[发明专利]一种利用含钛渣和废铝合金制备硅基材料和低Fe共晶Al-Si合金的方法

说明书

本发明涉及一种利用含钛渣和废铝合金制备硅基材料和低Fe共晶Al‑Si合金的方法，属于固废资源化和材料制备技术领域。将含钛渣和添加剂混合均匀后与低纯硅物料一起还原熔炼，经渣金分离后得到Si‑Ti合金和废渣；将Si‑Ti合金和废铝合金在定向凝固炉中熔炼形成Si‑Ti‑Al中间合金进行定向凝固分离和提纯得到合金锭；通过机械切割分离将得到合金锭进行切割，得到Ti₅Si₃、TiSi₂、超冶金级硅、低Fe共晶Al‑Si合金，并机械切割去除杂质层，达到去除Fe和Mn等主要杂质的目的。采用本发明所述方法，可利用低纯硅物料将含钛高炉渣同时制备成Ti₅Si₃、TiSi₂、超冶金级硅、低Fe共晶Al‑Si合金等多种高附加值产品，即由1个工艺路线同时获得多种产品。

技术领域

本发明涉及一种利用含钛渣和废铝合金制备硅基材料和低Fe共晶Al-Si合金的方法，属于固废资源化和材料制备技术领域。

背景技术

我国钒钛资源储量约为98.3亿吨，占世界总储量的33%。钒钛磁铁矿中的Fe和V经高炉还原后转化为金属被利用，但Ti在高炉还原过程中进入熔渣，形成Ti品味低（TiO₂含量约20%-24%）、矿相组成及结构复杂的含钛高炉渣。我国的含钛高炉渣堆积量已超过7000万吨，且以每年360多万吨的速度增加。含钛高炉渣的大量堆积不仅是钛资源的严重浪费，也导致严重的环境问题。几十年来，我国虽然对含钛高炉渣的利用进行了大量的研究，但仍然没有解决含钛高炉渣大量堆积的问题。因此，如何清洁利用大量堆积的含钛高炉渣仍然是我国工业固废资源化尚待解决的重大问题之一。

另一方面，铝及铝合金是世界上产量和用量仅次于钢铁的第2大金属材料。铝是一种可循环利用的资源，再生铝是指回收铝产品后经重新熔化精炼后得到的铝合金或金属铝。与生产等量的原铝相比，生产1吨再生铝相当于节约3.4吨标准煤，节约14立方米水，减少排放20吨固体废物。我国是全球最大的铝生产国。2017年，我国原铝产量为3227.3万吨，占全球原铝总产量的一半。但我国已探明的铝土矿开采已经满足不了30年，每年有30%-50%的氧化铝依赖进口。另一方面，我国也是全球铝产品的消费大国。预计到2020年，我国废旧铝合金的发生量将超越美国位居全球第1，到2030年废旧铝合金数量将占到全球总量的40%以上。铝土矿资源匮乏和大量废旧铝合金堆积的问题严重限制了我国铝合金材料的高速发展。发展再生铝行业，不仅可以缓解我国铝土资源日益匮乏的局面，还有利于经济、环境和资源的可持续发展。

目前，金属热还原法是处理含钛高炉渣的方法之一。金属热还原法包括采用铝作为还原剂提取含钛高炉渣中钛和硅形成Ti-Si-Al合金；以及采用硅作为还原剂提取含钛高炉渣中的钛形成Si-Ti合金。但如何有效利用得到的Ti-Si-Al合金和Si-Ti合金是需解决的主要问题。目前得到的Ti-Si-Al合金和Si-Ti合金的应用领域比较狭窄，仅可作为钢铁冶炼过程中的除氧剂和合金化剂，严重限制了铝热还原法和硅热还原处理含钛高炉渣技术的发展。另一方面，废铝合金再生利用过程中将面临杂质种类繁多的问题。铝合金中的杂质对材料性能有不同程度的影响，其中尤其以Fe的影响最为明显。Fe能在铝合金特别是Al-Si合金中形成针状的、又硬又脆的β-Al₅FeSi相，割裂铝基体，严重损害材料的塑性、耐蚀性和抗疲劳性等性能。因此，如何降低Fe的危害是目前再生铝研究的焦点。虽然加入改性剂改变含Fe杂质相的形貌，能够减少Fe杂质的危害，但Fe杂质仍保留在铝合金中，最终造成Fe在铝合金循环利用中不断积累，对后续加工造成很大困难。因此，最大限度地去除铝合金中的Fe是避免Fe杂质危害的最根本方法。