年11月16日
发明者丰田哲夫 申请人:名星化工株式会社