利用铝土矿和煤基固废制备铝硅合金的方法及所得铝硅合金与流程

本发明涉及冶金与固废资源化利用，尤其涉及一种利用铝土矿和煤基固废制备铝硅合金的方法及所得铝硅合金。

背景技术：

1、铝硅合金因其密度低、铸造性能优良、强度适中及耐磨耐蚀等综合特性，已成为工业领域中应用最为广泛的结构性铝合金材料之一，在汽车轻量化、轨道交通、工程机械及新能源装备等领域具有广阔的应用需求。然而，现有的工业化量产铝硅合金零部件仍普遍依赖传统的长流程分段制备体系，该工艺需依次经过铝土矿选矿、氧化铝焙烧制粉、冰晶石熔盐电解、原铝锭铸造、二次重熔及合金化调配等多道高温工序，存在工艺步骤冗长、因重复升温降温导致能源无效损耗严重、固定资产投资巨大、吨产品综合能耗处于冶金行业高位等结构性缺陷；更为关键的是，该工艺全过程碳排放强度高、三废排放集中，产业发展面临政策与环保的双重刚性约束。因此，为规避上述长流程缺陷，逐步发展了短流程再生铝及原矿直接熔炼等技术方案，但普遍存在提纯体系缺失、原料分选机制缺位、精炼工艺不完善等问题。具体为：原料未经有效分选即直接混熔，高低硅物料混杂导致合金硅含量波动大且普遍超标，铁及碱金属等杂质残留高；凝固过程中硅相易呈粗大针状析出，引发严重的成分偏析、分层析离及组织不均匀，最终产品脆性大、力学性能极差，仅能满足钢铁冶金脱氧、脱硫等低端应用，完全无法达到机械结构件及精密零部件对强度、韧性与致密性的要求。

2、与此同时，我国煤炭开采及煤化工产业每年产生巨量煤矸石、粉煤灰、气化渣及高岭土尾矿等硅铝酸盐工业固废，该类固废以二氧化硅与氧化铝为核心组分，是天然的硅铝资源，但现有技术未能实现铝土矿与固废的分开选矿、分质利用及差异化工艺适配，固废资源化利用率低、产品规格单一。基于此，本发明提供了一种利用铝土矿和煤基固废制备铝硅合金的方法及所得铝硅合金，以解决现有的方法能耗高、产品性能差、煤基硅铝酸盐固废与铝土矿无法协同实现高价值利用的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种利用铝土矿和煤基固废制备铝硅合金的方法及所得铝硅合金，旨在解决现有制备方法能耗高、产品性能差，煤基硅铝酸盐固废与铝土矿难以协同实现高值化利用的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种利用铝土矿和煤基固废耦合制备铝硅合金的方法，包括以下步骤：

3、s1：提供sio2质量分数<8%的铝土矿粉，以及煤基硅铝酸盐固废经前处理得到的sio2质量分数≥47%硅铝酸盐富集粉料。

4、s2：将所述硅铝酸盐富集粉料与碳质还原剂混合，进行还原反应，得到高硅铝硅合金熔体。

5、s3：将所述铝土矿粉进行电解处理，得到高纯低硅铝液。

6、s4：将所述高硅铝硅合金熔体与所述高纯低硅铝液按照目标铝硅合金零部件所需硅含量进行液相混合，加入精炼剂进行精炼处理，得到铝硅合金熔体。

7、其中，所述还原反应的温度为1450~1550℃。

8、所述精炼剂包括六氯乙烷和氟硅酸钠。

9、所述精炼的温度为720~780℃。

10、根据本技术的实施方式，所述高硅铝硅合金熔体的元素组成，以质量分数计，包括：si 25~45%、al 50~70%、杂质≤5%。

11、所述高纯低硅铝液的元素组成，以质量分数计，包括：si≤1.2%、al≥98.0%，余量为不可避免的杂质。

12、根据本技术的实施方式，所述煤基硅铝酸盐固废包括煤矸石、粉煤灰、气化渣、高岭土中的至少一种。

13、所述铝土矿粉的平均粒径为80~120目。

14、所述硅铝酸盐富集粉料的平均粒径为80~120目。

15、根据本技术的实施方式，所述碳质还原剂为兰炭还原剂。

16、所述碳质还原剂的添加量为所述硅铝酸盐富集粉料的质量的8~15%。

17、所述还原反应的时长为2~4h。

18、根据本技术的实施方式，所述电解处理采用熔盐电解槽。

19、所述电解处理的电压为2.8~3.5v。

20、所述电解处理的温度为850~900℃。

21、根据本技术的实施方式，所述精炼剂的添加量为所述高硅铝硅合金熔体与所述高纯低硅铝液的总质量的0.2~0.5%。

22、所述六氯乙烷与所述氟硅酸钠的质量比为3:1~7:1。

23、所述精炼的时长为15~30min。

24、根据本技术的实施方式，所述高硅铝硅合金熔体与所述高纯低硅铝液的质量比为1:0.5~1:2。

25、所述目标铝硅合金为亚共晶铝硅合金。

26、所述目标铝硅合金中的硅质量分数大于等于9.0%，且小于12.6%。

27、所述铝硅合金熔体的组成，以质量分数计，包括：si 9.0~12.6%，杂质总含量≤2.4%，余量为al。

28、根据本技术的实施方式，将所述铝硅合金熔体直接经成型处理，即得铝硅合金零部件。

29、所述成型处理的步骤，包括：

30、将所述铝硅合金熔体通过保温流道直接输送至成型设备进行成型处理，且不经过铸锭、冷却和二次重熔工序，即直接得到所述铝硅合金零部件。

31、根据本技术的实施方式，所述铝土矿粉的制备方法，包括：将铝土矿依次破碎、球磨、筛分至80~120目，再采用重选-浮选联合选矿工艺脱除氧化铁、泥沙及脉石杂质，得到sio2质量分数<8%、fe2o3质量分数≤2.5%的铝土矿粉。

32、所述前处理的方法，包括：将煤基硅铝酸盐固废依次破碎、球磨、筛分至80~120目，再采用重选-浮选联合选矿工艺脱除惰性杂质、重金属以及黏土残渣，得到sio2质量分数≥47%、al2o3≥42%的硅铝酸盐富集粉料。

33、本发明还提供了一种铝硅合金，根据上述的利用铝土矿和煤基固废制备铝硅合金的方法制备得到。

34、所述铝硅合金的抗拉强度为≥180mpa。

35、所述铝硅合金的延伸率为≥8%。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果：

37、上述的利用铝土矿和煤基固废制备铝硅合金的方法及所得铝硅合金，通过将低硅铝土矿与煤基硅铝酸盐固废分别处理、精准耦合的工艺，充分发挥了富硅铝固废和低硅铝土矿的各自优势，避免了物料混杂导致的原料利用率下降问题，实现了铝硅资源的高效协同利用与能耗的显著降低；一方面，利用煤基固废经前处理获得的硅铝酸盐富集粉料，在1450~1550℃下经碳质还原直接制备高硅铝硅合金熔体，有效突破了煤基硅铝酸盐固废难以高值化利用的技术瓶颈，实现了固废中硅铝组分向合金化方向的定向转化；另一方面，将sio2质量分数<8%的铝土矿粉料通过电解工艺制备高纯低硅铝液，充分发挥了低硅铝土矿在电解过程中的低能耗优势。通过将上述两种熔体按目标铝硅合金的硅含量比例进行调配，可灵活生产不同硅含量规格的铝硅合金，避免了传统工艺中对单一原料进行复杂提纯或合金化的高能耗工序，从根本上解决了现有技术能耗高、原料利用率低的问题，同时实现了煤基固废与铝土矿的协同高价值利用。另外，本发明通过精炼剂与精炼温度的协同优化，有效去除了高硅铝硅合金熔体与高纯低硅铝液混合过程中引入的杂质和气体，显著提升了铝硅合金熔体的纯净度与组织均匀性，消除了硅相偏析和分层析离现象，使合金组织更加均匀致密。其中，六氯乙烷与氟硅酸钠复配使用，可在较低温度下高效发挥除气除渣作用，减少合金烧损，既保证了精炼反应的充分进行，又有效抑制了高温下硅的偏析与晶粒粗化，可直接经成型处理获得铝硅合金零部件，显著提升了产品的综合性能与成品率，能够满足高端结构件的性能要求。

38、本发明的方法简单，操作方便，省去了铝锭铸造、冷却堆放及二次重熔等工序，显著缩短了生产流程，降低了综合能耗和生产周期，全程采用绿电供电，碳排放低。此外，本发明可大量消耗煤基固废，减少土地占用和环境污染，且符合绿色冶金和双碳发展方向，具有良好的工业化应用前景。