Способ плавки высококремнистого ферросилиция и технического кремния

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу плавки высококремнистого ферросилиция и технического кремния, включающему дозирование, загрузку и проплавление шихты из кварцита, смеси восстановителей и древесной щепы в печи с полыми электродами, вдувание газа через полый электрод, непрерывное удаление газообразных продуктов и периодический выпуск металла и шлака. Сущность: перед дозированием из кварцита отсеивают мелочь и задают ее непрерывно непосредственно в подэлектродные полости через полые электроды, с одновременным вдуванием оксида углерода, при этом через полые электроды вдувают 4,5 - 6,5 м³ оксида углерода на 100 кг расходуемого на плавку кварцита. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к черной и цветной металлургии и может быть использовано при производстве ферросилиция с содержанием 90% Si и технического кремния.

Известен способ производства ферросилиция и технического кремния, включающий дозирование и загрузку в печь шихты из кварцита и восстановителя (кокса, нефтекокса, полукокса, древесного и каменного угля), ее непрерывное проплавливание за счет тепла, выделяющегося в электрических дугах, периодический выпуск металла и шлака и непрерывное удаление из печи газообразных продуктов плавки (см. например, М.А. Рысс. Производство ферросплавов. М. Металлургия, 1985, с. 58 75).

Недостатком данного способа является большой расход электродов.

Наиболее близким к заявляемому является способ плавки в рудовосстановительной электропечи с полыми электродами, включающий загрузку шихтовых материалов, вдувание через полости электродов с помощью газа-носителя составляющих шихты, непрерывный отвод из печи колошниковых газов и периодический выпуск конденсированных продуктов плавки. В качестве газа-носителя в этом способе используется нейтральный газ, например азот (а.с. СССР N 1206319, C 21 C 5/56, от 08.06.84, опубл. 23.01.86, БИ N 3).

При таком способе плавки кремния и высококремнистых сортов ферросилиция расход электродов остается высоким. Объясняется тем, что при вдувании нейтрального газа соотношением между SiO и CO в газе подэлектродной полости не изменяется. Поэтому газы окисляют электроды с торца, и их расход остается высоким.

Задачей изобретения является уменьшение расхода электродов при плавке кремния на графитизированных или угольных электродах и электродной массы при плавке ФС90 ФС92 на самоспекающихся электродах преимущественно за счет уменьшения их окисления с торцов газами, образующимися в подэлектродных полостях.

Поставленная задача решается в результате того, что в способе плавки, включающем загрузку на колошник печи шихты, состоящей из кварцита, смеси восстановителей и древесной щепы, ее проплавление, вдувание газа через полые электроды, непрерывное удаление газообразных продуктов и периодический выпуск металла и шлака, кварцит сначала отсеивается от мелочи, затем крупная фракция смешивается с восстановителем и древесной щепой и загружается на колошник, а мелочь кварцита загружается или вдувается через полые электроды, при этом в качестве несущего газа используется оксид углерода или колошниковый газ от закрытых печей. Поставленная задача, во-вторых, решается в результате того, что концентрацию SiO в слое газа, непосредственно омывающем торцы электродов, понижают до 20 25% а концентрацию CO повышают до 75 80% При таком способе плавки в результате вдувания мелочи кварцита непосредственно в подэлектродные полости извлечение кремния растет не менее чем на 6 7% расход электроэнергии понижается на 1000 1200 кВт/т, а расход электродов на 10 15 кг/т.

Т. к. взаимодействие кварцита с углеродом начинается примерно при температуре ≈ 1700 К и происходит с участием газа по схеме Чем больше углерода расходуется по этой схеме, тем меньше его остается на улавливание продуктов восстановителя из высокотемпературной зоны, тем хуже будут показатели плавки. С другой стороны видно, что карбидообразование по реакции (4) определяется в основном скоростью испарения диссоциации SiO₂ по реакции (1), которая развивается тем интенсивнее, чем больше относительная поверхность кварцита, чем больше в шихте мелочи. Поэтому отсев мелочи и подача ее через полости в электродах, в т.ч. 30 мм, уменьшает карбидообразование в верхних зонах печи, увеличивает долю SiO₂, поступающего непосредственно в горн печи и тем самым повышает извлечение кремния и уменьшает удельный расход электродов вследствие электроэрозии.

С другой стороны, в результате вдувания газа и понижения концентрации SiO до 20 25% прекращается окисление торца электродов газами. Это понижает расход электродов до 35 45 кг/т.

В полостях под электродами на 1 т сплава образуется ≈ 1450 1600 м³ газа, содержащего 47 50% SiO. Для того, чтобы понизить концентрацию SiO во всем этом газе, необходимо вдувание 1600 1950 ³ оксида углерода. Это даже при температуре отходящих газов ≈ 700^oC увеличит расход электроэнергии на 500 600 кВтч/т. Однако понижение концентрации SiO_газ во всей газовой фазе, образующейся в полости, не требуется. При ламинарном движении газа вдоль торца электродов для предохранения их от окисления газами достаточно сделать нейтральным только ту часть газа, которая непосредственно омывает электроды. При избыточном давлении газа 0,1 0,2 ати для этого достаточно вдувать в печь 100 150 м³ CO/т сплава.

При таком расходе вдуваемый газ за время движения в полости и вдоль горячего торца электрода будет нагреваться выше средних температур в полости. Это будет способствовать повышению температуры магмы и температуры на ее поверхности на 10 15^oC. Последнее в свою очередь дополнительно повысит (вследствие уменьшения равновесной концентрации SiO) извлечение кремния.

Для уменьшения окисления электродов необходимо вдувание оксида углерода или колошникового газа от закрытых РТП, содержание CO в котором обычно составляет не менее 85 90% Однако вместо оксида углерода в печь можно вдувать газопорошковые смеси, образующие при их нагревании оксиды углерода, например (O₂ + 2C), (CO₂ + C), (воздух + ), (H₂O + C) и др.

Расход окиси углерода, как уже указывалось, при таком способе плавки составляет 100 150 м³/т. При расходе кварцита на тонну технического кремния 2,67 2,88 т расход несущего газа будет колебаться в пределах 4,5 - 5,5 м³ CO/100 кг кварцита. Именно этой величиной удобно пользоваться, т.к. при переходе от кремния на высококремнистые сорта ферросилиция удельный расход вдуваемого газа на 100 кг кварцита остается практически постоянным.

Способ можно использовать при плавке кристаллического кремния, ферросилиция марок Фс90 и Фс92 и даже ферросилиция с содержанием 75 80% Si.

Пример 1. Способ при плавке кристаллического кремния реализуется следующим образом. Плавка осуществляется в открытой печи мощностью 16,5 25 МВА. Шихта с помощью течек порциями загружается на колошник, периодически опиковывается и подгребается к электродам специальными опиковочными машинами. Навеска шихты состоит из 300 кг кварцита, 100 160 кг древесного угля, 33 - 75 кг нефтекокса, 80 130 кг каменного угля и 150 250 кг древесной щепы. При этом кварцит перед его введением в шихту тщательно отсеивается от мелочи, в том числе и 30 мм. Мелочь в количестве 15 20% от всего расхода кварцита подается непосредственно в подэлектродные полости через полости в электродах. Одновременно с этим через полости вдувается оксид углерода в количестве 15 - 20 м₃ на каждую колошу шихты, поданную на колошник. Выпуск металла производится периодически после двух часов работы печи. Реакционные газы сгорают на колошнике, собираются под зонтом и направляются на газоочистку.

Пример 2. Плавка ферросилиция Фс90 осуществляется следующим образом. Плавка ведется в открытых печах мощностью 16,5 33 МВА, оборудованных самоспекающимися полыми электродами диаметром 1,2 1,5 м. Кварцит отсеивается от мелочи, после чего смешивается с коксом и одубиной и порциями загружается на колошник. Навеска шихты состоит из 300 кг кварцита, 145 162 кг кокса, 60 100 кг одубины (отходы переработки коры дерева твердых пород).

Мелочь кварцита в количестве до 15 20% от всего его расхода на плавку непрерывно загружается через полость в электроде. Одновременно с мелочью в печь вдувается колошниковый газ от закрытых печей в количестве ≈ 100 м³/т сплава или 4,5 5,5 м³/100 кг загружаемого на колошник кварцита. Газы собираются под зонтом, разбавляются воздухом, после чего направляются в газоочистку. Выпуск металла и плавка производятся в ковш 1 раз в 2 часа.

Пример 3. Для оценки возможных показателей плавки кремния и 90% ферросилиция построили модели плавки на обычной шихте при средней температуре в подэлектродных полостях 2200 K, с введением 15 20% мелочи кварцита и вдуванием в подэлектродные полости 4,5 5,5 м³ оксида углерода на 100 кг кварцита, а также с учетом повышения температуры в подэлектродных полостях на 15^oC. Результаты моделирования приведены в таблице.

Предлагаемый способ плавки позволяет по сравнению с известными получить следующие преимущества.

1. Уменьшить расход графитизированных или угольных электродов при плавке технического кремния на 80 100 кг/т сплава.

2. Уменьшить затраты на производство технического кремния на 50 60 тыс. руб/т.

3. Не менее чем на 3 15% повысить извлечение кремния в металл.

4. Заметно уменьшить расход электронной массы при плавке Фс90 и даже Фс75.

Формула изобретения

1. Способ плавки высококремнистого ферросилиция и технического кремния, включающий дозирование, загрузку и проплавление шихты из кварцита, смеси восстановителей и древесной щепы в печи с полыми электродами, вдувание газа через полый электрод, непрерывное удаление газообразных продуктов и периодический выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что перед дозированием из кварцита отсеивают мелочь и задают ее непрерывно непосредственно в подэлектродные полости через полые электроды с одновременным вдуванием оксида углерода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что через полые электроды вдувают 4,5 5,5 м³ оксида углерода на 100 кг расходуемого на плавку кварцита.

РИСУНКИ

Рисунок 1