氟硅酸钠制备铝-硅合金和冰晶石的方法

摘要

氟硅酸钠制备铝-硅合金和冰晶石的方法涉及材料技术领域，特别涉及一种由氟硅酸钠与铝反应制备铝-硅合金和冰晶石的方法。本发明包括以下步骤：a.将100-110kg的工业铝粉在石墨坩埚中熔融，并保持温度在800℃-900℃；b.将40-200kg的工业氟硅酸钠和氟化钠粉末在干燥的氩气保护下以3-5kg/min的速度吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，得到冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金；c.将得到的冰晶石固体与熔融态铝-硅合金分离。本发明避免了传统工艺路线产生的“三废”和高能耗等问题，环境负荷较小，环境效益较高。

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别涉及一种由氟硅酸钠与铝反应制备铝-硅合金和冰晶石的方法。

背景技术

铝-硅合金是一种强复合脱氧剂，在炼钢过程中代替纯铝可提高脱氧剂利用率，并可净化钢液，提高钢材质量。用铝脱氧的钢锭，一般称为镇定钢，由于铝脱氧后会被氧化成氧化铝，氧化铝可以细化奥氏体晶粒，所以铝脱氧的钢具有较好的综合力学性能。铝-硅合金密度小，热膨胀系数低，铸造性能和抗磨性能好，用其铸造的合金铸件具有很高的抗击冲击能力和很好的高压致密性，可大大提高使用寿命。铝-硅合金作为一种新型E车材料、高级技电子产E材料、航天材料，在E车变速箱、发动机壳体、E阀、方向E、活塞、轮毂、高级技电子产E和高温环境下的航空E件上有广阔的应用前景，常用其生产航天飞行器和汽车零部件。

冰晶石（Cryolite）主要用作铝电解的助熔剂，橡胶、砂轮的耐磨填充剂，搪瓷乳白剂，玻璃遮光剂和金属熔剂，农作物的杀虫剂等。在制铝工业上，迄今为止还没有发现另一种化合物可以代替冰晶石。这是因为冰晶石除了能够溶解氧化铝以外还具有其它一些不可缺少的性质，如不含比铝更正电性的元素，稳定性好，在一般条件下不分解、不挥发、不潮解，熔点高于铝，导电性好，节约电量等。可以说，如果没有冰晶石，全世界也许就没有如此大规模的铝工业，价格也就没有这么低，应用也就没有这么广泛。铝-硅合金是应用最广的铸造铝合金，目前世界各国所用的铝-硅合金均是纯铝与纯硅混熔掺兑生产的。生产纯铝需要高品位的铝土矿，我国铝土矿的静态保障年限只有十多年，且该方法生产铝-硅合金工艺流程长而复杂，能耗高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种利用磷肥企业低价值副产物氟硅酸钠制备高附加值的铝-硅合金，且过程中不会产生难以处理的废弃物，高效地利用磷肥企业中副产的氟硅酸钠，采用熔融态铝与氟硅酸钠反应制备铝-硅合金和冰晶石的方法。

本发明所述的一种氟硅酸钠制备铝-硅合金和冰晶石的方法，包括以下步骤：

a. 将100-110kg的工业铝粉在石墨坩埚中熔融，并保持温度在800℃-900℃；

b. 将40-200kg的工业氟硅酸钠和氟化钠粉末在干燥的氩气保护下以3-5kg/min的速度吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，得到冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金；

c. 将得到的冰晶石固体与熔融态铝-硅合金分离。

步骤a所述的将工业铝粉在石墨坩埚中熔融是将石墨坩埚放置于带加热的密闭反应釜中。

步骤a中工业铝粉必须过量2.3-10.3倍。

步骤b中工业氟硅酸钠和氟化钠混合均匀，其中氟硅酸钠的纯度在98%wt）以上，Fe含量不超过0.3% wt.。

步骤b反应时间在15min-60min之间，反应温度在660℃-1100℃之间。

步骤b中的缓慢吹入，是通过喷砂装置以3-5kg/min的速度吹入。

步骤c所述的分离为溢流分离的方式。

本发明所述的氟硅酸钠制备铝-硅合金和冰晶石的方法，是利用氟硅酸钠与铝反应，在铝过量的情况下，控制不同的摩尔比、反应时间及反应温度，得到硅含量不同的铝-硅合金。

本发明的原理可根据下列反应方程式进行描述和说明：

Na₂SiF₆ → 2NaF + SiF₄         （1）

3SiF₄ + 4Al → 4AlF₃ + 3Si       （2）

3NaF + AlF₃ → Na₃AlF₆         （3）

4Al + 3Na₂SiF₆ + 6NaF → 4 Na₃AlF₆ + 3Si

当Al过量时形成Al-Si合金。

本发明的突出优点是它的经济和环境价值。经济价值在于延伸了磷肥企业低价值副产物氟硅酸钠的产业链，将氟硅酸钠与铝反应得到高附加值产品铝-硅合金和冰晶石，使磷肥企业特有的氟、硅资源得到了充分、高效的利用。

本发明的环境价值在于为磷肥企业提供了一种有别于传统氟、硅资源利用的环境友好型创新工艺方法，氟硅酸钠与铝反应、控制不同的摩尔比，制备硅含量不同的铝-硅合金和冰晶石产品，避免了传统工艺路线产生的“三废”和高能耗等问题，环境负荷较小，环境效益较高。

本发明的创新工艺方法可采用现有的技术、并且经过大规模工业生产验证的单元设备来实施和实现。

具体实施方式

本发明所述的氟硅酸钠制备铝-硅合金和冰晶石的方法将在下述实施例中加以详细说明，但不限于实施例。

实施例1

先将102kg工业铝粉置于石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入密闭反应釜加热使工业铝粉熔融，并保持温度在800℃-900℃之间。然后将47kg工业氟硅酸钠和21kg事先干燥并混匀的氟化钠粉末在干燥的氩气保护下缓慢吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，温度保持700℃、反应30min，得到70kg冰晶石固体和100kg熔融态的铝-硅合金，其中硅含量为7%。最后通过溢流的方式将冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金分离。

实施例2

先将103.6kg工业铝粉置于石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入密闭反应釜加热使工业铝粉熔融，并保持温度在800℃-900℃之间。然后将84.1kg工业氟硅酸钠和37.6kg事先干燥并混匀的氟化钠粉末在干燥的氩气保护下缓慢吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，温度保持800℃、反应20min，得到125kg冰晶石固体和100kg熔融态的铝-硅合金，其中硅含量为12.5%。最后通过溢流的方式将冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金分离。

实施例3

先将104.3kg工业铝粉置于石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入密闭反应釜加热使工业铝粉熔融，并保持温度在800℃-900℃之间。然后将100.8kg工业氟硅酸钠和45kg事先干燥并混匀的氟化钠粉末在干燥的氩气保护下缓慢吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，温度保持900℃、反应15min，得到150kg冰晶石固体和100kg熔融态的铝-硅合金，其中硅含量为15%。最后通过溢流的方式将冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金分离。

实施例4

先将105.7kg工业铝粉置于石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入密闭反应釜加热使工业铝粉熔融，并保持温度在800℃-900℃之间。然后将134.2kg工业氟硅酸钠和60kg事先干燥并混匀的氟化钠粉末在干燥的氩气保护下缓慢吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，温度保持750℃、反应40min，得到200kg冰晶石固体和100kg熔融态的铝-硅合金，其中硅含量为20%。最后通过溢流的方式将冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金分离。

实施例5

先将107.1kg工业铝粉置于石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入密闭反应釜加热使工业铝粉熔融，并保持温度在800℃-900℃之间。然后将167.6kg工业氟硅酸钠和74.9kg事先干燥并混匀的氟化钠粉末在干燥的氩气保护下缓慢吹入石墨坩埚中与熔融铝反应，温度保持850℃、反应25min，得到250kg冰晶石固体和100kg熔融态的铝-硅合金，其中硅含量为25%。最后通过溢流的方式将冰晶石固体和熔融态的铝-硅合金分离。