利用煤矸石生产硅铝合金的工艺研究

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）×100

Q 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