Способ производства технического кремния во вращающихся руднотермических электропечах

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кристаллического кремния в цветной и кремнистых ферросплавов в черной металлургии. Сущность изобретения: кварцит плавят в руднотермических печах. Кварцит перед введением в шихту рассеивается на две фракции 20 - 40 мм и 40 - 120 мм, после чего крупный кварцит смешивается с нефтяным коксом, древесным и каменным углем и древесной шепой и загружается на колошник конусами высотой 400 - 500 мм вокруг электродов, а мелкий кварцит фракции 20 - 40 мм загружается порциями со сбегающей стороны электрода. Печь в процессе плавки вращают, причем скорость обратного вращения печи в 2 - 10 раз превышает скорость прямого вращения печи, загрузку мелкого кварцита производят во время вращения печи с повышенной скоростью, которая имеет место только в зонах активного схода шихты. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кртисталлического кремния в цветной и кремнистых ферросплавов в черной металлургии.

Наиболее близким к изобретению является способ плавки, включающий дозирование, смешение, порционную загрузку и непрерывное проплавление шихты, состоящей из кварцита, нефтяного кокса, древесного и каменного углей, отличающийся тем, что шихта перед введением на колошник смешивается с древесной щепой.

В этом способе благодаря введению в шихту 1,5-2,5 т/т древесной щепы колошник сильно разрыхляется, становится более подвижным и газопроницаемым. Газы через слой шихты при таком способе плавки выходят более равномерно. Это увеличивает полноту улавливания монооксида кремния по реакции SiO_газ + 2С SiС_т + СО. (1) Вместе с этим углерода в колошниковой зоне печи для улавливания всего монооксида кремния не хватает, часть его конденсируется по экзотермическим реакциям (2) и (3) SiO_газ __ SiО_ж (2) 2SiO_газ __ SiO_2ж + Si_ж (3) Выделение большого количества тепла по реакциям (2) и (3) и жидких продуктов является причиной спекания колошника. При избытке углерода к спеканию колошника приводит образование скелета из тугоплавкого карбида. При введении в шихту щепы кусочки шихты механически изолируются друг от друга частицами щепы. Это повышает газопроницаемость шихты, уменьшает улет кремния и спекание колошника (Толстогузов Н. В. Теоретические основы и технология плавки кремнистых и марганцевых сплавов. М. Металлургия, 1992, с.108-110). Это сделало возможным плавку кремния в печах мощностью 16,5 и 25 МВА.

Однако и при таком способе плавки больших потерь кремния и спекания колошника избежать не удается. Извлечение кремния обычно не превышает 65-70% Задача изобретения повышение извлечения кремния и улучшение использования углерода шихты.

Для этого в способе плавки, включающем дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты из кварцита, нефтяного кокса, древесного и каменного угля и древесной щепы. Кварцит перед введением в шихту рассеивается на две фракции 20-40 мм и 40-120 мм, после чего крупный кварцит смешивается с нефтяным коксом, древесным и каменным углем и древесной щепой и загружается на колошник обычным способом конусами высотой 400-500 мм вокруг электродов, а мелкий кварцит фракции 20-40 мм загружается порциями со сбегающей стороны электрода.

Кроме того, режим вращения печи подбирается таким образом, чтобы ускорить сход мелкой части кварцита в горн печи, а также чтобы сходящий кварцит попадал в подэлектродное пространство.

Задача решается также в результате того, что скорость обратного вращения печи в 2-10 раз превышает скорость прямого вращения печи, а загрузка мелкого кварцита происходит в основном во время вращения печи с повышенной скоростью. Наконец, важным является и то, что повышенная скорость вращения имеет место только в зонах активного схода шихты.

Главной причиной пониженного извлечения кремния при обычной плавке является расходование большого количества углерода в колошниковой зоне на образование карбида по суммарной реакции SiO_{2(т, ж)} + 3С SiC_т + 2СО (4) Его образование резко уменьшает потенциальные возможности шихты на улавливание SiO_газ, отходящего в больших количествах из горна печи.

Образование карбида в колошниковой зоне идет по схемам 1 и 2.

Схема 1: SiO_2(т,ж) __ SiO_газ + 1/2O₂(O) (5) 1/2O₂(O) + С __ СО (6)
SiO_газ + 2С SiC_т + СО (7) __________________________________________________________
SiО_2(т,ж) + 3С SiC_т + 2CO (4)
Схема 2: SiO_2(т,ж) __ SiO_газ + 1/2O₂(O) (5)
1/2O₂(O) + 1/2SiC __ 1/2SiO_газ + 1/2CO (8)
3/2SiO_газ + 3С 3/2SiС_т + 3/2СО (7) _______________________________________________________
SiO_2(т,ж) + 3С SiС_т + 2СО (4)
Повышение крупности кварцита в шихте и повышенная скорость схода мелкой части кварцита уменьшает степень развития реакции (5) газификации (испарения-диссоциации) кремнезема, и тем самым на каждый моль быстро сходящей в горн кремнезема освобождает три моля углерода. Это создает возможность дополнительного улавливания 1,5 моля монооксида из горна печи, то есть высвобождающийся углерод используется в 1,5 раза эффективнее.

Повышенная скорость схода мелкой части кварцита достигается как в результате того, что кварцит 20-40 мм загружается в виде "тяжелой" шихты (без добавок легких материалов), так и в результате загрузки на сбегающую сторону колошника, где шихта является более рыхлой. Увеличение скорости схода мелкого кварцита способствует естественно не только рыхлая шихта со сбегающей стороны, но и непрерывно образующийся зазор между электродом и шихтой на колошнике. Поэтому ускоренный сход мелкой части кварцита обеспечивается как "тяжелой" ее укладкой, проваливанием в зазор и обвалом рыхлой части колошника.

Для обеспечения высокой скорости схода мелкой части кварцита, как указывалось выше, периодически изменяется и направление вращения и его скорость, причем скорость вращения в обратном направлении увеличивается в 2-10 раз. Такое увеличение возможно, так как в нижней части электрод находится в полости, а верхняя часть колошника при подобном возвратно-поступательном движении не успевает спекаться и не препятствует вращению. Вращение печи осуществляется, например, следующим образом: в прямом направлении 1 ч скорость 1 об/100 ч, в обратном направлении 0,25 ч скорость 1 об/50 ч, в прямом направлении 0,25 ч скорость 1 об/50 ч. После чего цикл повторяется, то есть печь сначала вращается в течение часа в прямом направлении со скоростью 1 оборот за 100 ч и т.д.

Для получения оптимальных показателей плавки весь восстановитель загружается вместе с крупным кварцитом. Это с одной стороны устраняет попадание в горн углерода, что может уменьшить к.п.д. использования SiO_газ в горне на разрушение карбида и получение кремния по реакции (9)
SiO_газ + SiC_т Si_ж + 2СО (9).

С другой стороны при этом повышается потенциальная возможность колошника на улавливание SiO_газ по реакции (1).

Увеличение скорости вращения в обратном направлении по отношению к первоначальной в прямом направлении естественно определяется свойствами шихты и условиями ее спекания. Так при рыхлой шихте скорость вращения в прямом направлении может составлять 0,25-0,5 об/сутки, в обратном 0,5-2 об/сутки, то есть обратная скорость может вырасти в 2-10 раз. При расстройствах процесса и сильном спекании скорость обратного вращения лишь в 2-3 раза превышает скорость в прямом направлении. Различие в скорости прямого и обратного вращения изменяется и при изменении мощности печи, увеличиваясь с увеличением мощности.

П р и м е р 1 (аналог). Плавка кремния осуществляется в печи 25 МВА при рабочей мощности 17,5 МВт и рабочей силе тока 67,5 кА. Шихта состоит из 300 кг кварцита, 30 кг древесного угля, 30 кг нефтяного кокса, 80-100 кг каменного угля и 200-250 кг древесной щепы. Шихта смешивается на транспортерных лентах и по течкам загружается на колошник, периодически пропиковывается и подгребается к электродам. Печь во время плавки вращается со скоростью 1 оборот за 100 ч. Выпуск металла производится периодически 2-3 раза в смену. Извлечение кремния в металл 66,8% расход электроэнергии 16,5-19,5 тыс. кВтч/т. Расход электродов 98-125 кг/г, расход углерода 1537 кг/т. Печь зарастает карбидом. Поэтому примерно раз в месяц она работает на проплав. Производительность при этом снижается примерно в 2-2,5 раза.

П р и м е р 2. Предлагаемый способ плавки реализуется следующим способом. Кварцит крупностью 20-120 мм рассеивается на две фракции -40 мм 1/3 по весу и +40 мм 2/3 по весу. Затем 300 кг кварцита крупностью > 400 мм смешивается на транспортерной ленте с 45 кг древесного угля, 45 кг нефтяного кокса, 90 кг каменного угля и 200-250 кг древесной щепы и загружается на колошник обычным способом конусами высотой 400-500 мм вокруг электродов. Печь вращается со скоростью 1 оборот за 70 ч в течение часа в прямом направлении, затем в течение 15 мин со скоростью 1 оборот за 20 ч в обратном направлении и 15 мин со скоростью 1 оборот за 20 ч в прямом направлении. Кварцит крупностью -40 мм загружается порциями со сбегающей стороны электрода при вращении печи в обратном и прямом направлении. Выпуск металла производится 3-4 раза в смену. После чего цикл вращения повторяется в пределах 60^о.

Расход кварцита на тонну сплава составляет 2650-2750 кг/т, расход электроэнергии 14,5-16,5 тыс.кВтч/т. Извлечение кремния 76-80% расход углерода 1200-1246 кг/т.

Предлагаемый способ позволяет полу-чить следующие преимущества:
повысить на 3-8% извлечение кремния;
уменьшить на 200-250 кг/т удельный расход восстановителя;
уменьшить до 14,5-16,5 тыс. кВтч/т удельный расход электроэнергии;
повысить газопроницаемость и сход шихты;
облегчить условия труда персонала.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ, включающий дозирование компонентов шихты из кварцита, нефтяного кокса, древесного и каменного углей и древесной щепы, загрузку, плавку шихты, выпуск металла, отличающийся тем, что со стадии дозирования кварцит рассеивают на две фракции крупностью 40 120 и 20 40 мм, после чего крупную фракцию смешивают с нефтяным коксом, древесным и каменным углем и древесной щепой и загружают на колошник конусами вокруг электродов, мелкую фракцию загружают к электродам со стороны сбегающей части электродов, при этом частоту вращения печи вокруг вертикальной оси и его направление периодически меняют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что печь сначала вращают в прямом направлении, затем с частотой в 2 10 раз большей, в обратном, затем снова в прямом направлении с прежней частотой, после чего цикл вращения повторяют.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что вращение печи в прямом и обратном направлениях производят в пределах зоны активного схода шихты.