Физико-химические условия получения ферросилиция

В условиях электрической печи, восстановление кремнезема твердым углеродом протекает по суммарной реакции

Температура начала этой реакции составляет 1554°С.

Восстановление кремнезема осуществляется углеродом и кремнием с образованием промежуточных продуктов — монооксида кремния и карбида кремния. В печи также может происходить испарение и диссоциация кремнезема. Роль отдельных компонентов системы Si-С-0 в процессах восстановления кремнезема не уточнена до настоящего времени.

Согласно некоторым исследованиям, восстановление кремнезема происходит ступенчато. Вначале кремнезем восстанавливается до моноокиси по реакции

Моноокись кремния при высоких температурах является газообразным веществом и удаляется из зоны реакций вместе с газами. Встречая на своем пути куски кокса, моноокись кремния взаимодействует с ним с образованием карборунда:

В настоящее время нельзя сказать, как велико значение этих реакций при выплавке ферросилиция.

Кроме кремния, при выплавке ферросилиция восстанавливаются и другие окислы, содержащиеся в шихтовых материалах. Окись алюминия и окись кальция являются наиболее трудновосстановимыми окислами. Однако вследствие высоких температур в зоне электрических дуг происходит частичное восстановление и этих окислов.

Большое влияние на ход реакции восстановления кремнезема оказывает присутствие железа, которое, растворяя кремний, понижает его активность, улучшая термодинамические условия восстановления и сокращая потери кремния. Железо также значительно снижает температуру начала процесса восстановления (от 1530°С для сплава с 90% Si до 1225°С для сплава с 10% Si). Благотворное влияние железа определяется и тем, что оно легко разрушает карбид кремния по реакции Fe + SiC = FeSi + С и способствует сдвигу реакции восстановления в сторону образования кремния. Эта реакция начинается с 1500°С и интенсивно проходит в интервале 1500—1600°С.

Наряду с восстановлением кремнезема в электропечи происходит частичное восстановление примесей кварцита и золы восстановителей (Аl₂0₃, СаО, МgО и др.) до элементов или карбидов, которые затем могут разрушаться железом, кремнием или кремнеземом Это подтверждается содержанием значительных количеств алюминия, магния, бария, фосфора в промышленных сортах ферросилиция. Оксиды железа, марганца, хрома, фосфорный ангидрид восстанавливаются значительно легче кремнезема, поэтому эти окислы, содержащихся в шихтовых материалах, восстанавливаются почти полностью.

Входящие в состав шихтовых материалов глинозем, оксиды кальция, бария, магния, которые по физико-химическим условиям процесса не могут быть полностью восстановлены, ошлаковываются кремнеземом. Поскольку наибольшую часть примесей составляет глинозем, то он наряду с кремнеземом является главной составляющей шлака. При недостатке восстановителя в результате разрушения гарнисажа шлак обогащается карборундом.

Обычно на 1 т ФС45 образуется 25-40 кг и на 1 т ФС75 35-60 кг шлака, содержащего 30-40% SiO₂, 2-10% SiC, 20-30% Аl₂0₃, 12-25% СаО, 0,2-20% ВаО, 0,3-2,0% МgО и другие примеси.

Шлаки имеют очень высокие температуры плавления (1500-1700°С) и вязкость, составляющую 1-5 Па с даже при 1700 °С. При нормальном ходе плавки шлак выходит из печи вместе с ферросилицием. При большом количестве шлака в печи он загромождает горн и затрудняет ход плавки и выпуск металла из печи. Вследствие высокой вязкости шлак частично остается в ванне печи и служит причиной ее зарастания, что снижает производительность, увеличивает удельный расход электроэнергии и сокращает продолжительность кампании печи. В связи с этим следует использовать чистые материалы с возможно более низким содержанием шлакообразующих веществ и добиваться полного удаления из печи образующегося шлака, что достигается глубокой и устойчивой посадкой электродов, достаточным количеством восстановителя в шихте, вращением ванны печи а в случаях возникновения больших трудностей с удалением шлака присадкой флюса, например, извести, которая разжижает накопившийся в печи шлак.