Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ И ФЕРРОСИЛИЦИЯ

Изобретение относится к электрометаллургии и предназначено для использования при выплавке кремния и ферросилиция.

Известно, что выплавка кремния и ферросилиция производится в руднотермических дуговых электропечах непрерывным способом, т.е. при постоянной загрузке материалов и периодических выпусках сплава и шлака.

Известен способ производства кремнистых ферросплавов, в частности ферросилиция, включающий в себя дозирование кварцита, углеродистых восстановителей и стальной стружки, загрузку их в руднотермическую электропечь, проплавление и карботермическое восстановление, периодический выпуск расплава из печи и непрерывную эвакуацию газов через колошник (Рысс М.А. Производство ферросплавов. М., Металлургия, 1985, с. 33-58).

Известен также способ ведения плавки в закрытой рудовосстановительной электропечи с полыми электродами (SU 1206319, МПК С21С 5/56, опубл. 23.01.86.), включающий загрузку шихтовых материалов, проплавление их, карботермическое восстановление металлов, подачу газов через полые электроды, непрерывный отвод колошниковых газов, периодический выпуск продуктов плавки. При этом, с целью снижения удельного расхода восстановителя, отводимый колошниковый газ пропускают через катализатор с выделением сажистого углерода, который посредством неокислительного газа (например, азота) вдувают в расплав печи, т.е. нейтральный газ используется как средство для транспортирования сажистого углерода через полые электроды в расплав.

Недостатком данного способа является высокий расход электродов и электроэнергии.

Наиболее близким техническим решением является способ плавки технического кремния и высококремнистого ферросилиция (RU 94031009 А1, МПК С22С 1/00, опубл. 27.06.1996), включающий загрузку шихты кварцита, смеси восстановителей и древесной щепы, ее непрерывное проплавление, вдувание в подэлектродную полость газа, периодический выпуск металла и непрерывное удаление газообразных продуктов плавки. В качестве газа используют колошниковый газ от закрытых руднотермических печей или газопорошковые смеси, образующие при своем нагревании оксиды углерода. В начале плавки в подэлектродную полость вдувают оксид углерода в количестве 1,9-6,2 м³/100 кг кварцита, а к концу плавки постепенно понижают до 1,3-3,7 м³/100 кг кварцита перед выпуском. Недостатком известного решения является высокая энергоемкость процесса.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в интенсификации процесса плавки кремния и ферросплавов, повышение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии на тонну получаемого сплава.

Данная техническая проблема решается тем, что в известном способе, включающем непрерывную подачу в дуговую руднотермическую печь шихтовых материалов, их проплавление, углеродотермическое восстановление металлов, вдувание газа через полые электроды, периодический выпуск продуктов плавки через летку печи и непрерывную эвакуацию печных газов через колошник, согласно изобретению, в процессе плавки в зону электрической дуги непрерывно вдувают в качестве плазмообразующего газа азот в следующем соотношении V_N2=(0,05-0,20)V_CO м³/т кремния, где:

V_N2 - количество вдуваемого азота, м³/т кремния в сплаве;

(0,05-0,20) - эмпирический коэффициент;

V_CO - количество образуемого печного газа в печи, м³/т кремния в сплаве.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в интенсификации процесса плавки, повышении производительности и снижении удельного расхода электроэнергии на тонну получаемого сплава.

Вдуваемый азот при движении вдоль электрода и в объеме электрической дуги нагревается до высоких температур (3500°С), заполняет объем реакционного тигля (газовая полость, окружающая электрическую дугу и торец электрода) и отдает значительную часть полученного тепла на нагрев поверхности реакционного тигля и расположенным выше шихтовым материалам, при этом интенсифицируются процессы восстановления, как на поверхности реакционного тигля, так и в объеме шихты, в том числе за счет уменьшения парциального давления Р_со при разбавлении газовой фазы азотом, а также за счет тепла, вносимого в реакционные зоны нагретым азотом, при этом температура начала основных реакций, протекающих с образованием СО:

SiO₂+3C=SiC+2СО

SiO₂+2SiC=3Si+2CO

снижается на 100°С, температурный интервал и объем зон протекания реакций увеличиваются, за счет чего увеличивается производительность печи и снижается расход электроэнергии.

Следует отметить, что применение аргона в качестве плазмообразующего газа не привело к полученному эффекту в результате применения азота.

Ограничительным параметром расхода азота является газопроницаемость шихтовых материалов, что требует с одной стороны увеличение крупности используемых материалов, с другой - увеличение слоя твердой шихты.

Превышение расхода азота более 0,20V_CO м³/т кремния в сплаве приводит к росту потерь тепла на нагрев азота и с отходящими газами, увеличению расхода электроэнергии, выносу горячего газа из реакционных тиглей в виде свищей и, как следствие, потерь кремния с улетом в виде SiO.

Подача азота с расходом менее 0,05V_CO м³/т кремния в сплаве не обеспечит ощутимой интенсификации процесса плавки.

При плавке ферросилиция бесшлаковым процессом монооксид углерода образуется в основном за счет суммарной реакции:

SiO₂+2С=Si+2СО,

предельное количество вдуваемого азота можно определить по формуле:

V^пред_N2=0,2V_CO=0,2m_Si⋅56/28⋅22,4=%|Si|⋅89,6

где m_Si - масса кремния в сплаве, кг/т сплава;

28 - атомная масса кремния;

56 - бимолекулярная атомная масса монооксида углерода;

22,4 - объем одного К_моля газа, м³;

%|Si| - содержание кремния в сплаве, % масс.

Аналогичный (более точный) расчет для выплавки любого сплава может быть выполнен по расходу углерода, полученного на основе расчета материального баланса плавки.

V_N2^пред=0,2V_CO=(m_в⋅%С_тв.в/100+m_эм⋅%С_тв.эм/100-m_угара-m_SiC)0,2⋅28/12⋅22,4 м³/т_сплава,

где m_в - масса углеродистого восстановителя (смеси восстановителей) кг/т_сплава,

% С_тв.в - содержание твердого углерода в восстановителе;

m_эм - расход электродной массы, кг/т_сплава;

% С_тв.эм - содержание твердого углерода в электродной массе;

m_угара - угар восстановителя (окисление восстановителя на колошнике в открытых печах);

m_SiC - количество углерода в карбиде кремния шлака;

Для сплава ФС65:

m_в ≈ 700 кг/т_сплава (по коксу);

m_эм ≈ 45 кг/т_{сплава;}

% С_тв.в ≈ 88 (по коксу);

%С_тв.эм ≈ 75;

m_угара ≈ 0,05 m_в;

m_SiC ≈ 0,01 m_в;

V_N2^пред=0,2V_CO=(0,94⋅700⋅0,88+45⋅0,75)0,2⋅28/12⋅22,4=6405,6 м3/т_сплава.

Дополнительными положительными факторами при вдувании азота в зону электрической дуги, являются:

- увеличение стойкости углеродистых подин за счет снижения температуры в зоне электрических дуг и увеличения площади дугового пятна на подине;

- снижение расхода электродов при понижении температуры дуги и кислородного потенциала газовой фазы, разбавленной азотом;

- увеличение полезной мощности за счет возможности работы на более высоком напряжении;

- уменьшение расхода углеродистого восстановителя за счет снижения угара кокса при пониженных окислительных свойствах газовой фазы на колошнике печи (уровень загрузки).

Пример.

В одноэлектродной дуговой руднотермической печи мощностью 250 кВА проведена серия плавок ферросилиция. В таблице представлены сравнительные показатели плавок по способу прототипа и предлагаемому.

При реализации плавки по предлагаемому способу удельный расход азота находился в интервале 200-232 м³/т кремния в сплаве, отношение N₂/CO в газовой фазе (объемное, среднее) - 0,14. При этом, по сравнению со способом выплавки без вдувания азота, при прочих равных условиях средняя продолжительность плавки сократилась с 2,9 до 2,4 ч, т.е. на 17%, почасовой выход кремния возрос с 7,7 до 12,2 кг/ч, т.е. в 1,6 раза, удельный расход электроэнергии снизился в 1,4 раза или 33%.

Таким образом, реализация предлагаемого способа позволила значительно интенсифицировать процесс плавки и снизить удельный расход электроэнергии на тонну сплава.