Физико-химические основы получения ферросилиция

Восстановление кремнезема твердым углеродом в условиях электрической печи протекает по следующей суммарной реакции: SiO₂ж+2Ст=Siж+2СОг, для которой теоретическая температура начала ее равна 1554°С.

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.

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. Взаимодействие карбида кремния и железа по реакции mFe + nSiC=Fe_mSi_n+nC начинается с 1500 К и интенсивно проходит при 1500—1600 К. Продуктом реакции являются ферросилиций и графит.

Рассмотрим приближенную схему протекания процессов в активной зоне (тигле) ферросилицевой 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, образующейся в результате взаимодействия кремнекислородной жидкости с углеродом и карбидом кремния, а в непосредственной близости к плазменному шнуру, где температура достигает несколько тысяч градусов, также происходит диссоциация оксидов кремния. В более холодны зонах тигля образуется кремний в результате восстановления SiO по разным схемам. В этой зоне наблюдаются различные конденсаты, состоящие из дисперсных частиц кремния и SiC, скрепленных аморфным SiO₂ или кристоболитом.

В зоне медленного схода шихты и в боковом гарнисаже активных восстановительных взаимодействий не происходит и эти зоны играют второстепенную роль а процессах формирования сплава. Гарнисаж стен в основном состоит из кристобалита, реже тридимита, остатков кокса, чаще псевдоморфозов SiC по коксу. В зоне медленного 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.

В электропечи наряду с восстановлением кремнезема происходит частичное восстановление примесей из кварцита и золы восстановителей (Al₂O₃, CaO, MgO и т.д.). в некоторых случаях при восстановлении примесей углеродом могут образовываться карбиды соответствующих элементов, которые затем разрушаются железом или кремнием. Примеси часто восстанавливаются кремнием, возможно также и образование силицидов металлов в результате взаимодействия их карбидов и кремнезема. Реальность протекания реакции восстановления примесей подтверждается содержанием в промышленных сортах ферросилиция значительных количеств алюминия, кальция, магния, бария и т.д. В восстановительных условиях печной плавки значительное количество фосфора переходит в сплав из шихты. 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 1 т ФС45 получается 25 – 50 кг шлака и на 1 т ФС75 35 – 70 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.д.) и которые ошлаковываются кремнеземом. При недостатке восстановителя шлак обогащается кремнеземом, а также карбидом кремния вследствие разрушения гарнисажа. В шлаках обнаружены следующие собственно шлаковые минеральные фазы: геленит – 2CaO*Al₂O₃*SiO₂ (1); анортит – CaO* Al₂O₃*2SiO₂ (2); сарколит – 3CaO*Al₂O (3); гексаалюминат кальция – CaO*6Al₂O₃ (4); корунд – Al₂O₃ (5); шпинель – MgO*Al₂O₃ (6); диалюмининат кальция – CaO*2Al₂O₃ (7); сульфид кальция – CaS (8) и силикатное стекло (9), которое составляло основу большинства проб. К примесям, образующимся не в процессе кристаллизации расплава, а попадающих в него извне, относятся карбид кремния (10), графит, кокс (11), кварцит, кристобалит (12), а также частицы ферросилиция (13) и кремния. Шлаки также содержат карбиды кальция и бария (на ЧЭМК), сульфиды. Заметного различия в составе шлака при выплавке ФС20, ФС25, ФС45, ФС75 и ФС90 не наблюдается. Некоторое различие состава шлаков разных заводов объясняется особенностями шшихтовых материалов, а также составом используемых флюсов. Шлаки имеют высокую температуру плавления (1500 – 1700 ⁰С), характеризуются значительной вязкостью, составляющей 1 – 5 Па*с даже при 1700 ⁰С, причем вязкость их 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 компании. В связи с этим необходимо полностью удалять образовавшийся шлак из печи, что достигается при глубокой посадке электродов и достаточном количестве восстановителя в шихте. Полному удалению шлака способствует вращение ванны печи, обеспечивающее разрушение карбидов и равномерный прогрев подины печи [23]. В некоторых случаях при скоплении шлака его удаляют при помощи извести, задаваемой в печь. Хорошие результаты дает введение в печь отходов от производства силикокальция, содержащих сплав, карбиды кальция и кремния и оксид кальция. Однако введение флюсующих приводит к увеличению количества шлака и повышению удельного расхода электроэнергии и в ряде случаев к ухудшению качества сплава, так как вызывает загрязнение его кальцием.