利用煤矸石生产硅铝合金的工艺研究李晓波殷建华山西丰喜肥业股份有限公司闻喜公司北京安泰科信息有限公司摘要：本文论述了利用电热法加工煤矸石生产硅铝合金的基本原理及产品的主要用途，这为充分开发利用废弃的煤矸石找到了一条极好的途径。

关键词：煤矸石；硅铝合金；结壳带；吸附精炼法1、概述随着我国煤炭产量的增长，煤矸石的排除量不断增加。

据全国性调查统计，截止1991年底，我国煤矸石排出总量已达22亿吨以上，占地约17万亩。

现在每年排出的煤矸石量为1.3亿吨，占地约1万亩。

煤矸石是夹在煤层中的矸石，由于储存在不同年代的地层中，故其各种性能有所不同。

但总的来说，煤矸石的主要矿物成分为粘土矿物、非粘土矿物。

常见的有磁铁矿、金红石、云母、有机物等，其有机物的发热量一般在3350~6280大卡/kg，硫含量大部分为1%，少数为4%以上。

煤矸石的化学成分，见表1。

工业分析结果，见表2。

表1 煤矸石化学成分分析项目 SiO2 Al2O3TiO2 CaO MgO K2O Na2O SO3P2O5 Fe2O3烧失量含量（%）50.13 22.571.00 2.01 0.80 1.41 0.51 0.69 0.03 2.03 17.88表2 煤矸石工业分析结果单位：%项目水份灰份挥发份全硫固定碳发热量（KJ/kg）坩埚粘结性数值1.42 83.62 11.35 0.98 5.94 5268 2由表1、表2可以看出，煤矸石的化学成分与粘土的化学成分大致相似，主要为SiO2和Al2O3这两种有用成分，其余均为次要成分。

煤矸石的发热量一般在5268kJ/kg左右。

因此，可利用其化学成分生产硅铝合金。

该产品可作复合脱氧剂用于炼钢脱氧；用于制取共晶硅铝合金；提取纯铝；制成锌铝合金用于钢材镀层；用作处理废水的絮凝剂；用作生产某些金属的还原剂等。

采用含铝35~60%的硅铝合金作还原剂与采用75%（含硅）的硅铁相比，还原温度可降低50~100℃，生产能力可提高5%以上。

2、电热法制取硅铝合金的方法与原理2.1.方法及特点目前，电热法生产硅铝合金一般以含有氧化铝和氧化硅的矿物为原料，用碳质材料为还原剂，经电炉熔炼直接制得。

在自然界中含有氧化铝和氧化硅的矿物广泛存在，如铝土矿、高岭土、粘土、蓝晶石、硅线石和煤矸石等。

矿物种类繁多，不仅大大扩展了原料来源，还可以解决一些废物的综合利用问题。

电热法硅铝合金是在矿热炉内熔炼的。

矿热炉的有效功率可达80%以上。

可使用交流电源，电热法制取硅铝合金需在2000~2200℃的高温下进行，熔炼过程对炉料质量、电炉几何参数和电参数都有严格要求。

2.2.熔炼原理经过计算，氧化铝的碳热还原开始温度是1730K，氧化硅的碳热还原开始温度是1777K。

氧化铝和氧化硅的共同碳热还原反应机理：根据对Al2O3- SiO2- C系高温反应热力学的计算结果得知，在高温下氧化铝和氧化硅共同被碳还原时，首先发生如下反应：SiO2+3C=SiC+2CO (1) 此反应开始进行的温度为1777K。

当体系中SiO2完全生成SiC后，仍有剩余的C存在时，将发生如下反应： Al2O3+41/2C=1/2Al4C3+3CO （2） 反应（2）开始进行的温度为2323K。

当体系中的C被氧化铝和氧化硅消耗完之后，剩余的氧化铝将分别与Al4C3和SiC发生如下反应：Al4C3+Al2O3=6Al+3CO （3） 反应（3）的开始温度为2359K。

3SiC+Al2O3=2Al+3Si+3CO （4）反应（4）的开始温度为2526K。

通过对Al2O3—SiO2—C系高温反应热力学的研究还发现，纯硅具有分解Al4C3的能力，在高温下，其分解反应为：Al4C3+Si=4Al+3SiC （5）反应（5）的开始温度为900K。

由于反应（5）的存在，即可获得不含或少含Al4C3的硅铝合金。

以上便是氧化铝和氧化硅共同被碳还原的基本过程。

通过这些反应过程可知，硅铝合金熔炼的总反应式可为：mAl2O3+nSiO2+（3m+2n）C=2mAl+nSi+（3m+2n）CO （6）从（6）式可以看出，m、n为任意正整数。

因此，只要在熔炼过程中保持上述的配料比，便可炼出相应比例的硅铝合金。

在硅铝合金熔炼中，只要能使产生的CO气体不断脱离反应体系，便可使反应（6）进行到底。

根据对上述反应过程和机理的认识，得出氧化铝和氧化硅碳热还原制取硅铝合金的最佳条件是：①在熔炼硅铝合金过程中，要想熔炼出任意含量的硅铝合金，必须按反应式（6）进行配料，其具体的配料比应为：Al2O3：SiO2：C=m：n：（3m+2n）（7）式中：m—Al2O3的分子数；n—SiO2的分子数。

炼出的硅铝合金中铝和硅的含量分别为：Q Al=54m/（54m+28n）×100Q Si=28n/（54m+28n）×100为获得任意铝含量的硅铝合金，在熔炼中严格保持配料比是关键，如配料比在熔炼中失调，将出现以下三种情况：第一种情况是C比要求的量少，在熔炼中将有剩余Al2O3出现，这不仅会降低合金中的铝含量，而且有用金属的回收率低，将使炉子的生产效率下降。

第二种情况是C比要求的量变多，在熔炼中将有剩余的Al4C3和SiC出现，这同样会降低有用金属的回收率和炉子的生产率。

第三种情况是炉料按如下比例配制；Al2O3：SiO2：C=2：1：12则反应将完全按下式进行：SiO2+3C=SiC+2CO2Al2O3+9C=Al4C3+6CO在此种情况下将得不到硅铝合金。

②熔炼硅铝合金的温度最好不要低于2526K，否则会反应不彻底，炉子造渣多；但是，反应温度也不应过高，温度过高会造成物料的大量挥发，使产品实收率降低。

③为加速反应过程和使反应产物迅速离开反应体系，一定要保证炉料在固态下进行反应。

④为使反应的气态和液态产物尽量离开反应体系，在可能情况下应采用负压熔炼和连续出炉的方法。

2.3.熔炼硅铝合金对还原剂的要求在硅铝合金熔炼过程中，用于还原氧化铝和氧化硅的碳主要来源于还原剂。

该还原剂除了为还原反应提供需要的碳之外，还有如下作用：它是电流通过炉料时的主要导体，能使炉缸深部熔融和半熔融炉料有一定的透气性，以提高反应速度和保证反应能够充分进行；此外，还可以通过选用不同种类的还原剂和调整其用量来控制产品质量。

根据碳还原氧化铝与氧化硅的过程和特点，为保证冶炼过程正常进行，制得一定组分含量的产品，并得到较好的技术经济指标，还原剂应满足如下要求：首先，还原剂必须有足够的反应能力和较高的电阻。

碳质原料的结晶程度，对其反应能力影响很大；含有较多无定形碳的碳质原料，其反应能力大于含有较多石墨的碳质原料；碳质原料的孔隙多少，微孔的大小和性质对碳质原料的反应能力也有重要影响。

其次，还原剂在一定电压下，要使通过的电流达到一定植。

还原剂是电流通过炉料的主要导体，只有电阻大才能使电极埋到一定深度。

在电流恒定情况下，只有还原剂的电阻较大，才能采用更高的电压。

而足够的电极埋入深度和采用较高的电压，则是提高产量、减少散热、保持正常熔炼过程所必需的。

所以要求还原剂必须具有较高的电阻。

此外，还原剂灰分及有害杂质的含量应尽量少，要有良好的制团性能。

3、生产硅铝合金的主要设备和工艺3.1.主要生产设备熔炼硅铝合金的电炉，主要由炉壳、炉缸、炉衬、电极把持器、电极升降机构、电极压放装置、电炉旋转机构、水冷系统、供电系统、加料和捣炉机械、集气排烟和净化装置等部分构成。

3.2.生产工艺的主要流程采用矿热电炉生产硅铝合金的工艺流程包括原料制备、电炉熔炼、精炼与过滤、合金浇铸等几个过程，以下分别予以论述。

3.2.1.原料制备采用煤矸石制作原料要尽量限制其Fe、Ti、Ca、Mg和碱金属等杂质氧化物的含量。

因为原料中氧化铁、氧化钛的含量高时，不仅会使制得的合金杂质含量增高，铁还会与铝生成金属间化合物，造成铝的损失；钛也会与铝生成金属间化合物，给一次合金的处理造成困难，从而增大硅铝合金的粘度。

限制氧化钙的含量，则是因为它在熔炼过程中将形成熔渣。

因此，合金中的钙在精炼时也必须除掉。

原料中如果有碱金属氧化物存在，将给熔炼过程造成困难；K2O和Na2O会引起各种低熔点共晶的生成，使炉料在炉缸上口烧结。

限制原料中的氧化镁含量，是因为它的还原和蒸发会消耗热能，造成电耗过大。

炉料的成球（或制团）有三种方法：即焙烧、粘化和制团。

用煤矸石粉制团一般用煤泥作粘结，主要要求为：①具有较高的还原性能。

这主要取决于各炉料组分的细碎程度和混合搅拌得是否均匀。

还原剂的粒度一般应≤0.5mm。

②具有高电阻。

这取决于炉料组分的导电性、破碎程度、团块料的孔隙率、形状和密实度。

③具有足够的机械强度。

这可使炉料有必要的耐冲击性和运转时的耐磨性，不产生过多的细末和粉尘，成型压力可控制在200ktf/cm2。

④具有耐激冷激热性，并难熔。

炉料的熔化温度应比氧化物的还原温度高的多，这是因为液相的还原反应比固相难得多。

⑤团块的含水量<1%。

因为增加团块湿度会降低团块强度，水分的蒸发还会增大电耗。

团块炉料的制备过程包括：原料的粗碎、细碎和烘干；粘结剂的准备；炉料组分的配置；物料混合；物料成型和团块干燥。

3.2.2.电炉焙烧按要求进行配料：分散配料、自然配料要与定期下料相结合，一般在每个出炉周期（6hr）可进行2~3次下料。

在出炉前1hr一般不安排下料；物料在炉内预热带预热，最高温度一般为1000℃；结壳带主要是为了保护炉缸内衬及减少热损失；低温反应带的温度一般为1700℃；物料在经过高温反应带及硅铝合金带后产出粗合金。

3.2.3.粗合金的精炼电炉熔炼的粗硅铝合金，含有相当数量的熔渣。

这种非金属杂质数量有时可占到粗合金量的16%，熔渣的组成为Al2O3 30~60%，SiC 35~50%，SiO2<20%，Al2C3+Al2OC<5%，CaO1.5~2.0%；其中的主要成分是氧化铝和氧化硅。

除上述成分之外，还有六铝酸钙（CaO·6Al2O3）、莫来石（3Al2O3·2SiO2，莫来石会增大合金中的氧化硅含量）和数量不多的Al4O4C及Al2OC；熔渣中碳化硅含量主要取决于炉料的碳含量和熔炼过程的温度条件；还原反应带的温度越低，生成的碳化硅和熔渣就越多。

精炼合金有多种方法，其中有吸附精炼法，如用惰性气体和化学活性气体，熔剂和盐类等进行精炼的方法；通过过滤和澄清进行精炼的方法等。

将出炉粗合金用NaCl 50%，KCl 41%，冰晶石9%进行吸附精炼，即可得到含Al 63%、Si 30.7%、Al4C3 1.0%、SiC 0.9%，Fe+Ti和其他杂质为4.3%的硅镁合金。

4、 结论以煤矸石做熔炼硅铝合金的原料，不仅可使其中有价值的Al、Si、Fe等金属成分得到利用，还可以利用其中的碳作还原剂，节省碳质原料消耗和能量消耗。