一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法与流程

1.本发明属于冶炼技术领域，特别是涉及一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法。


背景技术：

2.随着近代工业、现代科学和新技术的蓬勃发展，硅和含硅材料的应用已普及到汽车、船舶和航空领域。由于工业硅是高纯度硅和各种含硅材料的基础材料，硅和各种含硅材料的应用领域不断扩大，从而促进了工业硅生产的迅速发展。
3.目前，由优质铝土矿或非传统含铝矿物经冶金工艺制得的铝硅铁合金主要作为炼钢脱氧剂，被广泛应用于炼钢厂。但由于炼钢脱氧剂用量有限，且价格较低，从而制约了铝硅铁合金的应用市场。如果能从铝硅铁合金提取工业硅，尤其酸洗后的纯度可达冶金级乃至多晶硅级工业硅，无疑在产品的市场容量上还是在经济价值上均具有极大意义。
4.含硅材料提纯、净化硅元素方面，有用定向凝固方法来分离含铝硅金属液中的硅，但该方法生产效率低，耗电大成本高且装备昂贵。工业上常规处理含硅、含杂质的原材料的提纯方法，通常采用西门子法，其原理是先用盐酸及纯硅制备高纯三氯氢硅，再在1100℃左右的高纯硅芯上用超高纯氢还原高纯三氯氢硅，所生成的多晶硅沉积在硅芯上。但该方法存在着环境污染严重，并且效率低、成本高、对原料纯度或杂质含量要求苛刻等缺陷。由此亟需创新一种低成本、有效分离和提纯含硅材料的相关方法、技术。
5.现有技术中，专利cn110902685a公开了“一种分离含硅混合物收得工业硅的方法”，(1)将温度为900-2500℃的液态含硅混合物金属放入保温包内；(2)控制液态含硅混合物金属的降温速度，让硅晶体析出、长大；(3)结晶硅自身或小孔滤网的过滤装置将长出的固态工业硅过滤收得；(4)工业硅过滤后剩余的液态混合物其他液相元素充分甩出或压出分离，得到合金副产品。该方法将超重力离心引入硅与合金熔剂的分离中，分离效率较之前的定向凝固方法得以大幅提高。但该工艺存在一个致命问题：离心分离是在高温液态下进行，而高温熔融铝合金液对各种金属材料均具有极强腐蚀性，所以很难低成本找到一种材料既能在高温下具有高强度且能够耐高温铝液侵蚀。所以该工艺无法进行高效、大规模的实际应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种从铝硅铁合金提取工业硅，该方法有效实现了铝硅铁合金中高价值工业硅的低成本分离，尤其酸洗后的纯度可达冶金级乃至多晶硅级工业硅，原料来源广、能耗低且无新的固废排放，实现资源利用率最大化，易于实现产业化应用。
7.本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
8.一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法，步骤是：
9.(1)将铝硅铁合金投入中频炉内进行高温熔炼，得到铝硅铁合金熔融体；
10.(2)将熔融体在模具中进行浇铸，控制冷却降温速度和时间，让合金相析出、长大，
而后自然冷却至室温，得到一级铝硅铁合金块；
11.(3)将一级铝硅铁合金块装入带加热装置的超重力离心装置内，加热至850～1050℃，使铁相熔融而初晶硅仍保持固态，启动离心机，在超重力作用下，熔体通过多孔滤板实现分离，熔液经冷却凝固后得到脱氧剂用铝硅铁合金，熔渣为工业硅。
12.在上述方法中，步骤(1)所述铝硅铁合金是由含铝硅矿物经冶金工艺制得，含铝硅矿物为含铝硅废渣或低品位铝矿资源，其中：所述的含铝硅废渣包括铝土矿浮选尾矿、煤矸石、粉煤灰和页岩渣，选择其中一种或几种混合；所述的低品位铝矿资源包括铝硅比较低的铝土矿、高岭石、钠长石、钾长石，选择其中一种或几种混合。
13.在上述方法中，步骤(1)所述铝硅铁合金成分中al质量分数为10～90％，si质量分数为10～90％，fe质量分数为0.7～10％。
14.在上述方法中，步骤(1)所述中频炉内熔融温度1400～1600℃。
15.在上述方法中，步骤(2)所述熔融体浇铸后，以1～20℃/min速度降温到850～1050℃，保温30～120min。
16.在上述方法中，步骤(3)所述一级铝硅铁合金块加热至850～1050℃后保温60～300min，超重力系数为200～500g，分离时间为5～15min。
17.在上述方法中，步骤(3)所述多孔滤板为s310耐高温不锈钢过滤器。
18.在上述方法中，步骤(3)所述超重力分离为连续处理或间歇性批处理。
19.在上述方法中，步骤(3)所述不仅可以生产出酸洗后的纯度可达冶金级乃至多晶硅级工业硅，又可以得到脱氧剂用铝硅铁合金。
20.本发明是基于如下事实来完成的：
21.1、在铝硅铁熔融体降温结晶过程中，利用铝硅铁熔融体的偏析净化原理，让较纯净的硅晶体先析出、长大，控制降温曲线使硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，利用析出硅晶体原子结构排列的自身规律生长所形成的独特骨架结构；继续降温后，剩余熔融态的合金凝固存在于硅相形成的骨架空隙中形成固体块。
22.2、将铝硅铁熔融体冷却形成的固体块再加热熔融时，因初晶硅和铁相熔融温度的不同，可选取特定高温熔融温度，使铁相熔融而初晶硅仍保持固态，而后在超重力作用下，分离得到脱氧剂用铝硅铁合金和工业硅，从而实现铝硅铁合金的分级提纯。
23.3、在超重力离心过程中，片状结晶硅形成的骨架结构成为了很好的自身过滤装置，从而实现了高温阶段的有效分离、过滤。
24.本发明具有的优点：以含铝矿物经冶金工艺生产的铝硅铁合金为原料，提出一种高效、环保并能够连续、大规模生产的方法，有效实现了铝硅铁合金中高价值工业硅的低成本分离，不仅可以生产出脱氧剂用铝硅铁合金，又可以得到酸洗后的纯度可达冶金级乃至多晶硅级工业硅，综合回收利用率高，生产效率高，无环境污染，易于工业化推广，社会效益和经济效益显著。
附图说明
25.图1是本发明的铝-硅-铁三元合金相图。
26.图2是本发明的工艺流程。
具体实施方式
27.下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.实施例1
29.一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法，其工艺流程图如图2所示，包括以下步骤：
30.将100kg铝硅铁合金投入中频炉内进行高温熔炼，熔料温度为1400～1600℃，其中铝硅铁合金成分中al质量分数为52.45％、si质量分数为41.98％、fe质量分数为2.65％，得到铝硅铁合金熔融体；将熔融体在模具中进行浇铸，而后2℃/min降温到900℃，在该温度下保温120min，让合金相析出、长大，而后自然冷却至室温，得到一级铝硅铁合金块。如图1所示，本发明合金相图显示，当冷却温度降到950～1000℃时，硅晶体先析出、长大，随着冷却温度降低，熔体中硅含量逐渐减少，当温度降到750～800℃，针状或片状的铁相开始晶出，继续降温到577℃以下，剩余熔融态的合金凝固存在于硅相形成的骨架空隙中形成固体块。
31.将100kg一级铝硅铁合金块装入带加热装置的超重力离心装置内，加热至1000℃，保温180min，使铝硅熔融而初晶硅和铁相仍保持固态，启动离心机，超重力系数为212g，分离时间为10min，在超重力作用下，熔体通过多孔滤板实现分离，熔液经冷却凝固后得到脱氧剂用铝硅铁合金82.98kg，其中fe质量分数为3.15％，si质量分数为30.18％，熔渣为工业硅17.02kg，工业硅纯度为99.52％。
32.实施例2
33.一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法，其工艺流程图如图2所示，包括以下步骤：
34.将100kg铝硅铁合金投入中频炉内进行高温熔炼，熔料温度为1400～1600℃，其中铝硅铁合金成分中al质量分数为52.45％、si质量分数为41.98％、fe质量分数为2.65％，得到铝硅铁合金熔融体；将熔融体在模具中进行浇铸，而后5℃/min降温到950℃，在该温度下保温90min，让合金相析出、长大，而后自然冷却至室温，得到一级铝硅铁合金块。如图1所示，本发明合金相图显示，当冷却温度降到950～1000℃时，硅晶体先析出、长大，随着冷却温度降低，熔体中硅含量逐渐减少，当温度降到750～800℃，针状或片状的铁相开始晶出，继续降温到577℃以下，剩余熔融态的合金凝固存在于硅相形成的骨架空隙中形成固体块。
35.将100kg一级铝硅铁合金块装入带加热装置的超重力离心装置内，加热至950℃，保温180min，使铝硅熔融而初晶硅和铁相仍保持固态，启动离心机，超重力系数为212g，分离时间为10min，在超重力作用下，熔体通过多孔滤板实现分离，熔液经冷却凝固后得到脱氧剂用铝硅铁合金78.23kg，其中fe质量分数为3.32％，si质量分数为27.10％，熔渣为工业硅21.77kg，工业硅纯度95.45％。
36.实施例3
37.一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法，其工艺流程图如图2所示，包括以下步骤：
38.将100kg铝硅铁合金投入中频炉内进行高温熔炼，熔料温度为1400～1600℃，其中铝硅铁合金成分中al质量分数为52.45％、si质量分数为41.98％、fe质量分数为2.65％，得到铝硅铁合金熔融体；将熔融体在模具中进行浇铸，而后5℃/min降温到950℃，在该温度下保温90min，让合金相析出、长大，而后自然冷却至室温，得到一级铝硅铁合金块。如图1所示，本发明合金相图显示，当冷却温度降到950～1000℃时，硅晶体先析出、长大，随着冷却
温度降低，熔体中硅含量逐渐减少，当温度降到750～800℃，针状或片状的铁相开始晶出，继续降温到577℃以下，剩余熔融态的合金凝固存在于硅相形成的骨架空隙中形成固体块。
39.将100kg一级铝硅铁合金块装入带加热装置的超重力离心装置内，加热至950℃，保温300min，使铝硅熔融而初晶硅和铁相仍保持固态，启动离心机，超重力系数为212g，分离时间为10min，在超重力作用下，熔体通过多孔滤板实现分离，熔液经冷却凝固后得到脱氧剂用铝硅铁合金79.45kg，其中fe质量分数为3.27％，si质量分数为28.51％，熔渣为工业硅20.55kg，工业硅纯度94.05％。
40.实施例4
41.一种从铝硅铁合金提取工业硅的方法，其工艺流程图如图2所示，包括以下步骤：
42.将100kg铝硅铁合金投入中频炉内进行高温熔炼，熔料温度为1400～1600℃，其中铝硅铁合金中al质量分数为55.47％、si质量分数为38.52％、fe质量分数为3.65％，得到铝硅铁合金熔融体；将熔融体在模具中进行浇铸，而后1℃/min降温到900℃，在该温度下保温120min，让合金相析出、长大，而后自然冷却至室温，得到一级铝硅铁合金块。如图1所示，本发明合金相图显示，当冷却温度降到900～950℃时，硅晶体先析出、长大，随着冷却温度降低，熔体中硅含量逐渐减少，当温度降到750～800℃，针状或片状的铁相开始晶出，继续降温到577℃以下，剩余熔融态的合金凝固存在于硅相形成的骨架空隙中形成固体块。
43.将100kg一级铝硅铁合金块装入带加热装置的超重力离心装置内，加热至900℃，保温180min，使铝硅熔融而初晶硅和铁相仍保持固态，启动离心机，超重力系数为212g，分离时间为10min，在超重力作用下，熔体通过多孔滤板实现分离，熔液经冷却凝固后得到脱氧剂用铝硅铁合金76.32kg，其中fe质量分数为4.60％，si质量分数为20.43％，熔渣为工业硅23.68kg，工业硅纯度为96.81％。
44.本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。