製備鋁-矽合金的方法和系統的製作方法

2023-05-19 22:40:36 1

專利名稱：製備鋁-矽合金的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及鋁-矽合金的製備，更具體地講涉及通過二氧化矽的鋁熱還原製備招-娃合金。
背景技術：
鋁-矽(Al-Si)合金可通過這樣來製備:熔解鋁並將熔融鋁加熱至1200°C以上。然後，可將二氧化矽(SiO2)以石英細粒或石英砂的形式加入，並混入熔融鋁30至120分鐘。通過將熔融鋁超加熱至超過1200°C的溫度，當與二氧化矽混合時熔融鋁的總體溫度能夠達到約1150°C的目標反應溫度。該熱量允許二氧化矽與熔融鋁發生還原，得到鋁-矽合金以及二氧化矽和氧化鋁(Al2O3)的副產物渣。比融鋁合金重的(即更緻密的)渣與合金分離並沉入熔融浴的底部，在該底部將其除去。然後，如此製得的鋁-矽合金可進一步加工成更純形式的矽，用於化學、太陽能或半導體應用。然而，對於當前的加熱工藝如使用感應爐來實現二氧化矽反應的所需溫度，熔融鋁必須過度受熱(即超加熱)。 這會導致鋁以過度加熱產生的蒸氣損失。此外，因為二氧化矽的密度比鋁小，所加入的二氧化矽往往漂浮在熔融鋁的頂部，使得混合難以進行而且會抑制二氧化矽與熔融鋁之間的總體反應。攪拌該混合物是困難的，因為二氧化矽存在這種漂浮趨勢，而且通常由石墨製成的耐高溫混合槳葉是脆性的並會因混合期間產生的剪切應力趨於斷裂。最後，副產物渣(通常為Al2O3和SiO2)具有高熔融溫度，隨著渣沉入熔融浴的底部，固體渣顆粒會捕集一些鋁-矽合金。副產物渣還會粘附到爐子的耐火襯上，形成難以除去的硬皮。由於當前工藝中的這些低效性，在還原二氧化矽並形成鋁-矽合金中，鋁的利用率僅為約50%。即，僅有約二分之一的原始鋁與矽形成合金；其餘的部分以蒸氣、渣的形式損失，或因渣的分離而被捕集。由於鋁佔工藝總體成本的很大一部分，因此仍需要提供更有效的製備鋁-矽合金的方法。

發明內容
在一個實施方案中，製備鋁-矽合金的方法包括將二氧化矽預熱至預定溫度，然後將預熱的二氧化矽與鋁合併，以便熔解鋁並製備鋁-矽合金。所謂「預定溫度」是指低於二氧化矽的熔點(大約1625°C )但高於鋁的熔點(大約660°C )的溫度，使得當合併時，鋁將熔解並且二氧化矽和鋁處於鋁熱反應發生的適當溫度(即高於約1000°C )。優選地，二氧化矽以具有約1.0mm至約5.0mm,更優選約2.0mm至約5.0mm的平均粒徑的顆粒形式提供。一般來講，低於約0.6mm直徑的粒度不是優選的。鋁在與預熱的二氧化矽合併前也可被預熱，或者鋁可以處於環境溫度下。如果預熱鋁，則優選在其與預熱的二氧化矽合併之前，在爐子中加熱至高於其熔點但低於約1200°C的溫度。鋁可以固體錠、彈丸、板、粒料的形式或任何其他合適的形式提供。鋁可為基本上純的形式，或者可為鋁-矽合金例如80重量％鋁與20重量％矽的形式。在一個實施方案中，將鋁在與預熱的二氧化矽合併之前塗覆二氧化矽顆粒。例如，可使二氧化矽顆粒形成液體漿料，並施用至鋁的表面，然後使漿料乾燥。我們發現，用二氧化矽顆粒預塗覆鋁可使鋁免受過度氧化。優選地，一旦鋁熔解後，即攪拌合併的預熱的二氧化矽與熔融鋁，以促進混合。通過預熱二氧化矽，鋁不需要預熱或超加熱。因此，使較少的鋁在加工期間因氧化和蒸發而損失，更多的鋁可用於與矽形成合金。在另一個實施方案中，製備鋁-矽合金的方法包括:在迴轉窯中將二氧化矽預熱至預定溫度，將鋁加入預熱的二氧化矽以熔解鋁，在迴轉窯中提供惰性氣氛，並攪拌迴轉窯以製備鋁-矽合金。優選地，迴轉窯包括含有隔熱耐火材料的內襯。一般來講，迴轉窯以約
0.1RPM至約30RPM、約3RPM至約30RPM或約3RPM至約15RPM的轉速旋轉。在又一個實施方案中，製備鋁-矽合金的系統包括迴轉窯，該迴轉窯包括具有窯口的室，該窯口適於接納熱源例如燃燒器。熱源可有效用於預熱設置在迴轉窯中的二氧化矽，並且迴轉窯優選包括接收鋁的入口，而鋁可在環境溫度下加入或可在爐子中預熱以使其熔解。迴轉窯包括旋轉驅動機構，用於攪拌和合併二氧化矽與鋁以製備鋁-矽合金。一般來講，通過實踐本發明的實施方案得到的鋁-矽合金包含約20重量％至約55重量％的矽和約80重量％至約45重量％的鋁。例如，在一個實施方案中，所得的鋁-矽合金包含約50重量％的矽和約50重量％的鋁。這些以及另外的特徵和優點將通過以下具體實施方式
、附圖和所附權利要求書得到更充分的理解。


附圖中示出的實施方案在本質上是例證性和示例性的，不旨在限制由所附權利要求限定的發明。結合以下附圖閱讀時，可理解例證性實施方案的以下具體實施方式
，在附圖中:圖1是根據本文所示實施方案中的一個或多個製備鋁-矽合金的示例性方法的示意性流程圖；以及圖2是製備鋁-矽合金的系統的一個實施方案的示意圖。
具體實施例方式本公開的實施方案提供了通過二氧化矽的鋁熱還原製備鋁-矽合金的方法和系統。通常，鋁-矽合金包含約20重量％至約55重量％的矽和約80重量％至約45重量％的鋁。例如，在一個實施方案中，所得的鋁-矽合金包含約50重量％的矽和約50重量％的鋁。術語「鋁-矽合金」是指僅包含痕量汙染物如硼和磷的任何鋁-矽合金。痕量定義為以重量計小於約100份每一百萬份(ppmw)。具體地講，本發明的實施方案提供使用迴轉窯、預熱的二氧化矽和/或惰性氣氛來製備鋁-矽合金的方法和系統，以便更有效地利用鋁，使得工藝期間損失的鋁更少，而更多的鋁可用於與矽形成合金。此外，鋁熱反應產生的副產物渣(一般為氧化鋁)以固體形式形成，一旦熔融鋁-矽合金流出和排出後，這些固體即可容易地從反應器中除去。這些單獨或組合採用的方法和系統可改善製備鋁-矽合金的總體效率，並減少加工期間鋁的損失量。根據以下一般反應，二氧化矽在高於約900°C的溫度下可在鋁熱反應中被鋁還原:
4Al+3Si02 = 3Si+2Al203 (反應 I)然後，可將由二氧化矽的還原產生的矽與鋁合併，以製備包含約20重量％至約55重量％的矽和約80重量％至約45重量％的鋁的鋁-矽合金。在一個實施方案中，鋁-矽合金包含約50重量％的鋁和約50重量％的矽。現在參見圖1，其示出了製備鋁-矽合金的示例性方法10。方法10包括在步驟100中將二氧化矽預熱至預定的溫度。優選地，二氧化矽為小顆粒的形式，通常具有約1.0mm至約5.0mm之間或約2mm至約5mm之間的平均直徑。工藝中所用的二氧化娃可通過本領域容易知道的方法製備或商購獲得。二氧化矽還可包括二氧化矽的多種物態或相。例如，二氧化矽可包括砂、碎石英、石英細粒、熔融二氧化矽或任何其他相或物態，或它們的任何組合，其可有效用於被預熱並與鋁混合以形成如本文所述的鋁-矽合金。在步驟200中將鋁與預熱的二氧化矽合併足以熔解鋁的時間。如上所述，在與預熱的二氧化矽合併之前可將鋁塗覆二氧化矽顆粒。鋁可以任何方便的形式(包括錠、彈丸、板或粒料)提供。招可為基本上純的,或可為招-娃合金(例如包含80重量％的招和20重量％的矽的合金)形式。一旦鋁熔解後，優選在步驟300中，例如在迴轉窯中攪拌混合物以製備鋁-矽合金。如上所述，二氧化矽的溫度使得所加入的鋁將熔解，並將發生鋁熱反應。作為另外一種選擇，如上所述，鋁也可在與預熱的二氧化矽合併之前被預熱而熔解。兩個過程可基本上同時發生，使得熔融鋁在與預熱二氧化矽大約相同的時間製備。作為另外一種選擇，兩個過程中的任一者可在另一者之前發生，只要所得的產物保持適於合併的狀態即可。例如，當預熱二氧化矽首先發生時，預熱的二氧化矽可存儲在隔熱的殼體內以減少或最小化熱損失量，從而保持其預熱的狀態。同樣，當熔解鋁首先發生時，所得的熔融鋁可存儲在隔熱的殼體內以減少或最小化熱損失量，從而保持其熔融狀態。在步驟100中，預熱二氧化矽包括將二氧化矽預熱至預定的溫度，該預定溫度通常在約1000°C至約1550°C、約1300°C至約1400°C或至約1300°C的範圍內。如本領域的技術人員所理解，在整個方法10中加熱溫度可變化或波動。因此，當說到將二氧化矽預熱至約1300°C的溫度時，應當理 解實際的溫度可以波動，可以不始終在所述溫度下保持恆定。在一個實施方案中，將二氧化矽在迴轉窯中預熱。如圖2中示意性地示出，窯11包括以基本上水平構造取向的並具有外壁12的大體圓柱形。外壁12的內襯為隔熱耐火材料14。窯11還包括窯口 16和窯蓋18。例如，在操作中，二氧化矽15通過窯口加入窯中。窯口還適於接納熱源，例如燃燒器20，其可包括通過煤氣源22供給的煤氣灶。燃燒器用於將窯內的二氧化矽加熱至所需的預定溫度。一旦達到預定溫度後，即移除燃燒器20，並通過窯蓋18封閉窯口 16。在一個實施方案中，在達到預定溫度後，通過窯口 16加入環境溫度的固體鋁。隔熱耐火材料14可包括任何耐溫和隔熱的材料，其可有效用於減少熱從窯中損失，並且不會汙染鋁-矽合金產物。例如，耐火材料可包括含二氧化矽的氧化鋁、石墨、碳化矽或氮化矽。如圖所示，迴轉窯11通過齒輪24驅動，該齒輪可操作地與驅動馬達26連通。參見圖1和圖2兩者，作為另外一種選擇方法10包括在與預熱的二氧化矽合併之前熔解鋁以製備熔融鋁。鋁可裝在爐子28中，例如感應爐中，但也可使用其他類型的爐子。如上面所討論，熔解可發生在預熱二氧化矽之前、之後或這期間。將鋁加熱至高於其為約660°C的標稱熔融溫度，但並非現有技術中的超加熱。在一個實施方案中，這包括將鋁加熱至約1000°C至約1200°C、約1050°C至約1150°C或至約1100°C的溫度。通過將鋁加熱至低於現有技術工藝的溫度，將使更少的鋁在加工期間被氧化和/或蒸發以及損失。所用的較低溫度可延遲鋁的氧化。在一個實施方案中，鋁在感應爐28中熔解。在另一個實施方案中，可使用任何其他加熱裝置，例如但不限於電弧爐或煤氣爐。在一個實施方案中，在預熱二氧化矽和熔解鋁來來製備熔融鋁之後，將預熱的二氧化矽與熔融鋁例如在反應器如迴轉窯中合併。在一個實施方案中，反應器包括容器，將二氧化矽在其中預熱，使得將熔融鋁直接加入預熱的二氧化矽，而無需轉移預熱的二氧化矽。例如，當二氧化矽在窯11中預熱時，熔融鋁通過導管30加入窯中，以便鋁和二氧化矽混合。如上面所討論，當窯包括窯口 16時，熔融鋁可通過窯口 16加入窯中，並且窯口可隨後用窯蓋18封閉，以減少預熱的二氧化矽和熔融鋁的熱損失和/或材料損失。此外，任何合適的傳送方法均可用於將預熱的二氧化矽與熔融鋁合併。在一個實施方案中，隔熱的傳送裝置可用於將熔融鋁轉移至二氧化矽預熱處。在另一個實施方案中，可在容納熔融鋁的爐子之間預先設置通道，使得熔融鋁隨著重力的作用和/或門的打開和關閉從一個位置流動到另一個位置。或者，可使用任何其他供選擇的重定位形式，使得二氧化矽和鋁兩者合併時，二氧化矽保持預熱，並且鋁保持熔融。方法10還可包括在內部或在外部攪拌反應器例如窯11，例如在步驟300中通過使室旋轉以促進預熱的二氧化矽和鋁的混合。具體地講，攪拌室可包括在所述室容納預熱的二氧化矽和鋁的同時使室旋轉，使得二者充分地相互混合。當鋁以固體加入時，該攪拌加快熱傳遞，以便更迅速地熔解鋁。在一個實施方案中，旋轉圍繞室的水平軸進行，使得室的底部或離地面最近的部分向室的頂部或離地面最遠的部分旋轉。在另一個實施方案中(未示出)，反應器內部可包括當反應器旋轉時在室內移動的攪拌器，例如石墨攪拌器，以便進一步促進混合。在一個實施方案中，當二氧化矽在迴轉窯11中預熱時，反應器可包括迴轉窯，使得來自爐子28的熔融鋁可直接加入迴轉窯以促進混合。在步驟300中，反應器的攪拌(例如迴轉窯的旋轉)可在方法10期間的任何時間開始。例如，在一個實施方案中，反應器可在二氧化矽的預熱之後但在二氧化矽和鋁合併之前攪拌。在另一個實施方案中，反應器可在預熱的二氧化矽和鋁合併之後攪拌。在又一個實施方案中，反應器可在整個方法10中連續攪拌。在一個實施方案中，窯11可以各種速度旋轉，該速度取決於預熱的二氧化矽和/或鋁的總體重量以及所需的攪拌程度。在一個實施方案中，窯在約0.1RPM至約30RPM、約3RPM至約30RPM或約3RPM至約15RPM的速度下旋轉。在另一個實施方案中，窯的旋轉速度可以在整個方法10中波動。在又一個實施方案中，窯可以任何其他速度旋轉或在任何其他步驟之間旋轉，使得旋轉促進預熱的二氧化矽和鋁的混合。窯也可旋轉足以使預熱的二氧化矽與鋁混合從而導致鋁熔解並製備鋁-矽合金的時間。在一個實施方案中，將預熱的二氧化矽和鋁合併，並在窯11中旋轉約10分鐘至約200分鐘、約20分鐘至約150分鐘或約30分鐘至約120分鐘。預熱的二氧化矽和鋁混合的時間部分地取決於總批量大小、二氧化矽預熱溫度、鋁的溫度、熱從反應器的損失速率和/或反應器中的攪拌程度。在另一個實施方案中，向反應器提供惰性氣氛以清除反應器的氧氣。例如，該氣氛可基本上包含氬氣、氦氣或它們的任何組合，或含有極少或不含氧氣並且不會與二氧化矽和鋁反應的任何其他氣氛 。惰性氣氛可通過允許預熱的二氧化矽和鋁在室內繼續混合的任何可用方法提供。在圖2中示出的一個實施方案中，窯11可包括進氣口 34，而惰性氣體則可通過其被泵入室內。室還可包括排氣口 36，其與進氣口相組合，允許吹掃窯的氣氛，使得惰性氣氛得以連續提供。在另一個實施方案中，惰性氣體可在反應器密封時泵入反應器中，使得反應器密封有基本上惰性的氣氛。在又一個實施方案中，可在反應器的壁中設置多孔塞，並用於注入惰性氣體。在這樣的實施方案中，多孔塞的位置可具有進一步促進反應器中預熱的二氧化矽和鋁之間的混合的附加有益效果。作為另外一種選擇，可採用任何其他方法，使得預熱的二氧化矽和鋁在混合時反應器內的氣氛含很少的或不含氧氣。通過使反應器中氧氣的量最小化，因氧化而損失的鋁和矽更少，合金中的矽含量得以增加。作為預熱的二氧化矽和鋁之間混合的結果，預熱的二氧化矽根據反應I被還原為矽。將矽與鋁合併而形成鋁-矽合金。副產物渣也會隨著鋁-矽合金而產生，其中副產物渣通常包含5102和八1203。在本發明的多個實施方案設想的操作溫度下，副產物渣仍然是固體。方法10還包括在步驟400中從副產物渣分離鋁-矽合金。分離鋁-矽合金可以任何多種方式實現。例如，當鋁-矽合金為熔融液體時，副產物渣仍然是固體。可以傾斜反應器使得鋁-矽合金流出反應器，而留下副產物渣。在另一個實施方案中，可在反應器中提供放液口 38以排出熔融鋁-矽合金進入鑄件等中，在這裡合金冷卻並固化。在另一個實施方案中，可採用適於經受熔融鋁-矽合金的溫度的篩網或漏勺以從反應器中除去副產物渣和/或其他汙染物。或者，可使用任何其他備選的分離鋁-矽合金的工藝或方法，其中此類方法基本上將鋁-矽合金與副產物渣和任何其他添加劑或粒子分離。現在應當理解，鋁-矽合金通過預熱二氧化矽以使得鋁加熱的溫度低於現有技術提供熔融鋁所用的工藝的溫度而製備。在熔解和加工期間鋁的較低溫度起到減少鋁的任何氧化和/或蒸發損失的作用。此外，用於合併預熱的二氧化矽和鋁的反應器可攪拌例如通過旋轉攪拌，以促進兩者之間的混合。在一個實施方案中，通過加入惰性氣氛來清除氧氣進一步幫助了合金化工藝總體效率的改善。應注意，如「具體地講」、「優選地」、「一般地」和「通常」等術語在本文中並非用於限制受權利要求書保護的本發明的範圍，或暗示某`些特徵對於受權利要求書保護的本發明的結構或功能是關鍵的、必要的或甚至重要的。相反，這些術語僅僅旨在強調可以或不可以用於本發明的特定實施方案的備選的或附加的特徵。還應注意到，如「基本上」和「約」的術語在本文中用於表示可歸因於任何數量比較、數值、測量值或其他表示的固有不確定度。上文參考具體實施方案詳細描述了本發明，顯而易見的是，在不脫離所附權利要求書中限定的本發明範圍的情況下進行修改和變化是可能的。更具體地講，雖然本發明的一些方面在本文中被認為是優選的或特別有利的，但預期本發明未必限定於本發明的這些優選方面。
權利要求
1.一種製備招-娃合金的方法，所述方法包括: 將二氧化矽預熱至預定溫度； 將鋁與所述預熱的二氧化矽合併以熔解所述鋁而製備鋁-矽合金。
2.根據權利要求1所述的方法，其中將所述二氧化矽預熱至約1300°C至約1400°C的溫度。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述二氧化矽是具有約Imm至約5mm的平均直徑的顆粒形式。
4.根據權利要求1所述的方法，其中將所述鋁在與所述預熱的二氧化矽合併之前預熱至等於或低於約1200°C的溫度。
5.根據權利要求4所述的方法，其中使所述鋁在約1000°C至約1100°c的溫度下熔解。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述鋁是固體錠、彈丸、板或粒料的形式。
7.根據權利要求6所述的方法，其中將所述鋁在與所述預熱的二氧化矽合併之前塗覆二氧化矽顆粒。
8.根據權利要求7所述的方法，其中將所述二氧化矽顆粒以液體漿料施用至所述鋁的表面並乾燥。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述鋁是鋁矽合金。
10.根據權利要求1所述的方法，其中攪拌合併的預熱的二氧化矽和鋁。
11.根據權利要求1所述的方法，其中將所述預熱的二氧化矽和鋁在迴轉窯中合併。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述迴轉窯包括內襯，所述內襯包含隔熱耐火材料。
13.根據權利要求11所述的方法，其中所述迴轉窯以約0.1RPM至約30RPM旋轉。
14.根據權利要求11所述的方法，其中所述迴轉窯以約3RPM至約30RPM旋轉。
15.根據權利要求11所述的方法，其中所述迴轉窯以約3RPM至約15RPM旋轉。
16.根據權利要求11所述的方法，包括用惰性氣體清除所述迴轉窯中的氣氛。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述惰性氣體包括氬氣。
18.—種製備招-娃合金的方法,所述方法包括: 在迴轉窯中將二氧化矽預熱至預定溫度； 將鋁加至所述預熱的二氧化矽以熔解所述鋁； 在所述迴轉窯中提供惰性氣氛；以及 攪拌所述迴轉窯以製備鋁-矽合金。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述二氧化矽包括具有約Imm至約5_的平均直徑的顆粒。
20.根據權利要求18所述的方法，其中將所述二氧化矽預熱至約1300°C至約1400°C的溫度。
21.根據權利要求18所述的方法，其中所述迴轉窯包括內襯，所述內襯包含隔熱耐火材料。
22.根據權利要求18所述的方法，其中所述迴轉窯以約0.1RPM至約30RPM旋轉。
23.—種製備招-娃合金的系統,所述系統包括: 迴轉窯，所述迴轉窯包括具有窯口的室，所述窯口適於接收熱源，所述熱源可有效用於預熱設置在所述迴轉窯中的二氧化矽，所述迴轉窯還包括入口、旋轉驅動機構和出口，所述入口適於接收鋁，所述旋轉驅動機構用於攪拌並合併所述預熱的二氧化矽和鋁以熔解所述鋁而製備鋁-矽合金，所述出口用於從所述迴轉窯移出所述鋁矽合金。
24.根據權利要求23所述的系統，其中所述室的內表面包含隔熱耐火材料。
25.根據權利要求23所述的系統，其中所述旋轉驅動機構包括可有效用於使所述窯以約0.1RPM至約30RPM之間的速度旋轉的驅動馬達和驅動齒輪。
26.根據權利要求23所述 的系統，其中所述熱源包括燃燒器，並且其中所述迴轉窯還包括用於所述窯口的窯蓋，所述燃燒器適於通過所述窯口插入以加熱設置在所述窯內的二氧化矽以及從所述窯口撤出。
全文摘要
本發明提供一種製備鋁-矽合金的方法和系統，包括將二氧化矽預熱至預定溫度，並將鋁與所述預熱的二氧化矽合併以熔解所述鋁而製備鋁-矽合金。
文檔編號C22B21/00GK103154288SQ201180024695
公開日2013年6月12日 申請日期2011年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者維舒·杜特·多薩, 雷納爾多·羅德裡格斯·比塔爾 申請人:道康寧公司, 道康寧矽(巴西)工業貿易有限公司