DE2132353C3 - Verfahren zur Herstellung von AIuminium-Silizium-Legierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Silizium-Legierungen in einem elektrisehen Dreiphasenofen bei Temperaturen von wenigitens 1800⁰C. wobei die Legierung durch Reduktion der Metalloxide aus einem Reduktionsmittelgemisch gewonnen wird.

In der Zeitschrift »Erzmetall«. Bd-XlII (l%0). Heft 10, S. 471 bis 473 wird über die thermische Herstellung von Aluminium-Silizium-Legierungen mit hohen Aluminiumgehalten berichtet Als damaliger Entwicklungsstand der thermischen Erzeugung solcher Legierungen werden drei Verfahren beschrieben, nämlich

1. das Verfahren unter Verwendung eines Elekiroschachtofens mit einphasigem Anschluß,

2. das Verfahren unter Verwendung eines offenen Elektroschachtofens, der mit drei im Winkel von 120^c räumlich versetzten Elektroden bei dreiphasi- ^m Anschluß {Dreiphasenofen) und

3. das Verfahren, das die Verfasser entwickelt haben, nämlich in einem engbegrenzten Temperaturbereich (2100 bis 2200"C) tu arbeiten und die anfallende Legierung schnell aus der heißen Reduktionszone abzuziehen.

Nach dem Abwägen der gegenseitigen Vorteile dieser Verfahren kommen die Verfasser zu dem Ergebnis, es sei schwer zu sagen, wenn man heute eine Al-Si-Vorlegierungshütte errichten sollte, für welchen Ofentyp — den Einphasen- oder den Dreiphasenofen — man sich entscheiden sollte. Heute gehe die Tendenz dahin, dem einphasigen Anschluß wegen der eindeutigen thermischen Verhältnisse aa Ofen gegenüber dem dreiphasigen Anschluß den Vorzug zu geben. Für den Dreiphasenofen wird als Nadupi aufgeführt, daß jede Elektrode ihren eigenen Abstich haben müsse, die dort abge stochenen Legierungen von ungleichmäßiger Zusara mej»setzung wären und «ine gleichmäßige Strombelastung nicht erreicht werden könnte.

Für das von den Verfassern entwickelte dritte Verfahren wird ein Ofen als solcher nicht angegeben, sondern es wird ausgeführt, daß Voraussetzung für die Verwirklichung der aufgestellten Forderungen eine völlig neue Ofenkenstruktion sei

In derÖE-PS 219 292 ist das oben als drittes angegebene und von den Verfassern entwickelte Verfahren näher beschrieben.

Bei diesem Verfahren wird d»e Reaktionsmischung kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen eingesetzt, während die anlallende flüssige Al-Si-Legierung der heißen Zone des Reduktionsraumes ununterbrochen entzogen wird. Dieses Verfahren arbeitet aber offensichtlich ohne Verwendung von Lichtbogenefektrodcn. Es wird eine Reihe von Möglichkeiten der Wärmeer zeugung beschrieben, die alle auf eine elektrische Widerstandsheizung, z. B. mittels leitender Masse oder mittels Heizstäben oder anderen Heizleitern, hinauslau fen. Bei einem solchen Ofen seheint es sich um den zu konstruierenden neuen Ofentyp zu handeln.

Das in Rede stehende Verfahren verläuft somit schon deshalb anders als das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, weil ein anderer Ofentyp in Betracht zu ziehen ist.

In der DT-AS 1250 644 ist ein üchtbogenreduk tionsofen zur Reduktion von Mineralien sowie ein Verfahren für die Bedienung eines solchen Ofens beschrie ben. Es ist in dieser Veröffentlichung angegeben, daß es bekannt war. die Reduktion von Oxidmineralien mittels eines oben offenen elektrischen Lichtbogenofen;, durchzuführen und die Charge in den zwischen den Elektroden und der Wand befindlichen Teil des Ofens von oben einzuführen. Die in dem Bad erreichten Temperaturen der Ofenbrennzone liegen bei einem Ofen im altgemeinen unterhalb 2000⁰C. so daß in zahlreichen Fällen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Silizium durch karbothermisrhe Reduktion des Dioxids, es notwendig ist, unter Rückführung zu arbeiten, um eine hinreichende Reaktionsgeschwindigkeit mit den hochreaktionsfähigen kohlenstoffhaltigen Reaktionsmitteln, wie Holzkohle, zu erhalten.

Der beschriebene Lichtbogenreduktionsofen weist eine die Ofenwanne oben abschließende Ofendecke auf. durch die die Elektroden mittels der Ummantelungen gasdicht hindurchgeführt sind; ferner weist der Ofen eine oder mehrere seitliche Beschickungsöffnungen mit hinreichend großer Gesamtfläche für die Beschickung auf, die in einem solchen vertikalen Abstand von der oder den Elektroden und einem solchen vertikalen Abstand von dem Wannenboden vorgesehen sind, daß eine Berührung der Beschickung mit der oder den Elektroden vermieden ist, und zum Beschicken des Ofens sind der oder den Beschickungsöffnungen Zuführungsschieber zugeordnet. Das für die Bedienung dieses Ofens in der Veröffentlichung beschriebene Verfahren sieht .iun vor, daß die Beschickung zum Teil oder vorzugsweise ganz durch die Schieber in den Ofen eingeführt wird und daß dieser Vorgang in bestimmten Zeitabläufen durchgeführt wird.

Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Silizium-Legierungen in einem elektrischen

Dreiphasenofen bekannt, bei dem die Reduktion von Metalloxide!) im Einsatzgut vorgesehen ist (vgl. C, E g e r, Elektroschmelzen in der Buntmetallindustrie, Metallurg-izdat, 1958).

Dieses bekannte Verfahren wird in E'ektroöfen mit einer spezifischen Leistung von 2000 bis 2800 kW je 1 m² Querschnittsfiäche der Elektroden durchgeführt Da die Temperaturen für die Reduktion ungenügend sind, werden die Metalloxide in den Zonen zwischen den Elektroden in solchen öfen nur eingeschmolzen. Dadurch vermindert sich die Gasdurchlässigkeit in diesen Zonen und der Reduklionsvorgang verlangsamt sich. Das eingeschmolzene Einsatzgut dient in diesen Zonen als Auskleidung, welche die unmittelbar jede Elektrode umgebenden Reaktionsräume voneinander trennt. Die Legierung wird je nach ihrer Ansammlung in der Wanne aus solchen öfen getrennt, unter jeder Elektrode periodisch abgestochen. Dies führt zu großen Verlusten an Legierung und zur Erhöhung des Arbeitsaufwandes für die Ofenbedienung. Wenn man unter Ausnutzung dieses Verfahrens in Dreiphasenöfen mit einer spezifischen über 280OkW je 1 nv' Quer schnittsfläche der Elektroden liegenden Leistung arbeitet, werden die Kenndaten des Verfahrens zur Herstellung von Aluminium-Silizium-Legierungen stark verschlechten. Erstens verstärkt das intensivere Durchwärmen der Elektrodenzwischenräume bei fehlender Gasdurchlässigkeit das Schmelzen des Einsatzgutes, was dazu beiträgt, daß die Schlackenmenge im Ofen zunimmt. Zweitens führen bedeutende vertikale Elektrodenbewegungen in der Wanne zwischen den Abstichen dazu, daß das unvollständig reduzierte Einsatzgut auf die Herdfläche systematisch einstürzt, so daß es schwierig ist, dieses Einsatzgut vollständig ?u reduzieren, weil es durch eine flüssige Metallschicht von der Hochtemperaturzone abgeschirmt ist.

Aus diesen Gründen arbeiten die Drehphasenöfen, deren spezifische Leistung über 2800 kW/m² liegt, sehr instabil, was mit unproduktiven Rohstoff- und Siromau.fwand je periodische Durchschmelzung der auf den Ofenherd gefallenen Schlacke verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Silizium-Legierungen zu entwickeln, welches gegenüber den bekannten Verfahren eine I eistungssteigerung unter Verbesserung technologischer Kenndaten (z. B. die Herabsetzung des Aufwandes an Strom und Rohstoff) und eine Qualitätserhöhung der hergestellten Legierung hinsichtlich des Gehaltes an nichtmetallischen Verunreinigungen ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäii dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungstemperatur des im Zwischenraum zwischen den drei Elektroden befindlichen Einsatzgutes auf nicht weniger als 1800⁰C gehalten wird, indem vor der Ofenbeschickung kohlenstoffhaltige Stoffe zwischen die Elektroden in kleinen Portionen in Abhängigkeit von der Gasdurchlässigkeit der Gicht eingeführt werden und die entstandene Legierung aus dem Ofen durch ein Abstichloch kontinuierlieh abgestochen wird.

Die in Portionen einzusetzenden kohlenstoffhaltigen Stoffe weisen vorzugsweise ein spezifisches Gewicht von nicht mehr als 0,4 t/m³ auf, weil dadurch die Gasdurchlässigkeit des Einsatzgutes in den einzelnen Zo- 6s nen beträchtlich erhöht werden kann.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren bei einer spezifischen Elektrodenleistung von über 2800 kW/m² Querschnittsfläche der Elektroden durchgeführt, weil sich dadurch die relativen Verfeiste an Legierung herabsetzen lassen und die technologischen Kenndaten des Vorganges im Vergleich zu den bekannten Verfahren wesentlich gesteigert werden können.

Bei einer spezifischen Ofenieistung von 2800 bis 2900 kW/m² Querschnittsfläche der Elektroden können ein kontinuierlicher Ofenbetrieb ohne Durchschsnelzen gesichert, die Ofenleistung im Vergleich zum bekannten Verfahren um 89% gesteigert und der spezifische Stromaufwand je Tonne raffinierte Einsatzschmelze um 26.6% sowie der spezifische Einsatzaufwand um 9,5% herabgesetzt werden.

Bei einer spezifischen Ofenleistung von 3500 bis 3600kW/m² Querschnittsfläche der Elektroden kann die mittlere Tagesleistung um 270 bis 290% erhöht werden, während der spezifische Stromaufwand um 40 bis 43% und der spezifische Einsatzaufwand um 19 bis 22% herabgesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles und im Zusammenhang mn der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen elektrischen Dreiphasenofen zur Her stellung von Aluminium-Silizium-Legierungen im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 11-11 der F i g. 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Silizium-Legierungen wird im bekannten elektrischen Dreiphasenofen verwirklicht. Die vorliegende Erfindung führt man im Ofen durch, welcher eine spezifische Leistung in Bezug auf die Querschnittsfläche von Elektroden über 2800 kW/m² aufweist. Dadurch lassen sich relative Verluste an Legierung herabsetzen und die technologischen Kennzahlen des Vorgangs im Vergleich zu den bekannten Verfahren wesentlich steigern.

Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Das Einsatzgut 1 (F i g. 1) wird in den Ofen je nach dessen Verbrauch periodisch aufgegeben. Zur Verbesserung der Reduktion von Metalloxiden ist es zweckmäßig, ein stückiges Einsatzgut auszunutzen, welches aus vorzerkleinerten kieselerde- und tonerdehaltigen Rohstoffen (z. B. Tonerde, Kaolin oder Kyanit), kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel (z. B. Steinkohle, Holzkohle, Koks) und Bindemittel besteht. Zur Gasdurchlässigkeitssteigerung des Einsatzgutes 1 und Verbesserung seines Niedergehens locken man das Einsatzgut auf der Gicht 2 periodisch auf.

Um die Reduktion zu intensivieren und das Schmelzen des Einsatzgutes 1 in den Elektrodenzwischenräumen 3 (F i g. 2) und in der zentralen Ofenzone 4 zu vermindern, wird die Erhitzungstemperatur des Einsatzgutes in seinem der Höhe nach mittleren Teil 5 auf nicht weniger als 1800⁰C gehalten, indem kohlenstoffhaltige Stoffe in die genannten Zonen 3 und 4 eingeführt werden.

Um die Gasdurchlässigkeit des Einsatzgutes 1 zu steigern, werden vor der Ofenbeschickung kohlenstoffhaltige Stoffe mit einem geringen spezifischen Gewicht (nicht über 0,4 t/m³), z. B. Steinkohle vom niedrigsten Metamorphosestadium, Torf u.a. in kleinen (20 bis 50 kg) Portionen in Abhängigkeit von der Gasdurchlässigkeit der Gicht 2 zugegeben. Der Vorgang wird unter kontinuierlichem Abstich der im Schmelzbad entstandenen Legierung durchgeführt. Der Abstich erfolgt durch ein Stichloch 6, welches gegenüber einer der Elektroden 7 auf der Ofenherdhöhe 8 liegt.

Die industrielle Ausnutzung des erfindungsgemäßen

Verfahrens bei einer spezifischen Elektrodenleistung von 2800 bis 2900 kW/m² gab die Möglichkeit, einen kontinuierlichen Ofenbetrieb ohne Durchschmelzen zu sichern, die Ofenleistung im Vergleich zum bekannten Verfahren um 89% zu steigern, den spezifischen Stromaufwand je 1 t raffinierte Einsatzschmelze um 26,6% und den spezifischen Einsatzaufwand um 9,6% herabzusetzen. Bei der Steigerung der spezifisch Ofenleistung auf 3500 bis 3600 kW/m² wurde die m lere Tagesleistung um 270 bis 290% erhöht, währe der spezifische Stromaufwand um 40 bis 43% und < spezifische Einsatzaufwand um 19 bis 22% herab; setzt wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   |. Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Siliziunv Legierungen in, einem elektrischen Drei-Rhasenofen bei Temperaturen von wenigstens 180O⁰C wobei die Legierung durch Reduktion der Metalloxide aus einem Reduktionsmittelgemisch gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungstemperatur des im Zwischenraum (5) zwischen den drei Elektroden (7) befindlichen Einsatzgutes <1> auf nicht weniger als 1800⁰C gehalten wjrdi indem vor der OTenbeschickung kohlenstoffhaltige Stoffe zwischen die Elektroden (7) in kleinen Portionen in Abhängigkeit von der Gas- «5 durchlässigkeit der Gicht (2) eingefühn werden und die entstehende Legierung aus dem Ofen durch ein Abstichloch kontinuierlich abgestochen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Portionen einzusetzenden kohlenstoffhaltigen Stoffe ein spezifisches Gewicht von nicht mehr als 0,4 t/m¹ aufweisen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer spezifischen Elektrodenleistung von über 2800 kW pro m² Querschnittsfläche der Elektroden durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer spezifischen Elektrodenleistung von 2800 bis 2900 kW/m- durchgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer spezifischen Elektroden leistung von 3500 bis 3600 kW/m* durchgeführt wird.

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