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. 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. Расчет шихты для производства ферросилиция ведут из условия использования оксидов и распределения восстановленных элементов в процессе плавки, приведенного в таблицах 1,2.

Таблица 1 - Использование оксидов в процессе выплавки ферросилиция (ФС18-ФС75)

Таблица 2 - 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.

Процесс плавки происходит, главным образом, у электродов, где в этой наиболее горячей зоне печи под каждым электродом образуются своеобразные газовые полости — тигли (см. рис. 14), 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 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.

	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
Рис. 14 - Плавильное пространство печи для выплавки ферросилиция и схема распределения шихтовых материалов и продуктов плавки в печи при выплавке ферросилиция

Количество восстановителя в шихте должно быть таким, чтобы полностью обеспечить протекание восстановительных процессов. Как избыток восстановителя в шихте, так и его недостаток приводят к нарушению нормального хода плавки.

Выпуск ферросилиция из печи производится периодически по мере его накопления. В зависимости от мощности печи и марки выплавляемого сплава число выпусков колеблется от 4 до 8 в смену. Ферросилиций выпускают в ковш, футерованный алюмосиликатным (шамотным) кирпичом или графитовой плиткой, и затем разливают на слитки в чугунные изложницы или в чушки на разливочной машине конвейерного типа.

Восстановление кремния происходит с поглощением большого количества тепла, поэтому, чем выше содержание кремния в сплаве, тем выше должен быть расход электрической энергии. Кроме того, увеличение содержания кремния в сплаве требует ведения плавки при более высоких температурах. Это вызывает увеличение тепловых потерь, а также увеличение потерь кремния испарением. Поэтому удельный расход электрической энергии увеличивается в большей степени, чем увеличение содержания кремния в сплаве. Увеличение содержания кремния в сплаве вызывает также увеличение расхода кварцита и восстановителя. Расход сырья и электроэнергии при выплавке сплавов кремния приведен в табл. 3.

Таблица 3 - Расход материалов и электроэнергии на выплавку сплавов кремния (закрытые печи).

Выплавка высококремнистого ферросилиция в закрытых печах сложнее, чем в открытых печах, и требует более тщательного отбора и подготовки шихтовых материалов. Однако при освоении ведения технологического процесса в закрытых печах в них можно вести плавку высококремнистого ферросилиция с такими же технико-экономическими показателями, как и в открытых печах.

Наряду с этим плавка ферросилиция в закрытых печах имеет следующие преимущества по сравнению с плавкой в открытых печах: - возможность использования высококалорийного газа; - лучшие условия труда; - более легкие условия работы печного оборудования; - меньшее загрязнение окружающей среды.