KR810000571B1 - 알루미늄-실리콘 합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

알루미늄-실리콘 합금의 제조방법

본 발명은 알루미늄-실리콘 합금에 관한 것이며 보다 상세하게는 알루미나 및 실리카 함유물질로 부터, 탄소 열처리하여 알루미늄-실리콘 합금을 제조하는 것에 관한 것이다.

통상적으로, 알루미늄-실리콘 합금은, 보오크사이트로 부터 생긴 알루미나를 이용하여 전해조내에서 상업적으로 순수한 알루미늄을 생성하고 이 알루미늄에 별도로 제조된 비교적 순수한 실리콘을 가함으로써, 제조된다. 그러나, 많은 단계를 거쳐야 하기 때문에, 이 형태의 방법으로는 비교적 비싼 합금을 얻게 된다.

종래 기술에서, 알루미늄-실리콘 합금을 알루미나 및 실리카 함유광석으로 부터 로내에서 제조할 수 있다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 탄소, 알루미나-실리카 광석 및 순수한 산소를 사용하여 용광로내에서 알루미늄-실리콘 합금을 제조하는 방법이 공지되어 있다. 이것에 따르면, 뜨거운 산소는 탄소와 반응하여 일산화탄소 가스를 생성하여, 로의 반응 대역에서의 온도를 2050℃이상으로 유지시킨다. 또한 두 반응대역을 갖는 용광로내에서의 알루미늄-실리콘 합금 제조방법이 공지되어 있다. 이 방법은 첫번째 대역에서 탄소와 산소로 부터 생성된 뜨거운 일산화탄소 가스를 코우크스 및 알루미나-실리카 광석을 함유하는 두번째 대역으로 도입함으로써 이루어진다. 두번째 대역을 통해 이동되는 뜨거운 일산화탄소 가스는 알루미늄-실리콘 합금을 제조하는데 필요한 열을 제공한다. 또한, 종래 기술에 있어서, 알루미나 함유광석으로 부터 알루미늄-실리콘 합금을 제조하는 두단계 방법이 있다는게 공지되어 있다. 첫번째 단계에서는, 광석내의 실리카를 환원하여 실리콘 카바이드 함유 생성물을 얻는다. 이 방법은 첫번째 단계에서 생성된 생성물을 이동하고 전기 아크로에서 가열하여 실리콘 카바이드를 원소 실리콘으로 전환시키고 알루미나는 원소 알루미늄으로 전환시킨다. 그러나, 이러한 방법들에 있어서는, 생성된 가스는 환원 단계를 통해 이동됨으로써, 실제적인 생성물의 손실을 초래한다.

본 발명은 알루미나 및 실리카 함유 광석으로부터 알루미늄-실리콘 합금을 제조하는데 있어서 제어 반응단계를 사용하여 생성물 손실의 문제를 실질적으로 피할 수 있다.

본 발명에 따르면, 알루미늄-실리콘 합금은, 알루미나, 실리카 및 탄소원을 함유하는 혼합물을 1500-1600℃의 온도로 하여 실리콘 카바이드 및 일산화탄소를 형성하게 함으로써, 생성된다. 실리콘 카바이드를 함유하는 혼합물을 1600-1900℃, 바람직하게는 1700-1900℃로 하여 알루미늄 옥시 카바이드 및 일산화탄소를 생성시킨다. 다음, 실리콘 카바이드 및 알루미늄 옥시카바이드 함유 혼합물을 1950-2200℃로 하여 알루미늄-실리콘 합금을 생성한다. 매 반응단계에서 생성된 일산화탄소는 오직 각 반응단계 또는전(前)반응단계만을 통과하여 얻어지는 금속 생성물의 양을 최대한으로 만든다.

본 발명에 따르면, 알루미늄-실리콘 합금은 탄소 및 알루미나-실리콘 함유물질을 3단계에서 탄소열처리하여 반응시킴으로써 제조된다. 첫번째 단계에서, 혼합물은 1500-1600℃에서 반응하여 실리콘 카바이드 및 일산화 탄소를 생성한다. 두번째 단계에서, 실리콘 카바이드를 함유하는 혼합물은 1600-1900℃에서 알루미늄 옥시카바이드 및 일산화탄소를 생성하여 세번째 단계에서, 실리콘 카바이드 및 알루미늄 옥시카바이드는 1950-2200℃에서 알루미늄-실리콘 합금을 생성한다. 이렇게 단계적으로 반응함으로써, 1500-1600℃에서 처리하는 동안 생성된 일산화탄소 및 다른 가스상의 용출액은 다음의 고온처리 동안 생성된 물질을 통과하지 않고 제거될 수 있다. 또한, 1600-1900℃에서 처리하는 동안 생성된 일산화탄소 또는 다른 가스상의 용출액은 합금 제조단계를 통과하지 않고 제거될 수 있다. 이와같이, 합금 제조단계를 통해 이동되는 가스상 용출류로 인한 합금 생성물의 손실은 실질적으로 피하게 된다.

상기 알루미나 및 실리카 함유물질로는 사장암, 하석, 도소나이트, 보오크사이트, 라테라이트 및 혈암등의 광석이 포함된다.

알루미나 원으로 사용 가능한 다른 물질로는 회분과 석탄 폐기물이 포함된다. 본 발명에 유용한 상기의 알루미나-실리카 함유물질과 그 밖의 물질의 전형적인 조성에 따른 중량 백분율은 다음과 같다.

알루미늄 원료물질-화학조성범위(중량 : %)

사장암, 하석, 백류석 및 도소나이트 같은 물질이 상당량의 CaO, MgO, Na₂O 및 K₂O을 함유한다는 것이 주목될 것이다. 본 발명에 있어서는, 회장석(CaOAl₂O_3.2SiO₂) 및 조장석(NaAlSi₃O₈)의 혼합물로 구성되는 사장암이 바람직한 알루미나원이라는 것을 주목해야 한다. 알루미나-실리카 함유물질을 열처리하여 환원하는데 있어서의 경제적 효과와 알루미늄-실리카 합금의 높은 수준을 얻기 위해서는, 실리카-알루미나 함유물질의 중량비는 0.15-1.1범위내, 바람직하게는 0.7-1.0 범위내 매우 적당한 비율은 0.9이어야 한다. 0.7-1.0의 비율이 바람직한 것은 여러가지 이유 때문이다. 0.7이하의 비율은 전체 수율을 낮추는 알루미늄 카바이드를 생성하는 경향이 있다. 또한, 그 이상의 비율, 즉 실리카 함유량이 더 많으면 특히 저급알루미나 광석같이 실리카 함량이 많은 경우 바람직한 비율의 광석을 제공하기 위해 조정하는 양이 매우 감소한다. 즉 알루미나 비율에 의해 실리카가 많을수록 경제적 관점에서 매우 유리하다. 또한, 비율이 높을수록 생성물의 수율이 높다.

상기의 알루미나 함유가 적은 물질은 35중량 퍼센트 이하의 알루미나를 함유한 것을 말하고 전형적으로는 8-35중량 퍼센트의 범위내의 것을 말한다. 그러한 알루미나 함량이 적은 물질은 보통 실리카를 25-65중량 퍼센트 정도 함유한다. 사장암과 같은 알루미나 함량이 적은 물질 또는 보오크사이트 같은 실리카 함량이 적은 물질에 대해서는 실리카-알루미나 비율을 상기의 범위의 중량비내로 맞출 수 있다. 실리카의 알루미나에 대한 비율이 약 2.15인 사장암이 출발물질로 쓰이면 이 비율은, 알루미나가 풍부한 광석 즉 바람직하게는 실리카가 적은 예컨대 보오크사이트를 가하여 상기 범위내로 맞출 수 있다. 그렇게 쓰이는 보오크사이트는 35중량 퍼센트 이하의 알루미나를 함유하는게 바람직하다. 또한 바람직한 것은, 알루미나를 40-55중량 퍼센트, 실리카는 0.1-15중량 퍼센트를 함유하는 보오크사이트다. 보오크사이트 같이 비율을 맞추는데 쓰이는 물질이나 출발물질에 있어서 산화철의 함량이 많은 것이 또한 바람직하다. 전형적으로 산화철은 0.5-30중량 퍼센트범위로 존재할 수 있다. 산화철의 존재로 합금내의 철이 존재하게 되며, 이 철은 제조시 합금의 휘발성을 저하시켜 결과적으로 생성물의 높은 수율을 가져오는 것으로 믿어진다. 보오크사이트 같은 알루미늄 함량이 많은 물질의 정제형이 쓰일 수는 있으나, 정제에 포함되는 그 밖의 단계 및 비용과 보통 낮은 수율 때문에 매우 바람직하지 못하다.

상기 범위내로 비율을 맞추는 또 다른 방법으로는 물리적 선광이나 침출로써 실리카를 제거하는 것을 포함한다. 예를들면, 사장암내의 실리카의 큰 부분을 차지하는 알파 석영은 불화수소산으로 처리하므로써 그 효과가 최소한으로 되는 정도까지 제거될 수 있다. 실리카 제거의 목적을 위해서는, 불화수소산은 1-10중량 퍼센트 범위내에 있어야 한다. 침출액의 온도는 60-100℃범위내에 있어야 하며, 침출시간은 1/2-3시간의 범위내에서 있어야 한다. 사장암을 침출하기 위해 불화수소산을 사용하는데 있어서, 실리카의 알루미나에 대한 중량비는 100℃에서 1시간동안 10중량 퍼센트의 HF용액에 의해 2.2-1.4로 저하시킬 수 있다. 이와같이, 원하는 비율을 얻는데 필요한, 알루미나가 풍부한 광석의 양을 상당히 저하시킬 수 있다.

혈암이나 비산회에 있어서는 불화수소산으로 침출함으로써 실리카 함량을 저하시켜, 원하는 실리카의 알루미나에 대한 비율을 얻을 수 있다. 비율이 높을수록 침출의 정도가 매우 감소하므로 실시카 침출에 있어서 매우 유리하다. 상기 중량비의 실리카-알루미나를 얻는 또 다른 방법은 실리카를 가해주는 것이다. 예를들면 0.02-0.05 범위내의 실리카-알루미나 중량비를 갖는 보오크사이트를 알루미나-실리카 함유 물질로 사용할때, 실리카원을 원하는 중량비를 얻기 위해 가해질 수 있다. 실리카-알루미나 중량비를 맞추기 위해 이러한 단계를 조합하여 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉 예를들면, 광석은 실리카를 제거하기 위해 부분적으로 침출될 수도 있고 다음 보오크사이트를 실리카-알루미나 중량비 범위내로 하기위해, 부분적으로 침출된 공석에 가해줄 수도 있다.

본 발명에 사용하기 위한 광석을 준비하는데 있어서, 광석은 -14내지 -200(타일러 씨리즈) 바람직하게는 -28내지 -100메시의 크기로 분쇄하여야 한다. 상기의 중량비로 알루미나-실리카 함유 물질을 조절하기전에, 정제할 목적으로 부유선광 또한 중액선광 또는 자력선광 등의 기계적 분리를 하는 것이 바람직하다. 예를들어 광석이 시장암이면, 염화 수소산 정제처리를 하여 산화 칼슘(CaO), 산화나트륨(Na₂O)등을 제거하는 것이 바람직하다. 그 처리를 할때 염화 수소산의 농도는 5-20중량 퍼센트 범위내, 온도는 60-100℃범위내에 있어야 한다. 전형적인 처리 시간은 1/2-3시간의 범위이다. 그러한 처리를 한 후 광석을 물로 세척할 수 있다. 이러한 정제 처리는 실리카를 제거하기 위해 산 침출 단계와 함께 할 수도 있다.

환원을 목적으로, 원하는 비율의 실리카-알루미나 및 탄소질 물질을 함유하는 혼합물을 넣어 주어야 한다. 그러한 혼합물은 물질의 탄소 함유량을 기초로 하여 15-30중량 퍼센트, 바람직하게는 19-28중량 퍼센트의 탄소질 물질을 함유하여야 한다. 혈암과 같은 알루미나-실리카 함유물질을 사용하면, 탄소물질 소정량의 혈암내에 존재하므로 가해줄 환원 물질의 양은 저하된다. 상기 탄소물질로는 코우크스가 포함되는데, 이것은 환원 반응을 유리하게하는 높은 다공성을 갖기 때문에 야금학적 코우크스가 바람직한 원천이다.

혼합물은 용광로 혹은 전기로 내에서 환원할 수 있으며 경제적 견지에서 용광로가 바람직하다. 용광로내에서의 환원 및 가열을 위해서는 부가적인 탄소질물질을 넣어 주어야 한다. 따라서 환원을 위한 탄소질물질에 부가하여, 용광로에서의 가열을 위해서는, 40-60중량 퍼센트의 탄소물질을 넣어 주어야 한다.

알루미나-실리카 함유물질이 유모혈암일때는, 휘발성 탄화수소 같을 물질을 제거하는데 바람직하다. 따라서, 실리카-알루미나 비율을 맞추기 전에, 그러한 물질을 제거하기 위해 혈암을 처리를 하는 것이 바람직하다. 그러한 처리로는, 휘발성 물질을 제거하고 그 안의 탄소질물질을 코우크스화 하기 위한 신광 및 탄화가 포함될 수 있다. 상기에서 언급한 바와같이 혈암내에 이미 존재하는 코우크스는 가할 환원 물질의 양을 감소시킨다.

본 발명의 원칙을 따르면 본 공정은 실제적으로 다음 반응에 따라 알루미늄-실리콘 합금 제조를 수행하기 위해 조절되고 있다.

(a) 3SiO₂+9C→3SiC+6CO

(b) 2Al₂O₃+3C→Al₄O₄C+2CO

(c) Al₄O₄C+3SiC→4Al+3Si+43CO

반응(a), (b) 및 (c)는 각각 1500-1600℃, 1600-1900℃ 및 1950-2200℃의 온도 범위에서 성립된다. 즉 본 발명의 방법은, 알루미늄-실리콘 합금 제조에 사용되는 물질이 이 순서에 따라 반응하도록 이 온도범위내에서 조절되어야 한다. 따라서 예를들면, 알루미늄-실리콘 합금이 계속하여 로내에서 제조되면, 그의 상부에 도입된 알루미나, 실리카 및 탄소는 반응(a)를 성립시키기 위해, 1500-1600℃로 가열된다. 이 온도에서의 가열은 로상부에 인접한 대역에서 일어나야 한다. 이 가열된 대역은 일산화탄소가, 다음의 또는 보다 고온인 온도 대역을 통해 이동하지 못하고 탈출되게 한다. 그래서 또한 반응(b)가 성립될 때는, 생성된 일산화탄소는 역시 합금제조 대역을 통해 이동하지 못하고 제거된다. 대역을 통해 이동되거나 대역을 통과하는 일산화탄소 가스를 최소한으로 줄이는게 본 발명의 중요한 관점이다. 즉 많은 부피의 가스상 물질이 특히 금속 제조대역과 같은, 대역을 통과하면, 다만 매우 적은량의 알루미늄-실리콘 합금을 얻게 된다. 로내의 온도대역이 없으면, 금속제조 대역을 통과한 가스상 물질이 합금 생성물의 많은 양을 제거하므로 가치있는 생성물에 손실을 초래한다는 것을 알 수 있다. 본 발명에서의 반응을 보면, 저온대역에서 생성된 일산화탄소의 양이 로내에서 제조된 것의 약 1/2이라는 것을 주목애햐 한다. 또한, 일산화 탄소의 1/6만이 중간온도 대역에서 생성된다. 따라서 생성된 일산화탄소 전체의 2/3가 알루미늄-실리콘 제조대역을 통해 이동되거나 통과하지 않아, 그 결과, 높은 생성수율을 얻었다. 전기로내에서, 실온으로부터 약 2100℃까지 가열한, 알루미나-실리카 함유물질 및 탄소로 된 장입물로 부터 생성된 일산화탄소 가스의 용적 퍼센트의 측정으로 반응(a)에 따른 실리콘 카바이드 및 일산화탄소의 생성을 나타내는 일산화탄소 가스 발생의 피이크는 약 1580℃에서 라는 것을 알았다. 또한 반응(b)에 따라, 일산화탄소가스는 다시 약 1780℃에서 피이크를 이루었으며 세번째는 약 2080℃에서 알루미늄-실리콘 합금 생성을 나타내는 피이크를 이루었다.

이들 온도대역내에서 반응을 조절하는 것은 알루미나 및 실리카를 환원하는 동안 발생하는 일산화 탄소 가스가 이동하는 효과를 최소한으로 하는것은 물론 다른 원천으로 부터 발생하는 일산화 탄소의 효과를 최소한으로 한다. 즉, 예를들면, Fe₂O₃, K₂O, Na₂O, TiO₂, MgO와 CaO같은 광석에 함유되어 있는 불순물인 산화물은 일산화탄소 발생과 수반하여 제거될 수 있다. 따라서, 합금 제조단계를 통과하지 않고 그러한 일산화탄소를 제거하는 것이 매우 유익하다는 것을 알 수 있다.

세번째 단계에서의 알루미늄-실리콘 합금의 수용이나 생산을 방해하지 않도록 로에서 부터 발산되는 휘발성물질의 조절이 바람직한 한편, 공정내에서 소정량이 휘발되는 현상은 불가피한 것이나 그것을 조절하는 것은 매우 유용하다는 것을 주목해야 한다. 이와같이, 환원 반응으로부터 그리고 증거형태의 SiO, Al₂O, Si 및 Al과 함께 가열하므로써 발생하는 일산화탄소는 공급물을 예열하는데 쓰일 수 있다. 공급물을 예열하는데 있어서, SiO, Al₂O 및 Al은 공급물 상에서 축합하여 회수될 수 있으므로 로에 다시 돌아갈 수 있다. 이와같이, 조절된 온도 반응대역 및 공급물상에서의 휘발성물질의 축합과 함께, 합금제조대역을 통한 일산화탄소의 이동 효과를 최소한으로 하는 것은 알루미나-실리카 함유 물질로 부터 얻는 알루미늄-실리콘 합금의 수율을 최대한으로 한다.

상기반응대역에 대한 열의 주입이나 반응대역의 온도는 용광로를 사용할 때 매 대역에서 공급된 산소양에 의해 조절될 수 있다. 즉, 매 대역의 온도는 가열목적으로 공급된 탄소와 함께 연소시키기 위해 매 대역에서 이용할 수 있는 산소의 양을 조절하므로써 조정될 수 있다. 이와같이, 저온 대역(1500-1600℃)에서 이용할 수 있는 산소의 양은 그 대역에서 연소하는 탄소의 양을 결정한다. 다음 또는 더 뜨거운 대역(1600-1900℃)는 역시 탄소와 함께 연소하기 위해 이용할 수 있는 산소의 양에 의해 조절될 수 있다.

가장 뜨거운 대역(1950-2200℃)는 실제적으로 같은 방법으로 조절될 수 있다.

본 발명의 중요한 이점중의 하나는 반응을 수행하는데 필요한 일을 생성하기 위해 비교적 값싼 물질을 사용할 수 있는 점이다. 즉, 상기 순서로 반응을 성립시키면 용광로 원리에 따른 알루미늄-실리콘 합금을 제조하게 된다. 또한, 이와같이 반응을 성립시키면 적어도 처음 두 대역에서 산소 공급원으로써 공기를 사용하는 것이 허용된다. 산소가 풍부한 공기는 원한다면 처음 두 대역에서 사용이 가능하다.

세번째 또는 가장 뜨거운 대역에 관해서는, 조절된 처음의 반응단계들 때문에, 금속 생성물의 감지할만한 손실없이 탄소와 함께 비교적 순수한 산소를 연소시킴으로써 가열될 수 있다. 산소의 사용은 이 단계에서 발생하는 가스를 최소한으로 하며 또한 합금 생성물 수율을 최대한으로 하는 것을 돕는다. 이 대역은 전기적으로 아크로 또는 저항로 원리에 따라 가열되어 그로부터의 가스 생성을 더욱 더 최소화하거나 또는 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 전기적 가열은 경제적으로 유리하지 않으므로, 그러한 가열은 바람직하지 못하다.

본 발명의 또 다른 중요한 면은 용광로에 탄소를 가하는데 있다. 적어도 가열을 목적으로, 바람직한 구체예에서, 탄소는 각각의 대역으로 도입될 수 있는데, 바람직하게는 산소 원과 함께 도입될 수 있다. 이러한 방법으로 탄소를 가하면 각각의 대역 온도에 대해 더 이상의 조절을 할 수 있는 이점이 있다. 즉 알루미나 및 실리카 함유 물질이 로에 공급되는 비율을 알므로써, 산소와 탄소의 조절량을 매 대역에 가하여 그곳에서 필요한 온도를 얻을 수 있게 된다. 이 방법은 또한 연소를 목적으로 하는 탄소는 앞 단계를 통해 운반되지 않아도 된다는 이점을 갖는다.

산소와 함께 가한 탄소는, 분말형으로 분쇄된 코우크스형이 바람직하며 공기 또는 산소와 함께 운반될 수 있다.

이 방법에 따라 반응을 진행시키는 이점은, 통상의 작업에서 이용할 수 있는 것과 비교할 때 실리카의 알루미나에 대한 중량비가 매우 광범위하게 변하는 장입물의 사용을 허용한다는 점이다. 즉 본 발명은 현저한 부작용없이 장입물 내에서의 실리카-알루미나 중량비가 0.2-0.5범위의 사용을 허용한다. 이런 낮은 중량비는 실리카 양이 더 많은 전형적으로 5% 또는 그 이상인 저급 보오크사이트가 사용될 수 있어서 매우 이롭다. 보다 낮은 중량비에서는, 본 발명에 사용하기 위해 그러한 저급 보오크사이트에 가해줄 실리카의 양이 감소한다.

본 발명이 바람직한 특정예를 중심으로 묘사되었지만 본 발명의 정신내에서 다양한 변경이 가능하다.

Claims (1)

1. 알루미나, 실리카 및 탄소원을 함유하는 혼합물을 1500-1600℃ 범위로 하여 실리콘 카바이드 및 일산화 탄소를 생성하고; 실리콘 카바이드 함유 혼합물을 1600-1900℃ 범위로 하여 알루미늄 옥시카바이드 및 일산화탄소를 생성하고; 실리콘 카바이드 및 알루미늄 옥시카바이드를 1950-2200℃로 하여 알루미늄-실리콘 합금을 생성하고; 첫째 단계에서 생성된 일산화탄소를 두번째 및 세번째 단계내의 물질을 통과하지 않고 제거하고; 세번째 단계내의 물질을 통과하지 않고 두번째 단계에서 생성된 일산화탄소를 제거하는 것을 특징으로 하는 알루미나 및 실리카 함유물질로 부터 탄소 열처리하여 알루미늄-실리콘 합금을 제조하는 방법.