СПОСОБ ПЛАВКИ ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ И ВЫСОКОКРЕМНИСТЫХ СОРТОВ ФЕРРОСИЛИЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК C22C33/04 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве технического кремния высококремнистых сортов ферросилиция.

Известен способ производства ферросилиция и технического кремния, включающий дозирование и проплавление в низкошихтной электропечи, состоящей из кварца (кварцита) и смеси восстановителей (кокса, полукокса, нефтяного кокса, древесного и каменного угля и др.) [1] Однако при таком способе плавки этих сплавов наблюдаются большие потери кремния, исключительно большой расход дефицитных и дорогих электродов. Крупным недостатком способа является и интенсивное спекание колошника.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ плавки в электропечи, оборудованной полыми электродами, включающий загрузку шихтовых материалов, их проплавление, углетермическое восстановление, подачу газов через полые электроды, периодический выпуск металла и шлака и непрерывный отвод газообразных продуктов плавки [2] В этом способе плавки благодаря вдуванию природного газа или азота стабилизируется горение дуги. Однако, спекание колошника не устраняется. Остается исключительно высоким расход угольных или графитовых электродов при плавке кремния и электродной массы при плавке высококремнистых сортов ферросилиция.

Задачей изобретения является уменьшение расхода электродов или электродной массы. Другой попутной задачей является повышение извлечения кремния.

Поставленные задачи достигаются тем, что в способе плавки, включающем загрузку шихты из кварцита, восстановителей и древесной щепы, ее непрерывное проплавление, подачу газов через полые электроды, периодический выпуск металла и шлака и непрерывный отвод газообразных продуктов плавки через полые электроды в подэлектродные полости, вдувают оксид углерода или газопорошковые смеси, дающие при нагревании оксиды углерода в таком количестве, чтобы образующиеся в нижней части подэлектродной полости реакционные газы не могли окислять торцы электродов.

Поставленные задачи достигаются также тем, что по ходу всей плавки регулируется только состав газов, непосредственно омывающий торцы электрода. Концентрация SiO_газ в газовой фазе, омывающей торец электрода, при этом понижают до 10-15% а соотношение SiO/CO в газовой фазе до 0,25-0,33.

Этого можно достичь как за счет вдувания оксида углерода или колошникового газа ферросплавных печей, так и газопорошковых смесей, например (O₂ + 2C), (CO₂ + C), (H₂O + C) или Вдувание других газов, например водорода, природного газа или азота, также понижает концентрацию SiO_газ в газе, омывающем торец электрода.

Чтобы защитить электроды от окисления и уменьшить их расход, с одной стороны, достаточно понизить концентрацию SiO_газ до 20-25% лишь в 15-25% газа, образующегося непосредственно с площади под электродом. С другой стороны, в связи с тем, что размеры полости изменяются, расход разбавляющего защитного газа по ходу плавки должен быть переменным. Так вследствие высокого электросопротивления магмы после выпуска металла электроды садятся вниз. Перед выпуском в подэлектродных полостях накапливается металл. Сопротивление расплава при этом приближается к нулю, а расстояние от него до торца электрода увеличивается. Поэтому расход разбавляющего газа после выпуска максимален, а в конце снижается примерно в 2 раза.

Для полной защиты электродов от окисления необходимо разбавление приблизительно 5-10% газа, образующегося в полости.

Количество разбавляющего газа, вдуваемого в полость, зависит не только от размеров полости, но и от состава сплава. Так при плавке ФС75 расход газа заметно ниже, чем при плавке ФС90 и кремния. Это связано в первую очередь с различной равновесной концентрацией SiO_газ. Однако, в связи с тем, что извлечение кремния из кварцита изменяется при переходе от ФС75 до ФС90 незначительно, расход разбавляющего газа в расчете на 100 кг кварцита для этих сплавов достаточно постоянен. Оптимальный расход газа составляет 1,9-6,2 м³/100 кг кварцита в начале плавки и 1,3-3,7 м³/100 кг кварцита перед выпуском. При меньшем расходе газа растет расход электродов. При большем, чем 6,2 м³ расходе газа/100 кг кварцита, понижается извлечение кремния в сплав.

Пример 1. В печи 25,0 МВА с угольными электродами диаметром 1205 мм способ реализуется следующим образом: На колошник порциями загружается шихта, состоящая из 300 кг кварцита, 10-100 кг древесного угля, 31-78 кг нефтекокса, 70-105 кг каменного угля и 165-280 кг древесной щепы. Колошник периодически опиковывается, а шихта подгребается к электродам. По ходу всей плавки через электроды в подъэлектродные полости вдувается со скоростью 0,24-0,4 м³/мин вначале с постепенным понижением до 0,16-0,24 м³/мин газопорошковая смесь углекислоты и щелочи нефтяного кокса. Его расход - 0,55-0,6 кг/м³, что соответствует вдуванию 3-5 м³ оксида углерода/100 кг кварцита в начале и 2-3 м³/100 кг кварцита перед выпуском плавки. Вес одного выпуска составляет 2-2,2 т. Расход электроэнергии колеблется в пределах 13650-17135 кВтч/т. Перепуск электродов производится периодически. Он составляет 18-20 см/сут х электрод. Расход электродов
Пример 2. Плавка ферросилиция ФС90 в печи с мощностью 27,6 МВА с самоспекающимися электродами диаметром 1500 мм реализуется следующим образом. На колошник открытой печи порциями загружается шихта, состоящая из 300 кг кварцита, 150 кг кокса (W_p≃10% ) и 60-80 кг одубины. По ходу всей плавки через каждый электрод в подэлектродные полости вдувается колошниковый газ от закрытых печей, выплавляющих 45-65%-ный ферросилиций. Расход вдуваемого газа на 1 электрод составляет ≈ 0,4-0,73 м³/мин в начале плавки и постепенно снижается до 0,3-0,4 м³/мин перед выпуском. Вдувание газа во время выпуска сплава не прерывается, что соответствует расходу 3-4,8 м³/100 кг кварцита в начале до 2,2-2,9 м³/100 кг кварцита перед выпуском.

Выпуск металла производится раз в два часа. Вес металла за 1 выпуск составляет 2,7 т. Расход электроэнергии на тонну сплава 12600-14800 кВтч. Расход электродной массы 35-48 кг/т.

Пример 3. Плавка ферросилиция марки ФС75 реализуется в печи 22 МВА следующим образом. Плавка ведется в открытой печи. На колошник загружается шихта порциями, состоящими из 300 кг кварцита, 150 кг коксика (W_p≈ 10% ), 35 кг железной стружки и 35-100 кг древесной щепы. По ходу плавки через каждый электрод вдувается колошниковый газ от закрытых печей со скоростью от 0,4-0,6 м³/мин в начале плавки до 0,3-0,4 м³/мин перед выпуском, что соответствует расходу 1,9-2,8 м³/100 кг кварцита в начале и 1,4-1,9 м³/100 кг кварцита в конце плавки. Выпуск сплава производится 4 раза в смену. Вес ферросилиция за 1 выпуск 4-4,2 т. Расход электроэнергии 9-9,6 тыс. кВт. Расход электродной массы составляет 25-30 кг/т.

Пример 4.С использованием физико-химических моделей для плавки сплавов - кремния, ферросилиция ФС90 и ФС75 определили объем реакционных газов в высокотемпературной зоне РТП и с учетом размеров подъэлектродных полостей определили необходимый для понижения концентрации SiO_газ расход вдуваемого газа, а также теоретический ( без учета поломок и окисления электродов при простоях печи) расход электродов. В соответствии с моделями они оказались следующими (см. табл.).

Предлагаемый способ плавки по сравнению с прототипом позволяет:
уменьшить расход электродов или электродной массы при плавке сплавов с повышенным содержанием кремния на 30-100 кг/т,
повысить извлечение кремния, особенно при вдувании кислород-порошковой смеси из кислорода и нефтекокса на 2-4%

Использование: металлургия, в частности при производстве технического кремния и высококремнистых сортов ферросилиция. Сущность: способ включает загрузку шихты из кварцита, смеси восстановителей и древесной щепы, ее непрерывное проплавление, вдувание в подэлектродные полости газа, периодический выпуск металла и непрерывное удаление газообразных продуктов плавки; в качестве газа используют газ, содержащий оксид углерода, при вдувании которого концентрацию SiO в газе, омывающем непосредственно торцы электродов, поддерживают равной 20-25% , а соотношение SiO/CO -0,25-0,33; в качестве газа, содержащего оксид углерода, используют колошниковый газ от закрытых руднотермических печей; а также газопорошковую смесь, образующуюся при нагревании оксида углерода; в качестве газопорошковой смеси используют смесь кислорода или воздуха, или углекислоты, или паров воды с мельчью нефтяного кокса из каменного угля, взятых в эквивалентном соотношении; в начале плавки в подэлектродную полость вдувают газ, содержащий оксид углерода в количестве 1,9-6,2 м³/100 кг кварцита, а к концу плавки его количество постепенно понижают до 1,3-3,7 м³/100 кг кварцита. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ плавки технического кремния и высококремнистых сортов ферросилиция, включающий загрузку шихты, ее непрерывное проплавление, вдувание в подэлектродные полости газа, периодический выпуск металла и непрерывное удаление газообразных продуктов плавки, отличающийся тем, что в качестве шихты используют кварцит, смесь восстановителей и древесной щепы, а в качестве газа, вдуваемого в подэлектродные полости, газ, содержащий оксид углерода, при этом дополнительно регулируют состав газа, омывающего торцы электродов, поддерживая в нем концентрацию SiO (газ) 20 25% а отношение SiO/CO 0,25 - 0,33. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа, содержащего оксид углерода, используют колошниковый газ от закрытых рудно-термических печей. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа, содержащего оксид углерода, используют газопорошковую смесь, образующую при нагревании оксид углерода. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве газопорошковой смеси используют смесь кислорода, или воздуха, или углекислоты, или паров воды с мелочью нефтяного кокса из каменного угля, взятых в эквивалентном соотношении. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в начале плавки в подэлектродную полость вдувают газ, содержащий оксид углерода, в количестве 1,9 6,2 м³/100 кг кварцита, а к концу плавки его количество постепенно понижают до 1,3 3,7 м³/100 кг кварцита.