摘要

將粉煤灰的應用向高附加值的精細化工和冶金領域發展成為了研究的熱點。以粉煤灰為原料或原料之一制備鋁硅基合金，不僅有利于解決當前由粉煤灰所帶來一系列的嚴峻的環境問題，同時也實現了粉煤灰高附加值利用，具有廣闊的應用推廣前景。文章詳細介紹了近年來粉煤灰在制備鋁硅合金、鋁硅鐵合金以及其他鋁硅基合金中的應用。結果表明：以粉煤灰為原料制備各種牌號的鋁硅基合金，礦熱爐法是主要制備方法。其中，礦熱爐法制備鋁硅合金盡管比電解法、兌摻法具有不可比擬的優勢，但其對原料成分要求較高，適應范圍十分有限，因此難以實現大規模產業化；礦熱爐法制備硅鋁鐵合金，對原料及產品的要求相對寬松，反應溫度較低，能耗降低，成本較低，有望在水電充足的地區實現大規模生產；而對于粉煤灰中錳、鈦、鎂、鋇等含量較高的原料，采用礦熱爐法制備硅鋁明、鋁硅錳鐵鈦合金等其他鋁硅基合金，將大幅降低生產成本，有一定的發展前景。

我國作為世界上主要的煤開采國和消費國之一，有一半的煤用于火力發電，通常每消耗4t煤就產生1t粉煤灰，所以不可避免地產生了大量的粉煤灰固體廢棄物。預計2015年我國的粉煤灰產生量在5.5～5.8億t，將給人們的生活和動植物的生長等造成嚴重的危害。

目前，國內外的粉煤灰主要應用在建筑、交通和土壤改良等方面，少部分用于環保和化工工業。隨著科學技術的發展，粉煤灰的應用逐步從低附加值的建筑工程和基礎工程領域向高附加值的精細化工和冶金領域發展，受到越來越多的關注，也是未來粉煤灰研究的方向。

近幾年，針對不同的粉煤灰原料進行了大量研究，如從粉煤灰中提取微量金屬元素以及去除粉煤灰中的有害成分。隨著鋁土礦資源的緊張，更是涌現出了大量從粉煤灰中提取氧化鋁的研究，其所用原料的氧化鋁含量接近或超過高鋁粉煤灰(Al2O3≥37%)。但由于粉煤灰的物理化學特性取決于煤種、制粉系統、鍋爐爐型、除塵器類型、除塵方式、運行工況等多種因素，所以不同電廠的粉煤灰性質差異很大。對氧化鋁含量相對較低的粉煤灰提鋁效率低，因此開發新的技術充分利用低鋁粉煤灰具有重要意義。本文主要介紹綜合利用粉煤灰制備鋁硅基合金的研究現狀和發展方向。

1 粉煤灰在鋁硅基合金中的應用

1.1 粉煤灰在制備鋁硅合金中的應用

鋁硅合金生產主要有兌摻法、熔鹽電解法、碳熱還原法等。2014年，全球原鋁的產量和消費量均超過了5000萬t，據統計，其中鋁消費量的1/4應用于熔配摻兌法生產鋁硅系列鑄造合金，給我國的鋁土礦資源帶來了巨大的壓力。

然而，利用粉煤灰為原料，經碳熱還原制備鋁硅合金，每3～4t粉煤灰便可提取1t硅鋁合金，1996年吳占賢等對粉煤灰進行了基礎分析，簡要敘述爐渣粉煤灰生產鋁硅合金的工藝技術、理論依據和現實性，具體工藝流程如圖1。嚴瑞山提出的粉煤灰提取鋁硅合金的方法則更為具體，先對粉煤灰進行分級處理，細度高的用于橡膠和塑料以及化工產品的添加劑，必要時還需對粉煤灰進行除鐵處理。提取鋁硅合金后，將余下的渣制成磚、砌塊或水泥。


圖1  粉煤灰生產鋁硅合金的工藝流程
良好的球團性能有利于碳熱還原的進行，楊建平通過控制球團制備的工藝條件，以粉煤灰等為原料制備了透氣性好，抗壓強度高，熱性能穩定，適于用礦熱法冶煉鋁硅合金的球團。陳煒等[28]則通過實驗對鋁硅合金冶煉用球團進行了研究，發現選擇鈉基膨潤土作為粘接劑可獲得抗壓強度較高的粉煤灰球團，同時強度隨煅燒溫度的升高而升高，隨煅燒時間的延長而降低。郭龍對粉煤灰進行除雜處理，以除去煤泥、未燃盡的炭以及其他雜質，并用1%～15%的粉煤灰替代一部分氧化鋁添加到鋁電解槽中生產鋁硅基合金，緩解了鋁土礦資源的短缺。中科院過程工程所將含鋁礦物與粉煤灰進行碳熱沸騰氯化，并將收集的氯化產物進行低溫離子液體冶金，分別獲得鋁硅合金以及鐵副產品。
為同時脫除過量的硅以及鐵、鈦等雜質元素，山西泰爾鋼鐵有限公司開發了一種從煤矸石或粉煤灰中精制鋁硅合金的方法，該方法的示意圖如圖2，該方法充分利用了鋁硅合金共晶溫度(577℃)的性質，溫度為590～610℃時在第一反應爐內獲得具有分層結構的鋁硅合金以及錳硅鈦鐵化合物，并在第二反應爐內進行過濾并同時按要求配入合金元素，最終獲得鋁硅合金。有效除去鋁硅熔體中的雜質，精煉劑的選擇顯得尤為重要，李文聯采用44%冰晶石+47%鈉鹽+9%的鉀鹽為精煉劑，成本低，效果較為明顯。


圖2  煤矸石或粉煤灰中精制鋁硅合金流程
盧海泉將電廠的粉煤灰進行二次利用生產鋁硅合金塊，為粉煤灰的二次利用開辟了一種新方法，該方法首先將粉煤灰造球，然后壓制成型，最后在免燒窯中進行三個階段的反應，最終獲得鋁硅合金塊。同時，盧海泉還公開了一種利用粉煤灰離心制備鋁硅合金粉的方法，該方法工藝較為簡單，控制離心機內溫度為30～40℃，粉煤灰經離心后經過篩藍即可獲得鋁硅合金粉。一個完整的生產系統對實現工業化具有重要的指導意義。同方環境有限公司設計的高鋁粉煤灰(Al2O3≥50%，SiO2≥35%，Fe2O3≤1.5%)生產鋁硅合金的系統，該系統包括攪拌罐、對錕式成型機、干燥室、礦熱爐等，為一個連續的生產系統，成功制備滿足要求的鋁硅合金。
綜上所述，采用礦熱爐從粉煤灰中提取硅鋁合金，不僅有利于緩解我國的鋁土礦資源壓力，而且具有電解法生產鋁硅合金及兌摻法配制鋁硅合金不可比擬的優勢。該方法預計可節省15%～25%的電解鋁，緩解鋁土礦資源的壓力，同時又充分利用二次資源，但由于其對原料成分要求較高，適應范圍十分有限，因此難以實現大規模產業化。

1.2 粉煤灰在制備鋁硅鐵合金中的應用

鋁硅鐵合金廣泛用在煉鋼脫氧劑等領域，鄂爾多斯冶金集團技術中心的董江鵬對粉煤灰生產鋁硅鐵合金進行了經濟分析表明，該方法具有良好的經濟效益，有利于發展循環經濟。張羨夫對電熱還原高鋁粉煤灰制取Fe-A1-Si合金進行了試驗研究，氧化鐵的存在有利于降低碳熱還原的溫度，促進了氧化鋁和二氧化硅的碳熱還原反應，減少了鋁的損失，而使得生成Fe-Al-Si合金比Al-Si容易得多。

近年來，我國鐵合金產業發展迅速，但是生產鐵合金的工藝技術和裝備仍需不斷升級進步，以便降低資源、能源消耗，保護環境，發展循環經濟，實現“三廢”綜合利用。早在1998年河南溫縣電廠與西安建筑科技大學冶金工程學院合作，擬利用粉煤灰為原料冶煉硅鋁鐵合金，并進行了大量的實驗研究。在實驗條件下能獲得鋁硅鐵合金，但當時冶煉電耗高，原料消耗多，距離工業性試生產還有一定的距離。

內蒙古機電職業技術學院的李守誠就高鋁粉煤灰球團生產的造球原料、粘結劑、成型工藝等方面進行評述，對改變球團的冶金性能，抗壓強度和落地強度提出了改進工藝。北京科技大學申請的專利“一種用粉煤灰為原料生產鋁硅鐵合金的方法”公開了一種生產流程短、能耗低的方法。該方法的配料為：粉煤灰為原料，以煤泥和石油焦為還原劑，粉煤灰50%～70%，煤泥和石油焦20%～40%，加入5%～8%廢紙漿液，4%～6%水和1%～4%鋇鈣復合添加劑。制團后，在100～150℃烘干脫水，在1700～1900℃還原3～4h。該方法充分利用了電廠固體廢棄物，有利于實現資源的綜合利用。

重慶大學蔣漢祥等以及武漢科技大學的楊大兵等研究了利用電廠粉煤灰和鋁土礦為主要原料，配加赤鐵礦、硅石和添加劑CaF2，在l800～1900℃時經碳熱還原分別獲得了FeAl20Si20和Al0.3Fe3Si0.7，都說明了利用粉煤灰等原料制備鋁硅鐵合金技術上可行，提高了粉煤灰的利用附加值煤科總院撫順分院的胡哲等進行了煤矸石粉煤灰為原料冶煉鋁硅鐵合金，為煤矸石的綜合利用開辟了一條新的途徑。北京炎黃投資管理有限公司和北京航空航天大學在我國首次進行了以粉煤灰和煤矸石等工業廢料為原料，經碳熱還原制備鋁硅鐵合金的工業試驗，該項目符合我循環經濟產業政策，專家建議盡快促進該成果的產業化。
該法與生產硅鋁合金相比，生產工藝技術相似，由于原料要求以及產品的要求相對寬松，在碳熱還原的過程中Fe2O3最先被還原，Fe、Al、Si在高溫下可以無限互熔，從而導致Al-Si活度下降，反應在較低溫度下就能進行，能耗降低，成本較低，有望在水電充足的地區實現大規模生產。

1.3 粉煤灰在制備其他鋁硅基合金中的應用

清華大學的孫俊民等申請了利用高鋁粉煤灰制備硅鋁明和鋁硅錳鐵鈦合金的方法(圖3)。該方法制備的鋁硅明(即鋁硅合金)含鋁可達85%左右，同時獲得的鋁硅錳鐵鈦合金多元鐵合金可作為煉鋼的脫氧劑。


圖3  高鋁粉煤灰制備硅鋁明和鋁硅錳鐵鈦合金流程

攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司為解決高鈦型高爐渣和粉煤灰的應用難題，先將粉煤灰碳熱還原，還原后加入冷態的高鈦型高爐渣粉料進行冶煉，再經精煉除雜后獲得鋁硅鈦合金。在挖掘高鈦型高爐渣資源潛力的同時，綜合利用粉煤灰中的鋁、硅用以生產鋁硅鈦合金。當粉煤灰中含有較高含量的鐵將大大降低合金的強度性能。

邵群等采用草酸+硫酸的混合浸出劑脫出粉煤灰中的鐵用以制備鋁硅鈦合金，獲得了較好的除鐵效果。

蕪湖縣天海耐火材料有限公司公開了一種硅錳鋇合金脫氧劑及其制備方法，該方法在原料中添加粉煤灰，制備高性能的脫氧劑，降低了煉鋼的成本。沈陽金博新技術產業有限公司采用酸溶-結晶-熔鹽電解的工藝獲得金屬鋁和鋁鎂合金，該工藝耗電省，電解溫度低，生產成本低。

粉煤灰顆粒具有高硬度、中空的球狀、微細粒度等特性，是合成復合材料極具吸引力的顆粒增強材料。

安徽理工大學的曹銀南利用改性后的粉煤灰作為復合材料增強相，制備粉煤灰/Al-Mg合金基復合材料，發現在650℃成型溫度下改性粉煤灰在基體中的分散基本均勻，且硬度也最大。另外，利用適當的氫氟酸侵蝕處理粉煤灰，選擇性的溶解粉煤灰表面的玻璃體，提高粉煤灰與鋁熔體的潤濕性，促進顆粒增強體在基體中均勻分布，提高復合材料的性能。

由于不同地區的粉煤灰成分差異較大，錳、鈦、鎂、鋇等在某些地區的粉煤灰中含量較高，利用該種粉煤灰制備鋁硅基合金將大大降低生產成本。


選自：
謝克強，劉自亮，馬文會，劉勇，魏奎先
《粉煤灰制備鋁硅基合金的研究進展》