Физико-химические основы получения ферросилиция ФС 45

2.3 Физико-химические основы получения ферросилиция ФС 45

Ферросилиций получают восстановлением кремнезема, содержащегося в кварците, твердыми углеродистыми восстановителями в присутствии стальной стружки.

Восстановление кремнезема твердым углеродом в условиях электрической печи протекает по следующей суммарной реакции:

SiO_2(ж) + 2 С_(Т) = Si_(ж) + 2 СO_(г) ,

для которой Δ G º = 666664 – 364,96 Дж/моль (159230 – 87,17·Т кал/моль) и теоретическая температура ее начала равна 1554 ºС.

Константа равновесия суммарной реакции может быть написана в следующем виде:

где - парциальное давление СO, ат;

a_Si, a_c², a_SiO2 – соответствующие индексы активности.

При чистых исходных материалах кремнезем и углерод находятся в свободном состоянии, тогда a_SiO2 и a_c равны 1 и Кр=P_CO² · a_Si , т.е. протекание реакции восстановления кремния определяется парциальным давлением оксида углерода.

В промышленной печи для производства ферросилиция давление на колошнике примерно равно атмосферному, поэтому устанавливающееся в зоне восстановления парциальное давление оксида углерода лишь незначительно превышает атмосферное давление.

При постоянном значении P_ω² значение константы для 45%-ного ферросилиция мало. Это означает, что выплавка сплава с меньшим содержанием кремния требует более низких температур.

Исследования показали, что кремнезем восстанавливается углеродом и кремнием с образованием промежуточных продуктов – моноокиси кремния и карбида кремния.

В печи также могут протекать процессы испарения и диссоциации кремнезема по следующим возможным схемам:

При высокотемпературном восстановлении, характерном для процесса получения ферросилиция, при атмосферном давлении наиболее вероятным кажется процесс восстановления SiO₂ в две стадии:

SiO_2конд + Si_Feж = 2 SiO₍₂₎ ,

SiO₂ + C_T = Si_конд + CO₂ .

Жидкий кремнистый расплав обтекает кусочки шихты и вызывает интенсивное взаимодействие с образованием газообразной окиси кремния. Углерод довосстанавливает окись кремния. Окись кремния реагирует с углеродом как на внешней поверхности кусков коксика, так и в их толще, проникая в поры и трещины.

Учитывая, что кремнезем, испаряясь, диссоциирует в основном на оксид кремния и кислород, и то, что в печи находится свободный углерод, следует считать основным кремнийсодержащим продуктом испарения кремнезема оксид кремния. Основными составляющими газовой фазы при относительно высоких температурах можно считать СО и SiO. Такие вещества, как CO₂ , SiO₂ , Si, SiC₂ , Si₂C и т.д. должны присутствовать в газовой фазе лишь в незначительных количествах. Это следует прежде всего из расчетов равновесия C + CO₂ = 2 CO и результатов термодинамического анализа высокотемпературного испарения кремнезема. Присутствие SiC в выплавках из рабочего пространства или из настылей печей, выплавляющих ферросилиций, подтверждается многочисленными исследованиями.

На ход реакции восстановления кремнезема в значительной степени влияет присутствие железа, которое, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, улучшая термодинамические условия ее протекания и снижая потери кремния. Отсутствие в шихте железа приводит к исключению из приходной части теплового баланса процесса тепла растворения кремния в железе, составляющего 2,5-3% прихода тепла. Присутствие железа значительно снижает температуру начала процесса восстановления кремнезема.

Расчетная температура его начала в зависимости от содержания кремния в сплаве составляет:

Содержание кремния в сплаве, % .................................... 45

Температура начала восстановления

кремнезема, ºС ................................................................ 1400

Благотворное влияние железа также определяется тем, что оно легко разрушает карбид кремния, являющийся одним из промежуточных продуктов восстановления кремнезема, способствуя сдвигу реакции в сторону образования кремния. Ниже приведена температура (К) начала реакций взаимодействия карбида кремния с кремнеземом и монооксидом кремния и испарения (или разложения) его по различным реакциям (числитель), (знаменатель – результаты расчета). Для реакции непосредственного разложения карборунда

SiC_T= Si₂+ C_T

температура колеблется в пределах от 2423 до 3125 К.

SiC_T+ SiO_2(T) = 2 SiO₂+ C_T ; 2200 / 2079

SiC_T+ 2 SiO_2(T) = 3 SiO_(г) + CO₂ ; 2000 / 1934

2 SiC_T+ SiO_2(ж) = 3 Si_ж + 2 CO_(г) ; 2353 / 2257

SiC_T+ C_T+ SiO_2(Т) = 2 Si_ж + 2 CO_г; 1982 / 1968

SiC_T+ 2 SiO_2(ж) = CO_г + 3 SiO_г; 1998 / 1937

SiC_T+ SiO_г= 2 Si_ж + CO_г ; 2403 / 2876

Взаимодействие карбида кремния и железа по реакции

m Fe + n SiC = Fe_mSi_n+ C_T + n C

начинается с 1500 К и интенсивно проходит при 1500-1600 К. Продуктом реакции является ферросилиций и графит. Расчеты показывают, что изменение энергии Гиббса реакции разрушения карбида кремния железом в интервале 1100-1700ºС имеет отрицательное значение, что и объясняет неустойчивость его в присутствии железа:

Рассмотренные данные позволяют наметить следующую приближенную схему протекания процессов в активной зоне (тигле) ферросилициевой печи. На глубине ~ 200 мм шихта претерпевает значительные изменения. Кварцит оплавляется, кокс с поверхности превращается в карбид кремния, из железной стружки образуются капельки сплава, содержащего до 20% Si. Насыщение железа кремнием происходит преимущественно в результате взаимодействий SiO с углеродом и SiC с расплавленным железом, а также за счет паров кремния. У поверхности газовой полости заканчивается преобразование материалов в конденсированных фазах. Кварцит полностью расплавляется, начинается образование нестехиометрического кремнекислородного остатка, кокс преобразован в карбид кремния, постепенно повышается (по-разному для различных марок ферросилиция) содержание кремния в сплаве. В тигле, в зоне наиболее высоких температур появляется SiO, образующийся в результате взаимодействия кремнекислородной жидкости с углеродом и карбидом кремния, а в непосредственной близости к плазменному шнуру, где температура достигает нескольких тысяч градусов, также происходит диссоциация оксидов кремния. В более холодных зонах тигля образуется кремний в результате восстановления SiO.

«Дно» тиглей характеризуется составами, в которых основными фазами являются анортит (CaO · Al₂O₃ · SiO₂), геленит (2 CaO · Al₂O₃ · SiO₂), SiC, силикатное стекло и корольки сплава с переменным содержанием кремния. Ниже уровня «дна» тиглей формируется шлакокарбидная зона, основным компонентами которой являются Al₂O₃, CaO и SiO₂ примерно в таком же соотношении, как и в конечных шлаках, и крупнокристаллический SiC, содержание которого колеблется в пределах от 30 до 60 %.

В зоне медленного схода шихты и в боковом гарнисаже активных восстановительных взаимодействий не происходит и эти зоны играют второстепенную роль в процессах формирования сплава. Гарнисаж стен в основном состоит из кристобалита, реже – тридимита, остатков кокса, чаще – псевдоморфозов SiC по коксу. В зоне мед ленного схода шихты (между электродами) наблюдаются тяжелые ноздреватые конгломераты, пористая агломератовидная масса из преобразованных шихтовых материалов, по химическому составу промежуточных между гарнисажем стен и материалом из стен газовых полостей, шлак и сплав переменного состава. Эти зоны не являются постоянными, их размеры и форма изменяются в зависимости от периода плавки, марки выплавляемого сплава, подводимой мощности, частоты вращения ванны печи и др.

Наряду с восстановлением кремнезема в электропечи происходит частичное восстановление примесей кварцита и золы восстановителей: Al₂O₃, CaO, MgO и др. до элементов или карбидов, которые могут затем разрушаться железом, кремнием или кремнеземом. Восстановление примесей часто осуществляется за счет кремния.

Восстановление окислов железа, содержащихся в шихтовых материалах, протекает практически полностью. В восстановительных условиях печной плавки значительное количество фосфора из шихты переходит в сплав. Содержащаяся в ней сера в основном удаляется в виде летучих соединений с кремнием: SiS и SiS₂.

Производство ферросилиция относится к бесшлаковым процессам, но тем не менее получение сплава всегда сопровождается получением некоторого количества шлака (на 1т ФС 45 получается 25-30 кг шлака). Причиной шлакообразования являются примеси шихтовых материалов, которые по физико-химическим условиям процесса не могут быть полностью восстановлены (глинозем, оксиды кальция, бария, магния и т.п.) и которые ошлаковываются кремнеземом. При недостатке восстановителя шлак обогащается кремнеземом, а также карбидом кремния вследствие разрушения гарнисажа. Результаты анализа шлаков на ЗФЗ и АЗФ приведены в табл.2.5. В шлаках обнаружены следующие собственно шлаковые минеральные фазы: геленит – 2 CaO · Al₂O₃ · SiO₂, анортит – CaO · Al₂O₃· · 2 SiO₂, сарколит – 3 CaO · Al₂O₃, гексаалюминат кальция – CaO · ·6 Al₂O₃, корунд – Al₂O₃, шпинель – MgO · Al₂O₃, диалюминат кальция – CaO · 2 Al₂O₃, сульфид кальция – CaS и силикатное стекло.

Таблица 2.5 – Химический состав шлаков на ЗФЗ и АЗФ.

Шлаки имеют высокую температуру плавления (1500-1700 ºС), характеризуются значительной вязкостью, составляющей 1-5 Па·с, причем их вязкость повышается при повышении содержания кремнезема и карбида кремния (например, при недостатке восстановителя).

Вследствие высокой вязкости шлак частично остается в печи и вызывает зарастание ванны, при этом снижается производительность печи, увеличивается удельный расход электроэнергии и сокращается продолжительность кампании. В связи с этим необходимо полностью удалять из печи образовавшийся шлак, что достигается при глубокой и устойчивой посадке электродов и достаточном количестве восстановителя в шихте. Полному удалению шлака способствует вращение ванны печи, обеспечивающее разрушение карбидов и равномерный прогрев подины печи. В некоторых случаях при скоплении шлака его удаляют при помощи извести, задаваемой в печь. Однако введение флюсующих приводит к увеличению количества шлака и повышению удельного расхода электроэнергии. Основные меры борьбы со шлакообразованием при производстве ферросилиция сводятся к строгому контролю за введением в печь достаточного количества восстановителя и применению возможно более чистых материалов.

Производство ферросплавов сопровождается образованием значительного количества отвальных шлаков. Кратность шлака (отношение массы шлака к массе металла) при выплавке ферросилиция составляет 0,05-0,1 (бесшлаковый процесс).

Ферросплавные шлаки содержат корольки готового сплава и невосстановленные оксиды ведущих элементов сплавов. К тому же они обладают прочностью, абразивностью, огнеупорностью. Общий выход ферросплавных шлаков составляет более 5 млн. тонн в год. Перерабатывают около 45% этих шлаков.

Отвальные шлаки при производстве ферросилиция содержат до 30-50% готового металла в виде корольков и до 15% карбида кремния. Эти шлаки успешно используются в составе раскислительных и рафинирующих смесей в сталеплавильном производстве [3-7].