NO772803L - Fremgangsmaate til fremstilling av aluminium-silisium-legeringer ved karbotermisk reduksjon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår aluminium-silicium-legeringer og mer spesielt karbotermisk fremstilling av slike legeringer.

Konvensjonelt fremstilles aluminium-silicium-legeringer

ut fra relativt rent silicium og rent handélsaluminium fremstilt elektrolytisk av alumina, som i sin tur erholdes av bauxitt.

Denne metode er imidlertid vanligvis kostbar.

Da bauxittforekomstene etterhvert minker og prisen på bauxitt øker,.er det blitt gjort betydelige forskningsarbeider med henblikk på å utvikle mer økonomiske metoder for fremstilling av aluminium, særlig aluminium-silicium-legeringer, fra andre kilder. Fra teknikkens stand er det kjent at aluminium-silicium-legeringer kan fremstilles ut fra naturlig forekommende alumina-silika-holdig malm ved tilsetning av karbon og karbotermisk reduksjon av blandingen i en ovn. Eksempelvis beskriver Seth et al i US-patent 3 661 56 2 at aluminium-silicium-legeringer kan fremstilles av alumina^silika-malm i sjaktovn. Man foretrekker imidlertid å anvende malmer som inneholder 50-70% alumina eller mer. Forekomstene av sådan aluminia-rik malm er temmelig begrenset,

slik at produktet er relativt kostbart. Videre beskriver Ilinkov et al i US-patent.3 89 2 558 et brikettert materiale til bruk ved fremstilling av aluminium-silicium-legeringer i en elektrisk lysbueovn. Briketten inneholder et karbonholdig reduksjonsmiddel, kaolin, alumina og disthen-sillimanitt. Ifølge patentskriftet letter dette brikettmaterialet sintring av chargen på toppen av malmbehandlingsovnen og letter driften av ovnen uten dannelse av lufthull og ras i chargen. Da imidlertid alumina må tilveiebringes og da reduksjonen utføres i en elektrisk lysbueovn, er også denne prosess en uøkonomisk fremgangsmåte til fremstilling av aluminium-silicium-legeringer.

Sammenlignet med fremstilling av aluminium av malmer med høyt aluminainnhold har den karbotermiske fremstilling av aluminium av alumina-silika-hoIdige malmer med relativt lavt aluminainnhold, f.eks. anorthositt, vist seg å være vanskelig og resulterer vanligvis i meget dårlig utbytte når konvensjonelle fremgangsmåter anvendes. Slike malmer, eksempelvis anorthositt,. som riktignok har lavt aluminainnhold, utgjør imidlertid de rik-holdigste kilder for aluminium. Det er således et stort behov for en prosess som gjør det mulig å utvinne aluminium fra slike malmer på en økonomisk måte. Den foreliggende oppfinnelse opp-fyller dette behov, idet den tilveiebringer en meget økonomisk prosess som kan anvendes for fremstilling av aluminium fra materialer med lavt aluminainnhold.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte til karbotermisk reduksjon av alumina-og silika-holdige materialer under dannelse av aluminium-silicium-legeringer, og fremgangsmåten erkarakterisert vedat (a)

man tilveiebringer silika- og alumina-holdige materialer i en blanding med et vektforhold mellom silika og alumina innen området 0,5-1,1; (b) tilveiebringer i nevnte blanding et karbonholdig materiale for reduksjon av alumina og silika i blandingen;

og (c) reduserer alumina- og silika-innholdet i blandingen karbotermisk under dannelse av en aluminium-silicium-legering. Ifølge

en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen kan alumina/silika-forholdet reguleres ved tilsetning av bauxitt. Ifølge en- annen

utførelsesform kan forholdet reguleres ved fjerning eller tilsetning av silika.

Det vises nå til tegningen.

Diagrammet illustrerer utbyttet av aluminium-silicium-leger ing som erholdes av kombinasjoner av anorthositt (25 vekt% alumina og 55 vekt%. silika) og bauxitt (50 vekt% aluminia og 2 vekt% silika) ved reduksjon i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Ifølge oppfinnelsen kan aluminium-silicium-legeringer fremstilles av.alumina-silika-holdige materialer, så som malmer, f.eks. ved at malmen anvendes i en blanding hvor vektforholdet mellom silika og alumina er innen området 0,5-1,1, det tilsettes et karbonbasert materiale, hvoretter blandingen reduseres karbotermisk under dannelse av aluminium-silicium-legeringen. Alumina-og silika-holdige materialer innbefatter malmer så som anorthositt, nefelin, dawsonitt, bauxitt, lateritt og skiferleire. Andre materialer som kan anvendes som kilde for alumina, er aske og kull-residuer. De nevnte alumina-silika-holdige materialer, og andre materialer som kan anvendes i henhold til oppfinnelsen, er opp-stillet i nedenstående tabell sammen med typiske verdier for sammensetningen, regnet i vekt%.

Det vil sees at materialer så som anorthositt, nefelin, leucitt og dawsonitt, inneholder betydelige mengder CaO, MgO,

Na20 og J^O. Videre bemerkes at anorthositt, som består av en blanding av anorthitt (CaOAl2032Si02) og albitt (NaAlSi-jOg) er en foretrukken kilde for alumina i henhold til oppfinnelsen.

Når eksempelvis en malm anvendes, i henhold til den foreliggende oppfinnelse, males denne fortrinnsvis tii en kornstør-relse innen området -14 til -200 (Tyler-serien), helst innen området -28 til -100 (Tyler). Før det alumina-silika-holdige materiale tilberedes med vektforhold innenfor det.ovennevnte område, foretrekker man å underkaste materialet en innledende oppredning eller mekanisk separasjon, f.eks. en fIotasjonsprosess eller en synke-flyte-separasjon eller en magnetisk separasjon, for rens-ningsformål. Når malmen eksempelvis er anorthositt, foretrekker man å underkaste den en rensebehandling med saltsyre for å fjerne kalsiumoksyd (CaO) og natriumoksyd (Na20) og lignende. Ved en slik behandling bør saltsyren, ha en konsentrasjon innen området 5-20 vekt%, og temperaturen bør ligge innen området 60-100°C. En typisk tid for sådan behandling ligger innen området 0,5-3 timer. Etter behandlingen kan malmen vaskes med vann.

For oppnåelse av en økonomisk karbotermisk reduksjon av det alumina-silika-holdige materiale og dermed et høyt utbytte av aluminium-silicium-legering må. silika-alumina-innholdet i materialet, uttrykt ved vektforhold, falle innenfor området 0,5-1,1

og fortrinnsvis innenfor området 0,7-1,0, og et meget hensikts-messig forhold er ca. 0,9. Forholdet 0,7-1,0 foretrekkes av flere grunner. Med et forhold lavere enn 0,7 er det en tendens til dannelse av aluminiumkarbid, hvilket nedsetter.det samlede utbytte. Med høyere forhold, dvs. med større mengder silika,

vil reguleringsmengden for tilveiebringelse av en malm som faller . innenfor det foretrukne område med hensyn til ovennevnte forhold, avta sterkt, særlig når silikainnholdet er høyt, som i aluminafattige malmer. Dette betyr at de relativt høye silika/alumina-forhold er langt de gunstigste sett fra økonomisk synspunkt. De relativt høye forhold gir dessuten høyere produktutbytter.

For materialer med lavt aluminainnhold, eksempelvis anorthositt, eller lavt silikainnho.ld, eksempelvis bauxitt, kan silika/alumina-forholdet reguleres slik at det faller innenfor det ovenfor nevnte vektforhold. Materialer med lavt aluminainnhold er i denne forbindelse av den type som har et aluminainnhold under 35 vekt%, og som typisk har et aluminainnhold innen området 8-35 vekt%. Slike materialer med lavt aluminainnhold har normalt et silikainnhold mellom 25 og 65 vekt%. Hvis anorthositt, som har et silika/aluminå-forhold på ca. 2,15, anvendes som utgangs-materiale, kan dette forhold reguleres slik at det kommer innenfor ovennevnte område ved tilsetning av en alumina-rik malm, dvs. fortrinnsvis med lavt silikainnhold,. f. eks. bauxitt. Den bauxitt

• som anvendes for sådan regulering, bør fortrinnsvis inneholde minst 35 vekt% alumina. Videre bør bauxitten fortrinnsvis inneholde

alumina innen området 40-55 vekt% og silika innen området 0,1-15 vekt%. Videre foretrekker man at det foreligger betydelige mengder jernoksyd enten i det materiale som anvendes for'reguleringen, eksempelvis bauxitt, eller i utgangsmaterialet. Typisk kan jernoksyd foreligge i en mengde innen området 0,5-30 vekt%. Nærværet av jernoksyd resulterer i at jern vil foreligge i legeringen, hvilket antas å senke legeringens flyktighet under fremstillingen., hvilket resulterer i høyere produktutbytter. Rensende former av materialer som er alumina-rike, eksempelvis bauxitt, kan også anvendes, men på en langt mindre foretrukken basis på grunn av dé ekstra trinn og utgifter som rensningen innebærer, og fordi det utbytte som oppnås, normalt er lavere.

En annen metode til regulering av forholdet slik at det faller innenfor ovennevnte område, er å fjerne silika, f.eks.

ved fysikalsk oppredning eller ved utluting. Eksempelvis kan alfa-kvarts, som utgjør en stor prosentvis andel av det silika som foreligger i anorthositt, fjernes i en grad som minimerer dens virkning, ved at malmen behandles med flussyre. For det for-mål å fjerne silika bør flussyren ha en konsentrasjon innen området 1-10, vekt%. Utlutingsoppløsningens temperatur bør som ved saltsyrebehandlingen være innen området 60-100°C, og utlutings-tiden bør være innen området 0,5-3 timer. Ved anvendelse av flussyre for utluting av anorthositt kan silika/alumina-vektforholdet senkes fra 2,2 til 1,4 med en 10 vekt%'s HF-oppløsning ved 100°C i løpet av 1 time. Den mengde aluminarik malm som vil være påkrevet for oppnåelse av det ønskede forhold, senkes således* betydelig. Syreutlutingstrinnet for fjerning av silika. kan kom-bineres med det forutgående utlutingstrinn for fjerning av alkali-og jordalkalimetalloksyder.

Når det gjelder leirskifer eller flyveaske, kan silika-innholdet senkes ved utluting med eksempelvis flussyre, slik at det ønskede silika/alumina-forhold oppnås. Det bemerkes at de relativt høye forhold er meget gunstige når det gjelder utluting av silika, da utlutingsgradén nedsettes betydelig.

Ifølge en ytterligere metode til å tilveiebringe ovennevnte silika/alumina-vektforhold kan silika tilsettes. Hvis det eksempelvis anvendes bauxitt med et silika/alumina-vektforhold innen området 0,02-0,05 som det alumina-silika-holdige materiale, kan en kilde for silika tilsettes slik at det ønskede vektforhold oppnås...

Det vil forståes at en kombinasjon av disse trinn for regulering av silika/alumina-vektforholdet kan anvendes. Det vil si at malmen, f.eks., kan utlutes delvis for fjerning av silika, og deretter kan bauxitt tilsettés til den delvis utlutede malm slik at silika/alumina-vektforholdet kommer innenfor det ønskede område.

For reduksjonsformål blir det hensiktsmessig.tilberedt en blanding som inneholder silika og alumina i detønskede forhold., samt karbonholdig materiale. Denne blanding bør inneholde 15-30 vekt% karbonholdig materiale basert på karboninnholdet i materialet, fortrinnsvis 19-23 vekt%. Når det anvendes alumina-silika-holdige materialer så som skifer, kan det foreligge en viss mengde karbonholdig materiale i skiferen, hvorved mengden av reduksjonsmateriale som skal tilsettes, nedsettes. Det nevnte karbonholdige materiale kan være koks, fortrinnsvis•metallurgisk koks, da dette, har høy porøsitet som er gunstig for reduksjons-reaksjonen.

Blandingen, som fortrinnsvis anvendes i form av briketter, kan reduseres i en sjaktovn eller elektrisk ovn, fortrinnsvis den førstnevnte da denne er fordelaktigst økonomisk sett. For reduksjonsformål og oppvarmning i en sjaktovn bør blandingen således inneholde 55-90 vekt% karbon. Det vil si at det i tillegg til det karbonholdige materiale som anvendes for reduksjonen, anvendes 40-60 vekt% karbonholdig materiale for oppvarmningsformål i sjaktovnen.

Når det alumina-silika-holdige materiale er oljeskifer, foretrekker man å fjerne materialer så som.flyktige hydrokarboner. Før reguleringen av silika/alumina-forholdet foretrekker man således å behandle skiferen med sikte på å fjerne slike materialer.

Slike behandlinger kan innbefatte fysikalsk eller kjemisk oppredning og karbonisering for fjerning av de flyktige stoffer og forkoksning av det karbonholdige materiale. Som nevnt vil koks som allerede foreligger i skiferen, nedsette mengden av reduksjonsmateriale som skal tilsettes.

Det vil således sees at den foreliggende oppfinnelse

er meget fordelaktig, da den muliggjør bruk av aluminafattige malmer for fremstilling av aluminium på økonomisk tilfredsstil-lende måte. Videre medfører oppfinnelsen den fordel at det ikke er nødvendig å tilsette materialer så som elementært silicium eller metaller så som jern eller intermetalliske komplekser eller legeringer inneholdende slike materialer. Det vil si at chargen eller utgangsmaterialet som tilføres ovnen, kan være fritt for slike materialer, og likevel kan aluminiumproduktet oppnås med høyt utbytte i henhold til oppfinnelsen.

De følgende eksempler vil ytterligere belyse oppfinnelsen.

EKSEMPEL 1

Anorthositt inneholdende 25% alumina og 55% silika, og bauxitt inneholdende 49,8% alumina, 1,67% silika, 15,8% jernoksyd (Fe-jO^) , begge materialer malt til partikkelstørrelser tilsvarende

-28 (Tyler) , ble blandet med petrolkoks' malt til partikkelstør-relser tilsvarende -100 mesh (Tyler)., Anorthositten og bauxitten ble anvendt i slike mengder at det erholdtes blandinger med silika/- alumina-forhold som angitt i tabellen nedenfor. Hver blanding ble oppvarmet i en elektrisk ovn fra romtemperatur til ca. 2100°C i løpet av 6 timer under konstant tilførsel av varme. Mengden av

■aluminiumlegeringsprodukt og utbyttet for hver av blandingene er også angitt i tabellen.

Tegningen viser det prosentvise utbytte av aluminium-silicium-legering ifølge tabell II som funksjon av de tilsvarende blandinger av anorthositt og bauxitt. Det. viste utbytte er ba-

sert på et aluminium-silicium-légeringsprodukt erholdt av alumina og silika i den blanding som ble tilført ovnen.

Det vil sees av resultatene fra disse forsøk at silika/- alumina-vektforholdet i anorthositten eller bauxitten med de oven-

for nevnte sammensetninger må reguleres for oppnåelse av aluminium-legeringsproduktét. Det vil si at når anorthositten eller bauxitten med ovennevnte sammensetning ble anvendt uten regulering av silika/alumina-forholdet, ble det ikke oppnådd vesentlig dannelse av legeri.ngsprodukt.

EKSEMPEL 2

I dette eksempel ble det fremstilt en Al-Si-Fe-legering

under anvendelse av en. oljeskifer fra Chattanooga. 200 g.karboni-sert skifer (-28 mesh) som inneholdt 66% Si02, 14% Al203, 12% Fe203

og 11% C, ble blandet med 200 g bauxitt og 87 g koks. Silika/- alumina-vektforholdet var 0,89. Denne blanding ble oppvarmet

til ca. 2100°C som i eksempel 1, og det ble oppnådd 97 g legerings-produkt, dvs. et utbytte på 83%.

EKSEMPEL 3

400 g bauxitt (-28 mesh) med den i eksempel 1 angitte sammensetning ble blandet med 169 g silika (-140 mesh), hvilket gav et silika/alumina-vektforhold på 0,88. Til dette materiale ble det tilsatt 161 g petrolkoks (-100 mesh). Denne blanding ble oppvarmet til en temperatur på 2100°C som i eksempel 1, og det erholdtes 162 g aluminiumlegeringsprodukt. Dette tilsvarer et utbytte på 86%.

EKSEMPEL 4

Til 300 g flyveaske (-28 mesh) med et aluminainnhold på

16,8 vekt% og et silikainnhold på 39,4 vekt%. ble det tilsatt 165,3 g bauxitt som hadde den i eksempel 1 angitte sammensetning.

Til dette materiale ble det tilsatt 86,1 g petrolkoks (-100 mesh). Denne blanding ble oppvarmet til en temperatur .på ca. 2100°C som i eksempel 1. Det erholdtes 91,5 g leger ingsprodukt,. dvs. et utbytte på 75%.

Det vil sees av disse eksempler at legeringer av aluminium- silicium- typen kan fremstilles av forskjellige malm-kvaliteter hvis man sørger for at silika og alumina foreligger i et forhold i henhold til oppfinnelsen.

Oppfinnelsen er ovenfor beskrevet ved hjelp av foretrukne utførelsesformer, men det vil forståes at andre utførelsesformer kan falle innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til karbotermisk reduksjon av alumina-og silikaholdige materialer for fremstilling av aluminium-silicium-legeringer, hvor det tilsettes et karbonholdig materiale og karbotermisk reduksjon utføres,karakterisertved at (a) man tilveiebringer aluminia- og silika-holdige materialer i en blanding med et vektforhold mellom silika og alumina innen området 0,5-1,1, fortrinnsvis 0,7-1,0; (b) man tilveiebringer i nevnte blanding en kilde for karbonholdig materiale for reduksjonen av nevnte alumina og silika i blandingen; og (c) man reduserer alumina- og silikainnholdet i blandingen karbotermisk under dannelse av en aluminium-silicium-legering.

2. Fremgangsmåte ifølge, krav 1,karakterisertved at de alumina- og silikaholdige materialer har et lavt aluminainnhold og nevnte blanding tilveiebringes ved at det til nevnte alumina- og silikaholdige materiale tilsettes en alumina-rik og silika-fattig malm, hvor den aluminarike malm fortrinnsvis er bauxitt med et aluminainnhold på minst 35 vekt% og et silikainnhold på høyst 15 vekt%.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat det alumina- og silikaholdige materiale inneholder 25-65 vekt% silika, og nevnte vektforhold oppnås ved pre-ferensiell fjerning av silika fra materialet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert' ved at nevnte fjerning av silika utføres ved utluting med en opp-løsning inneholdende flussyre,

5. Fremgangsmåte ifølge et av dé foregående krav,karakterisert vedat det alumina- og silikaholdige materiale er anorthositt.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisertved at det alumina- og silikaholdige materiale er rikt på alumina og har et silikainnhold innen området 0,1-15,0 vekt%, og nevnte blanding tilveiebringes ved at det til nevnte materiale tilsettes en kilde for silika.

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte karbonholdige reduksjonsmateriale er karbon, og nevnte blanding inneholder 15-30 vekt% karbon.

8. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat det alumina- og silikaholdige materiale males til partikkelstørrelser innen området -14 til -200 mesh (Tyier-serien). ■

9. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat det alumina- og silikaholdige materiale behandles med en syreoppløsning for fjerning av alkali-og jordalkalimetalloksyder.

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat det tilveiebringes alumina-og silikaholdige materialer inneholdende jernoksyd i en mengde på 0,5-30.vekt%..'