Кварц – плотный минерал кристаллического строения с плотностью 2,65 г/см3 и твердостью 7. Кварц имеет относительно высокую стоимость, поэтому его применяют при производстве кристаллического кремния.

Кварцитами называют кремнистые песчаники, в которых цементируемое вещество и цемент представлены минералами кремнезема. С увеличением содержания SiO2 в кварците увеличивается извлечение кремния и производительность печи и снижается удельный расход электроэнергии.

Для выплавки ферросилиция пригодны не все кварциты, т.к. различные их типы, даже одинакового химического состава, отличаются друг от друга поведением в плавке – в стадии как нагревания, так и восстановления при высоких температурах. Поэтому для выплавки ферросилиция марки ФС 45 используют кварцит марки КФ. Запорожский ферросплавный завод использует кварцит крупностью 25-70 мм. Обычно предварительно его подвергают мойке, дробят и сортируют. Дробление кварцита осуществляется на щековых и конусных дробилках, грохочение – на вибрационных грохотах и во вращающихся барабанах, в которых одновременно осуществляется и мойка.

Ниже приведен химический состав кварцита по отраслевому стандарту (ОСТ 14-49-80), действующему с 01.01.81, а в табл. 2.2 – химический состав кварцита Овручского месторождения.

Марка кварцита................................................................. КФ

Массовое содержание, %:

SiO2              (не менее)........................................................... 97,0

Al2O3           (не более)............................................................ 1,8

P2O5             (не более)........................................................... 0,02

Засоренность (глина, песок и т.п.) ................................... 1,0

Таблица 2.2 – Химический состав кварцита Овручского месторождения.

При выплавке ферросилиция ФС 45 основным восстановителем является коксик-орешек. Коксик (полукокс) подвергают грохочению для отсева мелочи и крупной фракции, которую направляют для дробления на валковые дробилки. После дробления коксик вновь подвергают рассеву на вибрационных грохотах. Размеры кусков коксика следует подбирать в зависимости от его физико-химических свойств, мощности и рабочего напряжения печи.

По ГОСТу коксовый орешек должен поставляться с содержанием влаги в среднем около 11%, золы - не более 11%, в кусках размером 10-25 мм, причем содержание мелочи (куски размером менее 10 мм) допускается до 10%.

Если в коксике много мелочи, то затрудняется выход газов, нарушается ход печи. Наличие крупных кусков нежелательно, т.к. увеличивается электропроводность шихты, электроды поднимаются вверх, снижается производительность печи. Запорожский завод для 45%-ного применяет коксик с рабочей фракцией 5-25 мм.

Также при производстве ферросилиция применяют и другие восстановители. Восстановитель должен обладать высокими электрическим сопротивлением и реакционной способностью по отношению к оксиду кремния, иметь низкую (1-3 %) и постоянную влажность.

Целесообразно использование кокса, полученного из бурых, длиннопламенных, газовых и слабоспекающихся углей.

Широкое применение при выплавке ФС 45 нашел ангарский полукокс, обладающий высоким электрическим сопротивлением и благоприятным составом золы, содержащей примерно 76% SiO2. Его использование позволило значительно улучшить технико-экономические показатели производства.

Состав различных видов восстановителей приведен в табл. 2.3.

Таблица 2.3 – Химический состав кварцита Овручского месторождения.

Запорожский ферросплавный завод применяет в качестве составляющих шихты отходы графитации, образующиеся на электродном заводе, и карборундовые "сростки" с абразивного завода. Состав этих материалов приведен в табл. 2.4.

Таблица 2.4 – Состав отходов, содержащих карбид кремния.

Применение карборундосодержащих отходов экономически выгодно, т.к. они дешевы и содержат восстановленный в другом агрегате кремний.

Основным железосодержащим компонентом шихты при выплавке ферросилиция является стружка высокоуглеродистых сталей.

Необходимость включения в состав шихты металлического железа (стружки), а не оксидов (руды, агломерата, окатышей), объясняется тем, что кислородные соединения при сравнительно низких температурах могут легко взаимодействовать с SiO2 с образованием силикатных расплавов.

Нельзя допускать использования чугунной стружки и стружки легированных сталей, а также загрязнения стружкой цветных металлов, т.к. фосфор из чугунной стружки, легирующие и цветные металлы переходят в сплав. Желательно использование стружки и отходов кремнистых сталей.

Стружку необходимо дробить на стружкоизмельчителе до 50 мм или отсевать от витой стружки.

Нецелесообразным является и применение железной руды, т.к. она вносит большое количество шлакообразующих требует дополнительных значительных затрат электроэнергии и восстановителя на восстановление оксидов железа и нагрев шлака. Замена стружки железной рудой при выплавке ФС 45 привела к увеличению расхода электроэнергии до 27828 МДж/т (7730 кВт ·ч/т), т.е. примерно на 10800 МДж/т (3000 кВт ·ч/т). Применение железной руды ухудшает качество сплава вследствие восстановления примесей из нее, а пылеватые руды, кроме того, резко снижают газопроницаемость колошника. В связи с этим при дефиците железной стружки более перспективно использование в качестве железосодержащих материалов отходов из огневой зачистки стали, металлизированных окатышей или железистых кварцитов.

Ниже приведен состав шихты при выплавке ферросилиция ФС 45, кг:

Кварцит ............................................................................ 300

Кокс сухой ....................................................................... 138

Стружка стальная ............................................................. 168

[2-5].

2.3  Физико-химические основы получения ферросилиция ФС 45

Ферросилиций получают восстановлением кремнезема, содержащегося в кварците, твердыми углеродистыми восстановителями в присутствии стальной стружки.

Восстановление кремнезема твердым углеродом в условиях электрической печи протекает по следующей суммарной реакции:

SiO2(ж) + 2 С(Т) = Si(ж) + 2 СO(г) ,

для которой Δ G º = 666664 – 364,96 Дж/моль (159230 – 87,17·Т кал/моль) и теоретическая температура ее начала равна 1554 ºС.

Константа равновесия суммарной реакции может быть написана в следующем виде:

где - парциальное давление СO, ат;

                   aSi, ac2, aSiO2 – соответствующие индексы активности.

При чистых исходных материалах кремнезем и углерод находятся в свободном состоянии, тогда aSiO2 и ac равны 1 и Кр=PCO2 · aSi , т.е. протекание реакции восстановления кремния определяется парциальным давлением оксида углерода.

В промышленной печи для производства ферросилиция давление на колошнике примерно равно атмосферному, поэтому устанавливающееся в зоне восстановления парциальное давление оксида углерода лишь незначительно превышает атмосферное давление.

При постоянном значении Pω2 значение константы для 45%-ного ферросилиция мало. Это означает, что выплавка сплава с меньшим содержанием кремния требует более низких температур.

Исследования показали, что кремнезем восстанавливается углеродом и кремнием с образованием промежуточных продуктов – моноокиси кремния и карбида кремния.

В печи также могут протекать процессы испарения и диссоциации кремнезема по следующим возможным схемам:

При высокотемпературном восстановлении, характерном для процесса получения ферросилиция, при атмосферном давлении наиболее вероятным кажется процесс восстановления SiO2 в две стадии:

SiO2 конд + SiFe ж = 2 SiO(2) ,

SiO2 + CT = Si конд + CO2 .

Жидкий кремнистый расплав обтекает кусочки шихты и вызывает интенсивное взаимодействие с образованием газообразной окиси кремния. Углерод довосстанавливает окись кремния. Окись кремния реагирует с углеродом как на внешней поверхности кусков коксика, так и в их толще, проникая в поры и трещины.

Учитывая, что кремнезем, испаряясь, диссоциирует в основном на оксид кремния и кислород, и то, что в печи находится свободный углерод, следует считать основным кремнийсодержащим продуктом испарения кремнезема оксид кремния. Основными составляющими газовой фазы при относительно высоких температурах можно считать СО и SiO. Такие вещества, как CO2 , SiO2 , Si, SiC2 , Si2C и т.д. должны присутствовать в газовой фазе лишь в незначительных количествах. Это следует прежде всего из расчетов равновесия C + CO2 = 2 CO и результатов термодинамического анализа высокотемпературного испарения кремнезема. Присутствие SiC в выплавках из рабочего пространства или из настылей печей, выплавляющих ферросилиций, подтверждается многочисленными исследованиями.

На ход реакции восстановления кремнезема в значительной степени влияет присутствие железа, которое, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, улучшая термодинамические условия ее протекания и снижая потери кремния. Отсутствие в шихте железа приводит к исключению из приходной части теплового баланса процесса тепла растворения кремния в железе, составляющего 2,5-3% прихода тепла. Присутствие железа значительно снижает температуру начала процесса восстановления кремнезема.

Расчетная температура его начала в зависимости от содержания кремния в сплаве составляет:

Содержание кремния в сплаве, % ..................................... 45

Температура начала восстановления

кремнезема, ºС ................................................................. 1400

Благотворное влияние железа также определяется тем, что оно легко разрушает карбид кремния, являющийся одним из промежуточных продуктов восстановления кремнезема, способствуя сдвигу реакции в сторону образования кремния. Ниже приведена температура (К) начала реакций взаимодействия карбида кремния с кремнеземом и монооксидом кремния и испарения (или разложения) его по различным реакциям (числитель), (знаменатель – результаты расчета). Для реакции непосредственного разложения карборунда

SiCT = Si2 + CT

температура колеблется в пределах от 2423 до 3125 К.

SiCT + SiO2(T) = 2 SiO2 + CT ;                                         2200 / 2079

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6