Шихтовые материалы для выплавки ферросилиция
Для выплавки кремния и его сплавов используют наиболее дешевые, богатые кремнеземом материалы — кварц и кварцит, главной составляющей которых является кварц — широко распространенный минерал, представляющий собой более или менее чистый кремнезем SiO2.
Кварц — плотный минерал кристаллического строения. Он относительно дорог и применяется при производстве кристаллического кремния. Кварцит, используемый при производстве сплавов кремния, должен содержать 96-98% SiO2 при минимальном содержании вредных и шлакообразующих примесей — оксидов кальция и магния и особенно глинозема и фосфора (< 0,02%). Сумма содержаний глинозема и окиси кальция в кварците должна быть не более 1,5-2%. Эти окислы частично восстанавливаются и вводят в сплав нежелательные элементы (алюминий и кальций); невосстановившиеся глинозем и окись кальция являются главным источником шлакообразования, а повышенное количество шлака создает трудности в ведении плавки. Кварцит должен давать минимальное количество мелочи при дроблении и нагревании; его влагопоглощение не должно превышать 2%.
В качестве восстановителя при производстве кремния и его сплавов применяют кокс (статья "что такое кокс?"), полукокс, древесный уголь и др. К восстановителю предъявляются следующие требования:
- низкая электропроводность (высокое электрическое сопротивление);
- высокая реакционная способность;
- достаточная механическую прочность;
- низкое содержание в золе вредных и шлакообразующих оксидов;
- невысокое содержание летучих;
- постоянная влажность;
- невысокая стоимость.
Наилучшим восстановителем является древесный уголь, который уменьшает спекание шихты, что особенно важно при выплавке высокопроцентных сплавов кремния и при работе на закрытых печах. Но вследствие высокой стоимости древесный уголь применяют обычно лишь при выплавке кристаллического кремния и 90%-ного ферросилиция. Вместо древесного угля в качестве разрыхлителя шихты успешно применяют щепу и другие древесные отходы.
Перспективно применение в качестве восстановителей формованного кокса из газовых и слабоспекающихся углей, кокса из бурого угля и т.п., обладающих высокой реакционной способностью и электросопротивлением.
Наибольшее применение при выплавке ферросилиция получил наиболее дешевый сорт восстановителя — орешек металлургического кокса (кокс-орешек), который является отходом при производстве доменного кокса. Желательно использовать коксик с максимальной реакционной способностью, имеющий развитую поверхность, высокое удельное электрическое сопротивление и минимальное количество вредных и шлакообразующих оксидов в золе. В последние годы широкое применение при выплавке сплавов кремния нашел ангарский полукокс, обладающий высоким сопротивлением и благоприятным составом золы, содержащей около 76% SiO2. Для уменьшения электропроводности шихты в качестве восстановителя применяют также углекварцитовый кокс, который получают путем добавления песка в смесь углей при коксовании. На некоторых заводах при выплавке ферросилиция, особенно низкокремнистых марок, в шихту вводят отходы карборундового производства, а также отходы, получающиеся при графитизации электродов. В этих отходах содержится 10-20% SiO2; 10-30% С и до 60% SiC.
В качестве материала, содержащего железо, используют дробленую стружку углеродистой стали (марочник сталей и сплавов можно найти тут); чугунную стружку не применяют вследствие высокого содержания в ней фосфора. Стружку легированных сталей также не используют, так как она загрязняет ферросилиций легирующими элементами.
Подготовка шихтовых материалов к плавке сводится к дроблению и сортировке их для получения заданного однородного гранулометрического состава. Кварцит дробят и промывают водой для удаления глинистых, а затем подвергают рассеву для отделения мелочи и сортировки по фракциям. Оптимальный размер кусков кварцита составляет 25-80 мм при производстве ФС18, ФС25, ФС45 и 50-120 мм при производстве ФС75 и ФС90. Коксик подвергают дроблению и грохочению для получения фракции 5-20 мм. Железную витую стружку необходимо дробить до 50 мм. В подготовленной шихте размеры кварцита и коксика должны быть возможно более однородными, недопустимы как крупные так и мелкие куски. Наличие мелочи ухудшает газопроницаемость колошника, крупный коксик отрицательно влияет на глубину посадки электродов, а крупный кварцит вызывает обгорание электродов, затрудняет работу летки.