Ферросилиций FeSi. Производство ферросилиция

Для выплавки кремния и его сплавов используют круглые дуговые электрические печи различных конструкций мощностью от 16,5 до 115 МВА. Печи работают на самоспекающихся и реже на угольных электродах. Рабочее напряжение (здесь и далее, где особо не оговорено, линейное напряжение) составляет обычно 150-250 В (более высокое для более мощных печей) при силе тока 35-100 кА, обычно при отношении силы тока к рабочему напряжению ~300. Футеровка горна угольная. Печи могут быть открытыми и закрытыми; в последние годы открытые печи все больше вытесняются закрытыми печами, так как условия труда на закрытых печах лучше.

Шихта состоит из кварцита, восстановителя и железной стружки; иногда в состав шихты вводят отходы карборундового производства, содержащие карборунд, песок и кокс (статья "что такое кокс?"). Расчет шихты для производства ферросилиция ведут из условия использования оксидов и распределения восстановленных элементов в процессе плавки, приведенного в таблицах. Допускается, что сера и фосфор из стружки переходят в сплав, а сера коксика улетучивается; улет кремния на 100% происходит в виде монооксида кремния.

Таблица. Использование оксидов в процессе выплавки ферросилиция (ФС18-ФС75)

Таблица. Распределение восстановленных элементов при выплавке ферросилиция ФС18-ФС75

Плавку ферросилиция ведут непрерывным процессом. На колошник печи непрерывно загружают шихту, периодически производят выпуск сплава через летку. Нормальный ход технологического процесса характеризуется равномерным газовыделением по всей поверхности колошника, отсутствием потемневших спекшихся участков и местных сильных выделений газа («свищей»), равномерным сходом шихты у электродов и в треугольнике между ними, устойчивой глубокой посадкой электродов в шихте, регулярным выходом при каждом выпуске сплава небольшого количества жидкоподвижного шлака, устойчивой нагрузкой на электродах и равномерной переработкой загружаемой шихты при нормальном удельном расходе электроэнергии. Минимальные потери тепла и улет кремния из печи при максимально большом количестве проплавляемой шихты достигаются при достаточно глубокой (1800-2700 мм для мощных печей) и устойчивой посадке электродов.

Глубину погружения электродов в шихту регулируют изменением электрического сопротивления ванны печи или (что более желательно) изменением рабочего напряжения. Для изменения электрического сопротивления печи увеличивают или уменьшают электрическую проводимость шихтовых материалов изменением состава шихтовой смеси или размеров кусков шихты. Увеличение количества или крупности углеродистого восстановителя в шихте повышает ее электрическую проводимость. Замена части рядового коксика ангарским полукоксом с повышенным электросопротивлением, древесным углем или добавка древесных отходов снижают ее электрическую проводимость.

Процесс плавки происходит главным образом у электродов, где в этой наиболее горячей зоне печи под каждым электродом образуются своеобразные газовые полости — тигли (рисунок), окруженные твердой и полурасплавленной массой. На дне полости находится расплав, состоящий из шлака, жидкого ферросилиция и частично расплавленной шихты. Полость заполнена ионизированными газами и парами, через которые осуществляется электрический разряд. Температура в полости, по-видимому, превышает 2300° С. Слои шихты, окружающие эту зону, восстанавливаются, плавятся и заменяются новыми порциями шихты, загруженными в виде конусов у электродов. Таким образом образуются области быстрого схода шихты. Слои шихты, более удаленные от электродов, нагреваются медленно; восстановление и плавление этой шихты происходят с малой скоростью. Здесь образуются области медленного схода шихты. У стен печи образуется зона спекшейся шихты, которая вовсе не плавится вследствие невысокой температуры в этой зоне. Этот слой шихты образует гарнисаж. При горячем ходе печи нижние части тиглей соединяются, образуя общий тигель. Газы, образующиеся внизу около дуг, имеют высокую температуру и, проходя через вышележащие слои шихты, нагревают их. Прохождение горячего газа через более холодную шихту ведет к конденсации паров кремния.

При выплавке ферросилиция стремятся к тому, чтобы шихта в печи не спекалась в сплошную массу и была возможно более проницаемой для газов. Это необходимо для того, чтобы газы, образующиеся при очень высоких температурах в околоэлектродных полостях, проходили через возможно больший слой шихты и отдавали содержащееся в них тепло шихтовым материалам, а пары компонентов сплава поглощались шихтой. Б случае спекания шихты в газовых полостях скапливаются под большим давлением газы и пары компонентов сплава, которые периодически прорываются оттуда под большим давлением через один или несколько каналов, образующихся в шихте.

Для равномерного распределения по колошнику выходящих из печи газов, предотвращения спекания колошника и снижения потерь кремния в улет при выплавке ферросилиция необходимо вращать ванну печи, а на высокопроцентных сплавах — и «прошивать» шихту жердями, прутами. Шихту необходимо загружать в первую очередь к электродам непрерывно или небольшими порциями. Загрузка избыточного количества шихты недопустима, так как увеличение столба материалов ведет к смещению плавильной зоны вверх и нарушению теплового режима в зоне реакции. Недогруз печи шихтой приводит к увеличению потерь тепла с уходящими газами и потерь кремния в улет.

Рисунок. Плавильное пространство печи для выплавки ферросилиция и схема распределения шихтовых материалов и продуктов плавки в печи при выплавке ферросилиция: I - околоэлектродная полость; II - электрическая дуга; 1 - шихта - область быстрого схода; 2 - шихта - область медленного схода; 3 - карборунд; 4 - капли расплавленного железа и низкокремнистого ферросилиция; 5 - полурасплавленная масса, образующая стенки околоэлектродных полостей, а также находящаяся на поду печи; 6 - расплавленный ферросилиций.

Для загрузки шихты в открытые печи применяют завалочные машины. На печах большой мощности с вращающейся ванной целесообразна завалка по трубам, проведенным из печных карманов. Этот метод завалки единственно возможен на закрытых печах. Количество заваливаемой за смену шихты определяют, исходя из расхода электроэнергии с учетом расхода на 1 т загружаемого с шихтой кварцита (4650 кВт ч при выплавке ФС45 и 4800 кВт ч при выплавке ФС75).