电热铝硅合金的冶炼原理
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电热铝硅合金的冶炼原理
作者：杨大伟
来源：《中国新技术新产品》2010年第18期
摘要:热力学分析是研究任一冶金过程的第一步,它能确定给定的条件下过程的方向、相的平衡成分以及外界因素对平衡态的影响,从而确定反应产物的最大产率。
冶金过程动力学研究反应随时间变化的规律和反应的机理。
各种因素对反应速率的影响,得出控制反应速率的方法。
关键词:电热铝硅合金;冶炼原理
1 氧化铝的炭还原
1.1从以下四个反应中可以看出Al2O3的稳定性:
(1)2Al(s)+3/4O2=Al2O3(s)(25℃～660℃,铝熔点以下)
△G0T=△H-T△S=-1675100+313.20T
当△G0T=0时,T=5075℃,在此温度以下△G0T
(2)2Al(l)+3/4O2=Al2O3(s)(660℃～2050℃,铝熔点至氧化铝熔点之间)
△G0T=△H-T△S=-1682900+323.24T
当△G0T=0时,T=4930℃,在此温度以下△G0T
(3)2Al(l)+3/4O2=Al2O3(l)(2050℃～2500℃,氧化铝熔点至铝沸点之间)
△G0T=△H-T△S=-1574100+275.01T
当△G0T=0时,T=5450℃,在此温度以下△G0T
(4)2Al(g)+3/4O2=Al2O3(l)(2500℃～3500℃,铝沸点以上)
△G0T=△H-T△S=-2106430+468.62T
当△G0T=0时,T=4220℃,在此温度以下△G0T
从以上四个反应可以看出,Al2O3是非常稳定的化合物,在加热到4000～5000℃的高温时才有可能分解,而且无论是液态铝还是固态铝、气态铝在空气中都能自发地进行氧化反应,但由于形成氧化膜的缘故,致使反应虽然动力很大但却难于进行。
1.2氧化铝与炭反应的中间过程
(1)Al2O3(s)+3C(s)=2Al(l)+3CO↑(660℃～2050℃,铝熔点至氧化铝熔点之间)
△G0T=△H-T△S=1339700-580.55T
当△G0T=0时,T=2030℃,在此温度以下△G0T>0,反应不能进行。
(2)2Al2O3(s)+9C(s)=Al4C3+6CO↑
△G0T=△H-T△S=2414400-1066.06T
当△G0T=0时,T=1990℃,在此温度以下△G0T>0,反应不能进行。
(3)2Al(l)+3C(s)=Al4C3
△G0T=△H-T△S=-265000+95.06T(放热反应)
当△G0T=0时,T=2514℃,在此温度以下△G0T
(4)6Al+3CO=Al2O3+Al4C3
这是一可逆反应,生成的铝在CO环境中不可避免要存在的反应,但由于反应物与生成物的互溶,反应过程会进行得很难很慢。
从以上诸多反应可以看出,用炭质还原剂直接还原氧化铝制取金属铝的生产不能获得成功,主要有以下原因:
a:反应开始温度太高;b:无法避免Al4C3的生成;c:Al、Al2O3、Al4C3的互溶性太大,无法获得纯净的金属铝。
综合以上所述,炭还原氧化铝主要存在以下困难:
a:反应初始温度高达2030℃,必须使炉料迅速加热到这一温度,以抑制Al4C3的生成,这对配电是一个非常严肃的考验。
这就是为什么我们必须采用大型矿热炉,且要在最短时间内提升负荷的原因;b:必须尽可能地降低Al的活度或存在的浓度,以避免Al的挥发或以其它方式与炭质还原剂的接触造成损失。
这就必须使生成的铝尽快排出炉外或用其它元素来降低Al的活度;c:上述两种手段虽然能抑制Al4C3的生成,却无法避免或破坏Al4C3的生成。
既然Al2O3和Al都不能破坏Al4C3,我们就必须采用别的氧化物或单质来破坏Al4C3;d:操作上还要避免中间气态氧化物AlO、Al2O挥发损失,以获得较高的金属回收率;e:Al液与Al2O3、Al4C3的互溶。
消除互溶也需减少渣的生成量或采用不会溶渣的金属液体(如硅不会与渣互溶)来降低它们的互溶度。
2 二氧化硅的炭还原
2.1 SiO2的稳定性
(1) 2Si(s)+1/2O2=SiO(g)(25℃～1410℃,硅熔点以下)
△G0T=△H-T△S=-104182-82.51T
正常温度下恒为负值,△G0T
△G0T=△H-T△S=-112877-86.52T,正常温度下也为负值,会自发进行反应。
(2) Si(s)+O2=SiO2(s)(25℃～1410℃,硅熔点以下)
△G0T=△H-T△S=-907091+175.73T
当△G0T=0时,T=4888℃,在此温度以下△G0T
(3) Si(l)+O2=SiO2(l)(1720℃～3200℃,二氧化硅熔点以上)
△G0T=△H-T△S=-921737+185.91T
当△G0T=0时,T=4685℃,在此温度以下△G0T
2.2 二氧化硅与炭的还原
(1) SiO2(s)+2C(s)=Si(s)+2CO↑(500℃～1410℃,硅熔点以下)
△G0T=△H-T△S=675960-344.92T
(2) SiO2(s)+2C(s)=Si(l)+2CO↑(1410℃～1720,硅熔点至二氧化硅熔点之间)
△G0T=△H-T△S=717550-369.10T
(3) Si O2(l)+2C(s)=Si(l)+2CO↑
(1720℃～2000℃,二氧化硅熔点以上温度)
△G0T=△H-T△S=692940-357.45T
3 氧化铝和氧化硅的共同炭还原
如前所述,二氧化硅的还原不存在困难,氧化铝的还原则存在很大的困难,让它们共同还原来解决氧化铝的还原困难是一个可行办法。
在矿热炉除了它们各自的反应外,还存在着如下的交错反应是铝硅合金能够制取的关键:
(1) Al4C3+3Si=4Al+3SiC
△G0T=△H-T△S=-142800+16.03T
在电炉炉温度内△G0T
(2) Al2O3+3SiC=2Al+3Si+3CO↑
△G0T=△H-T△S=1707500-691.64T
当△G0T=0时,T=2195℃,电炉内Pco
(3) Al2O3+3Si=2Al+3SiO↑
2Al4C3+3SiO2=8Al+3Si+6CO
从冶金动力学上考虑,固相与气相之间的反应接触面最大,是最理想的反应物的参与形态,其次是固相与液相,反应开始时前尽量避免出现液相熔融造渣。
从2Al4C3+3SiO2=8Al+3Si+6CO 这一反应中,我们认为铝硅合金中铝含量不应超过72%,即Si/Al>0.39(Al/Si
参考文献
[1]白德奎,朱霞萍,王艳艳,曾美兰.氧化锰、氧化铁、氧化铝对砷(Ⅲ)的吸附行为研究[J].岩矿测试,2010,(01):55-60
[2]韩秀山.铝柱撑蒙脱石实现工业化生产[J].矿产保护与利用,2010,(02):10
作者简介:杨大伟(1977-)男,河南登封人。
从事工业硅(金属硅)、铝硅合金及工业硅粉(金属硅粉)的生产研究及产品深加工。
