1.3 Теоретические основы выплавки ферросилиция.

Для выплавки ферросилиция строят круглые печи с вращающейся ванной, в последнее время закрытые печи мощностью 16,5- 39 и даже 75 МВА. Для производства кристаллического кремния чаще используют однофазные двухэлектродные печи мощностью 5,5 МВ А или круглые трехфазные печи с вращающейся ванной мощностью 10 – 36 МВА.

Печи работают на самоспекающихся и реже на угольных электродах. Рабочее напряжение составляет обычно 150 – 210 В (здесь и далее, где особо не оговаривается, имеется в виду линейное напряжение) при силе тока порядка 35 000 – 70 000 А и при отношении силы тока к рабочему напряжению, составляющем обычно около 300.

Расчет шихты для производства ферросилиция ведут из условия распределения окислов в процессе плавки, и при этом допускается, что сера и фосфор из стружки переходят в сплав, а сера коксика улетучивается.

Плавку ферросилиция ведут непрерывным процессом. Нормальный ход технологического процесса характеризуется равномерным газовыделением по всей поверхности колошника, отсутствием потемневших спекшихся участков и местных сильных выделений газа – «свищей, равномерным сходом шихты у электродов и в треугольнике между ними, устойчивой глубокой посадкой электродов в шихте (расстояние от торца электрода до подины печи должно составлять 500- 7000 мм), регулярным выходом при каждом выпуске сплава небольшого количества жидкоподвижного шлака, устойчивой нагрузки на электродах и равномерной переработкой загружаемой шихты при нормальном удельном расхоже электроэнергии.

Минимальные потери тепла и улет кремния из печи при максимально большом количестве проплавляемой шихты достигаются при достаточно глубокой (1300 – 1700 мм) и устойчивой посадке электродов и равномерном выделении газов по всей поверхности колошника.

Глубину погружения электродов в шихту регулируют изменением электрического сопротивления печи или, что более желательно, изменением рабочего напряжения. Для изменения электрического сопротивления печи, в которой выплавляют сплавы кремния, увеличивают, или уменьшают проводимость шихтовых материалов, изменяя состав шихтовой смеси или размеры кусков шихты. Увеличение в шихтовой смеси количества углеродистого восстановителя или увеличение его крупности увеличивают проводимость шихты. Замена части рядового коксика ангарским полукоксом с повышенным электросопротивление, древесным углем или добавка древесных отходов снижают ее проводимость.

Процесс плавки происходит главным образом у электродов, где в этой наиболее горячей зоне печи под каждым электродом образуются своеобразные газовые полости – тигли, в которых и протекают реакции восстановления кремнезема. При горячем ходе печи нижние части тиглей соединяются, образуя общий тигель.

Нижняя часть тигля представляет собой газовую полость. Расстояние между торцом электрода и поверхностью расплава обычно составляет около 200 мм. Температура газов, образующихся внизу, возле дуг, высока, и эти газы, проходя через вышележащие слои шихты, нагревают их. Прохождение горячего газа через более холодную шихту ведет к конденсации паров кремния. При выплавке ферросилиция для обеспечения равномерного распределения по колошнику выходящих из печи газов, предотвращения спекания колошника и снижения потерь кремния в улет необходимо вращать ванну печи, а при работе на высокопроцентных сплавах – и «прошивать» шихту. Завалку шихты необходимо проводить непрерывно или возможно часто небольшими порциями в первую очередь около электродов. Загрузка излишней шихты недопустима, так как увеличение столба материалов ведет к смещению плавильной зоны вверх и нарушению теплового режима в зоне реакции. Недогруз печи шихтой приводит к увеличению потерь тепла с уходящими газами и потерь кремния в улет.

Для загрузки шихты в открытые печи на отечественных заводах применяют завалочные машины. При переходе к печам большой мощности с вращающейся ванной, видимо, будет целесообразно осуществлять завалку по трубам, проведенным из печных карманов. Этод метод завалки становится единственно возможным при переходе к закрытым печам.

Количество заваливаемой за смену шихты определяют исходя из расхода электроэнергии печью и расхода на каждую тонну загруженного с шихтой кварцита 16,6 ГДж (4650 кВт-ч) при выплавке ФС45 и 17,28 ГДж (4800 кВт-ч) при выплавке ФС75.

В случае нарушения шихтовки печи или неправильного ведения технологического процесса возможно расстройство хода печи.

Недостаток восстановителя – закварцевание печи ведет к неустойчивой посадке электродов и колебаниям нагрузки, тигли сужаются. Происходит сильное спекание шихты, на колошнике наблюдаются частые «свищи», летка сильно газит, шлак становится густым, рабочие концы электродов сильно утоньшаются и быстро укорачиваются. Температура печи на глубине 500 – 600 мм от поверхности колошника при выплавке ФС45 поднимается в этом случае до 1800 – 2000⁰С, что приводит к усиленному испарению и потерям в улет не только моноокиси кремния, но и восстановленного кремния. При длительной работе печи с недостатком восстановителя наблюдается расстройство работы летки – прекращается выход шлака, лека закрывается с трудом или вообще не закрывается, наблюдается просачивание сплава в любом месте арочки и даже прорыв футеровки печи сплавом. Это происходит вследствие размягчения гарниссажа у передней стенки из – за разрушения карбидов кислым шлаком.

При избытке восстановителя , при котором посадка электрода становится высокой, из – под электродов начинают бить «свищи», тигли сужаются, становится слышной работа дуг, шихта круто обваливается у электродов, из печи прекращается выход шлака, вследствие понижения температуры количество сплава уменьшается и выпуск его осложняется. Нагрузка на электродах при этом бывает спокойной. Длительная работа с избытком восстановителя на печи, в которой выплавляют кристаллический кремний, очень опасна, так как приводит к зарастанию ванны карбидом кремния и к аварийной остановке печи для чистки ванны.

Работа на коротких электродах как по внешним признакам, так и по результатам подобна работе с избытком восстановителя.

Работа с чрезмерно длинными электродами при высокой посадке их ведет к увеличению потерь электроэнергии в самих электродах, а при глубокой посадке электродов часто приводит к тому, что они садятся в шлак, теряется дуговой режим работы печи и бесполезно расходуется электроэнергия.

Выплавка кремния и его сплавов в печах с вращающейся ванной имеет ряд технологических особенностей. В этом случае объем газовой полости под электродами уменьшается в 3-4 раза по сравнению с объемом при рабое с неподвижной ванной. Газовая полость формируется в основном с набегающей стороны электрода, а со сбегающей стороны или совсем отсутствует, или развивается очень слабо.

При вращении ванны печи шихта как бы «вспахивается» неподвижными электродами, спекшиеся участки практически отсутствуют, что обеспечивает увеличение активной зоны более чем в два раза. Примерно 65% шихты надо заваливать с набегающей стороны электрода.

Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерная скорость вращения ванны приводит к ухудшению работы колошника, неустойчивой посадке электродов. Затруднениям в работе летки и, как следствие, к снижению технико – экономических показателей работы установки. При уменьшении скорости вращения ванны ниже оптимальной соответственно теряется эффект, достигаемый при применении этого способа.

Оптимальная скорость вращения ванны составляет для печей мощностью 10 МВА примерно 1 оборот за 70 ч при выплавке ФС75 и 1 оборот за 40 ч при выплавке ФС45 и для печей мощностью 21 МВА примерно 1 оборот за 90 ч при выплавке ФС45 и 1 оборот за 70 ч при выплавке ФС18, ФС25, ФС45 и ФС65.

Вращение ванны печи, в которой выплавляется кремний и его сплавы, должно быть реверсивным в пределах сектора 80 - 120⁰ , поскольку при этом обеспечиваются разрушение карбидов и разрыхление шихты на колошнике по всему сечению ванны, устойчивая работа летки и нормальный выпуск сплава и шлака, значительное улучшение условий службы электродов.

В закрытых печах освоена выплавка ФС75. Технологический процесс плавки сплавов кремния в закрытых печах характеризуется рядом особенностей.

Правильное обслуживание закрытой печи заключается в поддержании необходимой величины давления под ее сводом, обеспечение равномерного схода шихты в воронках и предотвращении забивания подсводового пространства и газоходов печи.

Для обеспечения нормальной работы закрытой печи необходимо всемерно ограничивать поступление в подсводовое пространство газообразных продуктов, способных при конденсации образовывать настыли.

Анализ настылей показал, что они состоят в основном из SiО₂ , SiC, Si и иногда углерода. Зарастание подсводового пространства происходит главным образом в результате недостатка углерода в ванне печи. Однако избыток восстановителя, влекущий за собой мелкую посадку электродов в шихте, приводит к обильному выходу колошниковых газов с более высокой температурой и в повышенным содержанием SiО.

Нормальный ход закрытой печи характеризуется равномерным образованием вокруг электродов невысокого и неяркого пламени и равномерным сходом рыхлой шихты во всех воронках и вокруг каждого электрода, устойчивой глубокой (1500 – 1700 мм) посадкой электродов в шихте, полной электрической нагрузкой, регулярным выходом жидкоподвижного шлака при каждом выпуске.

Давление под сводом печи должно составлять 0 – 4,9 Па (0 – 0,5 мм вод.ст._, температура газов (на печи 21 МВА) около 2200 м³/ч. Содержание в газе Н₂ не должно быть выше 8%, содержание СО в тракте чистого газа должно составлять 80-90% и содержание О₂ в чистом газе должно быть менее 0,9 %.

При выплавке ФС18 навеска восстановителя на колошу должна превышать на 10-15 кг навеску, применяемую при выплавке ФС45, что объясняется повышенным содержанием углерода в сплаве (до 1,5 %).

Нормальный ход печи характеризуется также выходом графитовой спели, обильный выход шлака при отсутствии графитовой спели служит признаком подкварцевания печи.

Наиболее часто встречающиеся ненормальности в работе печи связаны с забиванием тракта газохода и подсводового пространства пылью вследствие работы с недостатком восстановителя или на коротких электродах, подсоса воздуха под свод или же с нарушениями в подаче воды на орошение газохода. Зависание шихты в воронках может привести к раскрытию колошника, прогару свода и воронок и к другим вредным последствиям.

Повышение давления под сводом, наличие большого перепада давления в различных точках подсводового пространства свидетельствуют о его забивании, образовании в нем перегородок и скоплении пыли в устье газохода.

Повышение температуры подсводового пространства может быть вызвано появлением разрежения в какой – либо части его, а также проплавлением колошника печи, вызванным зависанием шихты в воронках.

Повышение содержания Н₂ в подсводовом пространстве свидетельствует об увеличении влажности шихты или о наличии течи воды из воронок или секций свода, причем в случае течи воды содержание Н₂ резко повышается и в грязном газе (до 20% и более).

Ферросилиций выпускают из печи периодически по мере его накопления. При выплавке ФС18 и ФС25 проводят 6 -7 выпусков, а при выплавке ФС45, ФС65, ФС75 и ФС90 4 – 5 выпусков в смену. Слишком частые выпуски сплава приводят к большим потерям тепла и понижению температуры в районе выпускного отверстия, что затрудняет выход сплава и шлака, а также увеличивает потери при выпуске и разливе сплава.

При слишком редких выпусках замедляется процесс восстановления кремнезема, ухудшается посадка электродов и увеличиваются потери кремния в улет.