способ переплава пылевидных отходов кремния в среде твердожидкого алюминия

Формула изобретения

Способ переплава пылевидных отходов кремния в среде твердожидкого алюминия, включающий получение в печи алюминиевого расплава, введение отходов пылевидного кремния при перемешивании в алюминиевый расплав, плавление и растворение частиц пылевидного кремния в нем, отличающийся тем, что отходы пылевидного кремния предварительно смешивают с влажной алюминиевой стружкой, после чего полученную смесь порциями вводят в алюминиевый расплав и перемешивают до получения твердожидкого состояния расплава, выдерживают расплав в печи в режиме нагрева до полного растворения частиц пылевидного кремния, при этом содержание кремния в каждой порции составляет не более 1% от массы алюминиевого расплава в печи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и к металлургии цветных металлов и сплавов, в частности, к способам переплава отходов металлов и сплавов, и может применяться в металлургических и литейных цехах для переплава пылевидных отходов кремния.

Известен способ переплава кремниевого порошка по патенту 2034927 Россия. Целью указанного изобретения является повышение качества сплава, сокращение длительности плавки и снижение себестоимости сплава.

Поставленная цель достигается тем, что по способу получения заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов, включающему легирование расплава кремнием с перемешиванием, охлаждение и разливку, легирование ведут в две стадии: сначала в расплав алюминия или его сплава вводят кристаллический кусковой кремний с температурой 1350-1650^oС с одновременным барботированием и охлаждением расплава инертным газом до температуры на 40-100^oС выше температуры ликвидуса получаемого сплава, а затем вводят пылевидный кристаллический кремний струей инертного газа в количестве 5-16% от общего веса вводимого в расплав кремния.

Легирование расплава кремнием в две стадии позволяет одновременно осуществить высокотемпературное легирование, обеспечивающее высокую производительность процесса, и легирование расплава, совмещающее модифицирование при пониженных температурах. Введение кремния в расплав в первой стадии легирования с температурой 1350-1650^oС резко сокращает длительность плавки на данной стадии за счет ускорения диффузии кремния в расплав в результате возникновения высокой температуры на границе кремний-расплав. Процессу переноса кремния от этой границы вглубь расплава при этом способствует барботирование расплава инертным газом, при котором достигается не только высокая однородность химического состава расплавленного сплава, но и охлаждение его до температуры, необходимой для проведения второй стадии легирования расплава кремнием. Введение пылевидного кристаллического кремния струей инертного газа во второй стадии легирования после охлаждения расплава обеспечивает (наряду с дополнительным легированием) модифицирование получаемого сплава и дальнейшее охлаждение расплава до температуры разливки. При этом охлаждение расплава на первой стадии до температуры на 40-100^oС выше температуры ликвидуса получаемого сплава и количество пылевидного кристаллического кремния (5-16% от общего веса вводимого в расплав кремния), вводимого во второй стадии, взаимосвязаны и эта взаимосвязь обусловлена неоднородностью гранулометрического состава пылевидных отходов кремния. Эффект достигается за счет того, что часть пылевидной фракции неизбежно расплавится, другая же часть, оплавившись, создает устойчивые центры кристаллизации.

Недостатком этого способа является низкое усвоение пылевидного кремния, так как при продувке сплава инертным газом пылевидный кремний в потоке газа не успевает усвоиться расплавом и попросту теряется, т.е. выносится в атмосферу.

Известен также "Способ переплава стружки и других дисперсных отходов металлов и сплавов в среде твердо-жидкого металла", патент РФ 2135613.

Способ заключается в том, что стружка, опилки, обрезки, обломки, порошки металлов и сплавов вводят при плавке в среду твердо-жидкого металла при помощи механического погружения или замешивания.

Недостатком известного способа является то, что он в чистом виде непригоден для ввода пылевидного кремния в расплав алюминия в связи с тем, что пылевидный кремний в момент ввода плохо смачивается жидким алюминием или его сплавами и при замешивании больших порций комкуется, т.е. сворачивается в комки, насыщенные воздухом и стремящиеся всплыть вверх после нагрева сплава до жидкого состояния. Усвоение кремния расплавом в результате очень медленное, и производительность плавки по усвоению кремния очень низка.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является "Способ переработки отходов кремния" по патенту RU 2016110 С 22 С 1/02, 15.07.1994, АООТ "Братский Алюминиевый Завод" как средство того же назначения, характеризуемое совокупностью признаков, сходной с совокупностью признаков предлагаемого изобретения. Известный способ по указанному аналогу включает расплавление в печи алюминия, введение отходов пылевидного кремния при перемешивании в алюминиевый расплав, плавление и растворение частиц пылевидного кремния в нем.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что отходы пылевидного кремния предварительно смешивают с влажной алюминиевой стружкой, после чего полученную смесь вводят в печь небольшими порциями с содержанием кремния около 1% от массы жидкого металла в печи в каждой порции.

Цель предлагаемого изобретения - повышение производительности переплава пылевидного кремния в среде твердо-жидкого и жидкого алюминия и его сплавов.

Поставленная цель достигается тем, что пылевидные отходы кремния предварительно смешивают с влажной алюминиевой стружкой, после чего эту смесь стружки и пылевидного кремния вводят в расплав небольшими порциями и перемешивают до получения твердо-жидкого состояния расплава, выдерживают расплав в печи в режиме нагрева до полного растворения частиц пылевидного кремния, при этом содержание кремния в каждой порции составляет не более 1% от массы алюминиевого расплава в печи.

Способ имеет следующие отличия:

- пылевидные отходы кремния вводят в расплав в смеси с влажной алюминиевой стружкой. Влага смачивает частицы кремния, обеспечивает их сцепление с поверхностью стружки. В результате частицы кремния распределяются по поверхности стружки равномерно тонким слоем и после замешивания в расплав не образуют комков и не всплывают после нагрева и перехода сплава в жидкое состояние. Влажная стружка при этом выполняет функции носителя пылевидного кремния, функции его равномерного распределения и функции охлаждения расплава до твердо-жидкого состояния, в котором вязкость расплава повышается и всплывание кремния исключается;

- усвоение пылевидного кремния расплавом при этом способе приближается к 70-80%;

- плавление стружки, на которой находятся слои пылевидного кремния, создает условия для окружения тонких слоев пылевидного кремния расплавом со всех сторон;

- растворение кремния ускоряется за счет того, что каждая частица контактирует с расплавом всей своей поверхностью или ее большей частью;

- порционный ввод смеси стружки с пылевидным кремнием позволяет поддерживать в течение всего процесса благоприятные для усвоения стружки условия по температуре и вязкости расплава.

Пример осуществления способа

Предлагаемый способ переплава пылевидных отходов кремния с размерами частиц менее 10 мкм был осуществлен следующим образом.

В тигле печи сопротивления расплавляли кусковой алюминий до уровня 3/4 от высоты тигля. Температура металла составляла 680-700^oС.

Алюминиевую стружку, не очищенную от влаги и масла (что создает необходимую влажность), смешивали с пылевидным кремнием в различных соотношениях. Влажная поверхность стружки способствует налипанию пылевидного кремния на эту поверхность ровным и тонким слоем.

Полученную смесь порциями насыпали на зеркало жидкого металла в печи из расчета ввода 1% кремния в каждой порции.

Затем смесь механически погружали в расплав и размешивали расплав до получения однородного твердо-жидкого состояния. Расплав при вводе стружки переходит в твердо-жидкое состояние за счет быстрого поглощения тепла на нагрев стружки. А твердо-жидкий расплав обладает высокой вязкостью и не позволяет всплыть вверх частицам кремния.

Затем выдерживали расплав в печи в режиме нагрева до перехода расплава в жидкое состояние, что свидетельствует об окончании процесса усвоения.

Затем вводили вторую, третью и так далее порцию смеси стружки и пылевидного кремния и процесс повторяли до получения необходимого содержания кремния в металле.

Данные о производительности предлагаемого способа переплава пылевидных отходов кремния в сравнении с известными способами приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 следует, что производительность усвоения кремния расплавом алюминия из пылевидных отходов при вводе его в твердо-жидкий металл в смеси с алюминиевой стружкой многократно превышает производительность такого же процесса без смешивания пылевидных отходов кремния с алюминиевой стружкой.

Данные о влиянии размеров порции вводимой смеси стружки и пылевидных отходов кремния приведены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 следует, что оптимальным содержанием кремния в порции можно считать 1% от массы металла в печи.