Ферросплавное производство

Физико-химические основы процесса производства сплавов алюминия

Алюминий — элемент III группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева и его электронная структура 1s22s22p63s23p1 — самый распространенный в природе металл, содержание его в земной коре 8,8 %. Это серебристо-белый металл, его элементарная кристаллическая решетка — куб с центрированными гранями. Твердость по  минералогической шкале 2,75. Алюминий имеет следующие физико-химические свойства: атомную массу 26,98; плотность при 293 К 2,7 г/см3;  валентности 1, 2 и 3; температуру плавления 933 К и кипения 2773 К. С железом алюминий сплавляется в любых соотношениях, в системе Al—Fe существуют алюминиды FeAl6, FeAl3, Fe2Al5, FeAl2 и Fe3Al. С кремнием алюминий сплавляется в любых соотношениях и образует эвтектику при 11,7% Si и 850 К. Карбид алюминия Al4C3 неустойчив в присутствии железа и кремния, при температурах >2373 К карбид Al4C3  диссоциирует. В присутствии Al2O3 карбид Al4C3 образует оксикарбиды: Al4O4С и Al2OС. В системе Al—О в обычных условиях алюминий находится в виде прочного оксида Al2O3. При высоких температурах большую роль играют оксиды AlO и Al2O. Образование оксидов алюминия происходит по реакциям (ΔG0T, Дж):

формулы

Al2O3 — порошок белого цвета, амфотерен, температура плавления — 2326 К и кипения 3930 К.

Отсутствие надежных термодинамических данных по оксикарбидам алюминия затрудняет достоверный термодинамический анализ всех ступеней последовательного восстановления Al2O3 углеродом, протекающего по схеме: Al2O3 → Al4O4C → Al2OC → Al4C3 → Al.

При взаимодействии глинозема с углеродом, в первую очередь, наиболее вероятно появление оксикарбидов алюминия, а затем при температуре >1970К — карбида  алюминия. При температурах >2373 К происходит разложение образующегося карбида (Al4C3) на углерод и алюминий. Исследованиями фазового состава содержимого работающей печи, в частности шлаков и подовой настыли, установлено, что количество карбида алюминия Al4C3 в их составе очень невелико, и основной причиной, затрудняющей ведение плавки, является образование карбида кремния.

При нагреве Al2O3 и SiO2 возможно образование из каолина муллита по реакции:
формулыСледовательно, восстановление должно происходить в две стадии: восстановление SiO2, затем муллита углеродом по реакциям:
формулыРеакция совместного восстановления алюминия и кремния из чистых оксидов описывается уравнением:
формулыПроцесс носит ступенчатый характер. В интервале 1400—1600°С происходит, в основном, образование SiC и SiO, а также Al4С3 в результате взаимодействия Al2O3 и углерода. Взаимодействие Al2O3 с углеродом в интервале 1600—2000 °С сопровождается образованием оксикарбидов, карбида алюминия и субоксидов алюминия. При температурах >1800°С преимущественно образуются  газообразные субоксиды алюминия и наблюдается интенсивное взаимодействие Al2O3 с SiC с образованием газообразных субоксидов алюминия и кремния. При взаимодействии Al2Oс Al4C3 в интервале 1800—2000 °С образуются монооксикарбид алюминия и газообразные субоксиды алюминия. Газообразные субоксиды алюминия в интервале 1500—1700 °С восстанавливают SiO2 до Si, а с SiC образуют кремниевоалюминиевый сплав. При взаимодействии с углеродом они образуют карбид и тетраоксикарбид алюминия. В зонах с более высокой температурой субоксид алюминия может восстанавливаться углеродом до алюминия.

Я. С. Щедровицкий делает вывод, что решающее значение имеют реакции 2Al2O+ 9C → Al4C+ 6CO от 1948 °С, затем Al4C3 + SiO2 = SiC + 4Al + 2CO; 2Al4С3 + 3SiO2 = 8Al + 3Si + 6CO; 3SiO2 + Al4C3 = 3Si + 4Al + 3CO и Al2O3 + 3C = 2Al + 3CO от 2094 °С. Такой ступенчатый характер процесса является наиболее вероятным. Ограничение содержания алюминия в сплаве, как указывает М. Б. Рапопорт, определяется реакцией разрушения карбида алюминия кремнеземом: 2Al4C3 + 3SiO2 = 8Al + 3Si + 6CO, по которой образуется сплав с 72 % Al и 28 % Si. Присутствие в системе железа улучшает условия для восстановительного процесса, поскольку оно облегчает начало восстановления кремнезема и глинозема. Железо, а также марганец и хром образуют тройные фазы с алюминием и кремнием: от FeAl4,5Si до FeAlSi, Al2Mn3Si5, Al9Mn3Si, Al3CrSi и др., что также облегчает восстановление алюминия и кремния.

Все рубрики