СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ И ФЕРРОСИЛИЦИЯ

Название	СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ И ФЕРРОСИЛИЦИЯ
Разработчик (Авторы)	Павлов Вячеслав Владимирович, Лазаревский Павел Павлович, Попов Максим Геннадиевич, Обриев Игорь Михайлович, Протопопов Евгений Валентинович, Темлянцев Михаил Викторович, Якушевич Николай Филиппович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2716906
Дата регистрации	17.03.2020
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью "Регионстрой", ООО "Регионстрой"
Область применения (класс МПК)	C22C 33/00 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

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).

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

Формула изобретения

Способ выплавки кремния и ферросилиция, включающий непрерывную подачу в дуговую руднотермическую печь шихтовых материалов в виде кварцита и углеродистого восстановителя, их проплавление, углеродотермическое восстановление металлов, вдувание через полые электроды в зону электрической дуги плазмообразующего газа, периодический выпуск продуктов плавки кремнистого сплава и шлака через летку печи и непрерывную эвакуацию печных газов через колошник, отличающийся тем, что 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,

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

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

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

Изобретение "СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ И ФЕРРОСИЛИЦИЯ" (Павлов Вячеслав Владимирович, Лазаревский Павел Павлович, Попов Максим Геннадиевич, Обриев Игорь Михайлович, Протопопов Евгений Валентинович, Темлянцев Михаил Викторович, Якушевич Николай Филиппович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога