抚顺页岩废渣冶炼硅铝铁合金可行性研究

李兆福，赵鑫

（抚顺矿业集团有限责任公司，辽宁抚顺113000）

硅铝铁合金在炼钢脱氧剂和炼镁行业应用较广泛[1，2]，同时在电子封装、铸造、军工等行业都有贡献[3-7]。硅铝合金的冶炼方法有电解掺兑法、融盐电解法和电热还原法等[8]。其中电热还原法适用于品位较低的铝硅合金矿物资源，如蓝晶石、低铁铝土矿、硅线石、高岭土及煤矸石等[9，10]。抚顺页岩废渣是页岩炼油过程中产生的无机矿物。随着页岩油工业的发展，页岩废渣的储量逐年增加。由于其富含硅铝元素，页岩废渣冶炼硅铝合金的可行性成为页岩油加工工业经济最大化的研究方向之一。

采用页岩废渣作为主要原料，掺配石油焦作为还原剂、钠基或氨基亚硫酸盐型纸浆废液作为粘合剂进行了电热还原冶炼试验。为抚顺页岩废渣冶炼硅铝合金可行性研究奠定了基础。

1 试验部分

1.1 原料与试验设备

主要原料：页岩废渣、石油焦、亚硫酸钠型纸浆废液。

主要试验设备：实验室小型电弧炉、ARL9900XP型X-射线荧光光谱仪（XRF）、XRD-6100衍射分析仪、BSE背散射电子成像仪。

1.2 试验方法

1.2.1 原料成分及物相分析

其成分用ARL9900XP型X-射线荧光光谱仪（XRF）进行分析，结果如表1所示。

表1 抚顺油页岩灰渣硅酸盐全分析结果 ω（B）/10-2

用扫描电镜对其微观结构进行辅助分析，结果如 图1所示。

图1 抚顺页岩废渣扫描电镜微观结构

如图1所示，抚顺油页岩废渣微观结构为颗粒片层状结构，大小性状不一。由于炼油加工对抚顺油页岩原有成分的改变，在颗粒间有大小不一的空洞出现，这是由于油页岩中的碳酸盐及可挥发性有机质成分，随着炼油工艺的发生而从页岩中分解脱离出去造成的。

1.2.2 冶炼方法

采用电热还原法，以页岩废渣为原料，以石油焦为还原剂，粉磨后加入粘结剂成型后在矿热电弧炉中熔炼。电弧炉熔炼过程中，电压保持在20～25 V，电流在1 000～1 500 A，熔炼过程功率约为20～25 kW。熔炼过程中随反应进程添加新料，反应结束后埋料绝氧，自然冷却至室温，制得硅铝合金。

2 结果与讨论

2.1 成分分析

对制备出的合金打眼取样进行荧光分析，结果如表2所示。

表2 合金的主要成分全分析结果 ω（B）/10-2

上述取样位置1#为合金上部，2#为合金中部，3#为合金下部，由于在电弧炉启动初期加入了约100 g铝锭，导致下部合金的铝含量较高。因此合金成分的检测结果应该取1#与2#的平均值。即以页岩渣制取的铝硅铁合金中含铝约15%，含硅59%，含铁23%，从成分上看冶炼的产品纯度较高，实现了由页岩废渣转变为金属合金的可能性。

2.2 XRD分析

将获得的合金经过敲碎，取其中一小块合金经过砂纸打磨后进行物相分析和形貌分析，X射线衍射分析结果如图2所示。

由XRD衍射分析认为，合金中铝主要以铝硅铁合金相形式存在，而铁主要以硅铁相和铝硅铁相形式存在，其中也含有一定量的碳化硅。碳化硅是冶炼过程中较易出现的过渡产物，主要是由配碳量的多少以及还原温度等因素所决定的。但在进一步调整方案的过程中是可以去除的。化验检测时也能够带入一定的碳化硅，图谱中碳化硅的峰值很强是由于相对金属相，大部分的非金属物相峰的强度要成倍数的高，虽然碳化硅的含量很低，但在物相分析中会表现得比较突出。

2.3 BSE背散射电子成像分析

对冶炼得到的合金进行BSE背散射扫描电镜分析，见图3和图4。图4为铝硅铁合金的背散射图中不同点的元素分布。

图4 合金断面的元素分布

由图3和图4可知，合金最多的是硅，硅在整个合金断面均有分布，而铝多与硅在一起，铁也是与硅以硅铁形式在一起，钒与钛共生。

3 结论

（1）以页岩渣制取的铝硅铁合金中含铝约15%，含硅59%，含铁23%，从成分上看冶炼的产品纯度较高，实现了由页岩废渣转变为金属合金的可能性。

（2）合金中铝主要以铝硅铁合金相形式存在，而铁主要以硅铁相和铝硅铁相形式存在，其中也含有一定量的碳化硅。

（3）合金最多的是硅，硅在整个合金断面均有分布，而铝多与硅在一起，铁也是与硅以硅铁形式在一起，钒与钛共生。

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