2002年第2期 铁台金 2oo2№2 总第163期 FERR0.ALI YS Tot.163 工业硅生产的炉前操作与产品的高产、优质、低耗 何允平 (沈阳铝镁设计研究院沈阳 110001) 摘要舟绍了工业硅生产反应机理及搞好炉前操作的效果、原因及前提条件,重点论述了搞好炉前操作的要 领。其中包括如何保持熔炼处于正常状态,怎样适时调整配碳量并注意解决好排出CO和捕收SiO、尽快出炉和 保持出炉间隔时间、捣炉和减少散热等矛盾。 关键词 工业硅生产炉前操作 企业效益 高产优质低耗 中圈分类号TF645 3.4 文献标识码B 文章编号1001.1943(2002)02-0020-05 THE RELATIoNSHIP BETWEEN CASTHoUSE oPERATIoN AND METAL SⅡ lCoN’SⅢGH oUTPUT,GooD QUALrrY AND LoW CoNSUMP noN He Yunping (sh。nyang Aluminium and Magnesium Design and Research Institute,Shenyang 1 10001) Abstract The rea ̄ino meehnism of metal silicon and the results,reasoi1s and premise fo proper casthouse operation are imrnduced The mai“points on proper operation me focused on.including how to keep smehing at normal conditions。how to adjust car n burdening in good time,and including the conditions between CO discharging and SiO eofleeting,rapidly tapping and keeping and reducing heat diffusion etc.. Keywords producing of metal silicon,castho ̄e operation,emerprlse benefits,hi outpuL good quality,low consumption 工业硅生产的炉前操作,主要是指生产中的配 产能力严重过剩。 料、混料、加料、捣料、配电和出炉等一系列作业。炉 对各工业硅企业而言,都应清醒地认识到,国 前操作的好坏,直接关系到产品的产量、质量、原材 内外的竞争不可避免,而且都将是十分激烈的。各 料消耗和企业效益。 工业硅企业要想在激烈的竞争中求得生存和发展, 我国现有工业硅炉数百台,最大实际容量8 必须在增产、降耗.提高产品质量、增加企业效益方 MVA。这与国外普遍采用的10 MVA以上容量的工 面下功夫,不断提高操作水平。 业硅炉相比,突出的弱点是热容量小,热稳定性差, 搞好炉前操作,可以取得如下一些效果: 对产品的优质、高产、低耗不利。 1.1 进入反应区的炉料所含SiO:和C的量恰到 面对国内外的激烈竞争和我国工业硅炉容量 好处,生成si后无多余的SiO:,tE无多余的碳。 普遍较小的客观事实,要达到产品的高产、优质、低 1.2 炉料适时进入反应区,使反应区的能量充分 耗.就要结合我国人多的特点,充分调动人的积极 用于熔炼反应,不造成能量的过多预夫和对炉村的 性。把炉前作业不断提高到一个新水平。 损坏。 l|3 反应区上部有适宜的料层高度和疏松度,使 1 搞好炉前操作的重要性 反应生成的CO气体迅速排出和气态SiO在料层中 近两年。我国的工业硅出口量虽较前几年有所 被充分捕收回来,有利于提高硅肋收率和产量。 增加.但出口价格却在继续下降。其根本原因是生 1.4 当炉料中C或SiO:过多或过少时,可进行调 作者简介何允平男.1937年5月出生.1964年毕业于东北工学院有色冶金系.教授级高级工程师,现从事工业硅和铝电解 的科研设计工作.著有《工业硅生产》、《电热硅铝台盘生产技术)等六部著作。 收稿日期2001—11—13 维普资讯 http://www.cqvip.com
第引辑 何允平工业硅生产的炉前撮作与产品的高产、优质、低耗 ‘2J 整。防止生成过多的SiO和造成SiO:沉积.使炉底 2siO=Si +sj (2) 上涨等异常炉况消灭在萌芽状态。 但在还原剂活性表面上,优先发生下列反应: 1.5 通过适时拨料、挑料、沉料,减少或消除料面 SiO+2C=SiC 4-CO (3) “刺火”,可减少热量损失,减轻对料面上部设备或 2.1.2.2生成SiC的区域(1 100℃一l 800℃) 装置的损坏 降低能量消耗。 反应(3)从l 100℃开始巳能较强烈地进行.到 I.6 搞好炉前操作,既可使玲料充分预热,又能减 l 537℃以后,能自发进行以下反应: 少炉料中还原荆的过分燃烧,避免配料不准和降低 SiO2+3C=SiC+2C0 (4) 还原剂消耗。 2.1.2.3 生成熔体硅的区域(1 4OO℃以上) I.7 可减少或避免熔炼过程中杂质铁等进入产 在l 410℃左右纯硅熔化(如能生成熔点更低 品,有利于提高产品质量。 的Fe—sj合金),超过纯硅熔点后,SiO与碳的反应强 2 反应机理和操作条件 烈,生成硅: SiO+C=Si+CO (5) 2.1 反应机理 从l 650℃起,下列反应向右进行: 工业硅熔炼就是用还原剂c还原矿物原料中 Si02+2C=Si 4-2C0 (6) 的SiO2制取sj。其总反应可用SiO:+2C=Si+2C0 2.1.2.4 SiC分饵区域(1 800℃以上) 来表示。但就碳还原氧化硅的整个过程来说,并非 在l 827℃以上时,下列反应向右进行: 如此简单,有复杂的反应机构。现在对不同温度下 SiO2+2SiC=3Si+2C0 (7) 可能发生的变化逐渐有了较清楚的认识,但对反应 在更高的温度下,由于SiC与SiO起反应而分 过程随时问的变化机制并没有完全搞清楚。各国学 饵,生成硅和一氧化碳。 者问的认识还有差异。 2.1.2.5 SiO蒸发区(2 000℃以上) 2.1.1有的学者提出,在硅熔炼过程中,电炉内不 从l 750℃起,下列反应向右进行: 同区域的反应如表1所示。 sj +C=Si0+C0 (8) 衰1 炉内不同区域发生的反应 此外,还存在其他观点。 区域 反 应 2.1 3 综合各方面研究成果和观点,可以得出如 I si02 下共同认识: 上部 f C0 1 Si0 l c Si0+2C=SiC+c0 2.1.3.1 碳还原氧化硅的反应过程.存在如下次 t c0 f siO siOl I sjc 序性: si0+siC=2Si+C0 中部 C C siO・Os.啦 si02+C0=Si0+C02 sjO2_—_+SiO——÷SiC—————— Si C02+C=2C0 s;02+C=Si0+C0 f siO I si I SiC l s;O2 其中0 是按SiO Si0+O反应形成的氧。在 下部 2.5i02=2Si0+02 整个反应过程中sj 分解为SiO,SiC形成又被破 S|c+02=SiO+CO 坏,这是两个重要的中问过程。 2.1.3.2 熔炼过程中,在反应区形成的产物.除 2.1.2 还有的学者把工业硅炉内的反应过程划分 SiC和液态硅之外,还有气体CO和气态SiO。SiC在 为以下几个区域: 适宜条件下可以分饵成si,也可积存在炉膛内,恶 2.1.2.1 低温反应区(1 100℃以下) 高温反应区的气体从料面逸出时,气体中残留 化炉况。反应区生成的SiO,它与气体CO一起进入 的SiO与空气中的氧接触,发生如下反应: 料层,可以参与有关反应变为硅,也可以逸出料面 1 造成硅的损失。 SiO 4-÷02=SiO2 (1) ‘ 2.1.3.3 对硅熔炼过程而言。反应区的温度必须 在l 100℃以下SiO不稳定,还可能发生如下 达到2 000℃左右,温度过低过程不能全部进行,但 过程: 最好不高于2 160℃,因为超过此温度,3i0的蒸发 维普资讯 http://www.cqvip.com
22- 铁 台 金 2002生 会明显加剧,将si的损失增大,收率降低。 能导入炉内。对电极的要求主要是:电阻要小;5t许 2操作要求 电流密度要大;灰分和杂质含量要少;一定机械强 基于对硅熔炼过程反应机理的认识,对炉前操 度;价格要便宜。石墨电极、炭素电极和自焙电极在 作而言,一定要满足以下要隶: 国内外的工业硅生产中都有应用,各工业硅企业可 2.2.1 进入反应区的炉料,应严格保持炉料中的 根据不同电报的特点,结合自身需要,权衡利弊加 C与Si02的分子比等于2,这样才能在熔炼过程中 以选用…。 不出现过剩的SiC和Si02。如果进入反应区炉料中 的c与SiO 的分子比大于2且小于3,熔炼过程就 4 必须掌握的要领 会有多余的SiC出现,造成炉底上涨恶化炉况。如果 若要工业硅熔炼过程进行得好,取得高产、优 进人反应区炉料中的c与SiOz的分子比等于3,则 质、低耗的优良效果,必须掌握炉前操作的各种要 熔炼所得的产物将全部是SiC而没有si。如果进入 领 反应区炉料中的c与SiO 的分子比小于2,则会有 4.1 经常保持熔炼处于正常状态 多余的SIO 出现,在硅中形成大量熔渣或沉于炉 4.1.1 正常炉况应有如下特点 ’: 底。 4.1.1.1 电极深而稳地插在炉料中: 2.2.2 为使熔炼过程正常顺利进行,反应区上部 4.1.1.2 气体经炉缸上部整个有效表面均匀冒 不仅要有经过预热的大量炉料,还要在几乎连续不 出,没有暗色烧结部分,也没有大的“刺火孔”。 断的状态下进人反应区。 4.1 1.3 炉料沿炉缸上部的整个有效截面下落; 2.2.3 为使熔炼过程正常进行,必须使反应区生 4.1.1 4 出炉正常,出炉的硅量与规定的电能和 成CO和SiO气体迅速离开反应区,这就要求反应 原料消耗相适应; 区上部的料层有足够的孔隙度,使CO排出炉外,又 4.1.1.5 电极的电流负荷稳定。 要有经过预热的含有足够c或SiC的炉料与SiO反 4.1.2 保持正常炉况.应做到以下几点: 应。以捕收SiO。 4.1.2.1适时捣炉 工业硅生产的炉料难于不断地自动下沉,这就 3 必备的前提条件 要求要适时捣炉,强制使炉料下沉。捣炉的间隔时 在炉前操作之外,必须具备一些基础条件。 问.视炉况和炉料特性等因素决定。料面严重“刺 3.1 合适的工艺与设备 火”时,间隔时间可短些。还原剂的还原能力较差 近几年,有某些工业硅企业,在企业建设和改 时,间隔时间可稍长些。 造中,因对设计者、设计部门选择不当,导致建成后 4 l_2.2稳住电报 的工艺与设备存在严重问题,多次改造仍不能顺利 当电极上抬严重,不能深插电极时,可考虑:减 生产,损失巨大。 少还原剂或减小还原剂粒度;用电阻较大的还原剂 3.2对原材料的要求 代替电阻较小的还原剂;改用较低档的二次电压。 3.2.1 硅石 4.1.2 3预热炉料 硅石为熔炼过程提供所需要的SiO ,对硅石的 加到炉内的炉料应在电极周围形成圆锥体或 要求是:杂质含量要少;有足够的热稳定性;有一定 称馒头状。捣炉时,应把经过预热的炉料捣入反应 的机械强度;有合适的粒度组成。 区,再把料面周围预热过的料拨到电檄周围之后才 3.2.2 还原剂 能再加入一批新料。 碳是还原SiO 所需还原剂的主要来源。对还原 4.1.2.4 保持适宜的料层高度 剂的要求是:有足够的反应能力;有较高的比电阻; 对一台各方面条件都已确定的工业硅炉,正常 有适宜的粒度和合适的灰分含量;来源广,价格比 熔炼时,在炉缸内及其上部应保持一・个几乎恒定的 较便宜 料层高度,这个料层所造成的压力使反应区生成的 3.2.3 电极 气体能通过料层均匀冒出而不是从炉料与电极接 电报的作用主要是把变压器经短网输出的电 触面冒出,使加入炉内的炉料能得到预热,而又不 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 何允平工业硅生产的妒前操作与产品的高产、优质、低耗 23・ 是在料面或料层中停留时间过长,造成还原剂的燃 烧飞扬损失过大。在电极埋得很深,尤其是当电极 急剧向下和料层过于紧密时,料层高度可适当小 些,这可减小冒出气体的阻力,防止形成“刺火 2适时调整配碳量 在实际生产中,还原剂的成分波动很大,特别 是木炭的含水量变化更大。生产中的炉况,也随时 都在变化,因此,实际所需炉料的过剩碳量,也在不 断变化。在实际生产中,要使进入反应区炉料中的c 与SiOz的分子比经常等于2是相当难的。单靠准确 地计算炉料,认真配料、混料、加料和捣料是很不够 的。进入反应区的炉料,只要其中c与s;o2分子比 偏离2,就会有多余的SiO 或SiC出现。长时间不调 整,就会出现炉底上涨、电极上抬、出炉困难等异常 炉况,造成产量降低,能耗和原材料消耗增大的结 果。 孔”。但长时间料层高度过低,不利于形成规整炉 膛,也容易出现塌料,不能保持埋弧运行。当电极位 置偏上,反应区上移时,应适当增加料面高度,以减 少热量损失和气态产物的挥发。在“料轻”和“多孔” 的情况下,也可适当增大料面高度。 4.1.2.5定期出炉 出炉时间和次数,应根据电炉容量和炉况并考 虑到既有利于熔炼过程又有利于精炼等因素来决 定。正常情况下,从炉内放出的硅量应与一定时间 内的加料量和电能消耗量相一致。 表2列出了熔炼中出现碳量过剩或不足时的 炉况特征,供参考。 表2 炉料碳■过剩或不足的炉况特征 发现并能准确判断熔炼中出现的碳量不足或 过剩,对炉前操作者很重要,但更重要的是要及时 调整。 一系列矛盾。炉前操作者只有清楚地认识这些矛 盾,解决好这些矛盾,才能真正取得产品的高产、优 质、低耗。 4.3.1 排出CO和捕收SiO 在碳量过剩(或不足)的情况不是很严重时,可 通过改变配料比来进行调整。如使用几种还原剂。 从反应机理的认识中得知,在SiO 还原过程 中,产生大量CO。这些CO气体只有迅速离开反应 区,SiO 的还原才能继续进行。但在熔炼反应过程 中,同时还生成大量SiO气态产物。若SiO随CO同 时迅速排出料面,将造成硅和能量的大量损失,导 致硅的收率和产量降低,能耗增大。所以,对工业硅 熔炼而言,既要迅速排出CO,又要阻止SiO的散失, 这是必须解决好的一对矛盾。 可只改变一种进行调整。这种调整需时稍长,但不 易造成炉况严重波动。 在碳量过剩(或不足)的情况比较严重时,可通 过另外加硅石(或还原剂)的办法来调整。这样见效 可能比较快,但外加硅石(或还原剂)的量要恰到好 处,否则会引起炉况大的波动。加入的办法是,若加 硅石,可直接投到料面上,也可加到料面下,再盖上 正常配比的料。每个电报区一次外加硅石的量不能 过多,在向料面下加硅石时,最好同时混入少量还 原剂。这种单独加硅石的操作,只能连续进行2~3 为使SiO在炉内继续参加生成SiC和si的反 应,而不大量逸出炉外,应在反应区上都保持一定 的料层高度。这既有利于捕收SiO,也有利于回收 CO和SiO气体所带的能量,有利于降低产品能耗。 要解决好这对矛盾,就必须恰当地照顾好两个 方面:即在反应区上部保持适宜的料层高度;又要 使料层有良好的透气性,使CO能迅速排出。木炭比 石油焦和烟煤的反应能力强,一个主要原因就是, 木炭有很多微小的直孔,它的孔隙度大,有利于SiO 次,不能多次重复。 配碳量的调整应十分慎重。为防止判断失误, 造成炉子运行紊乱,建议一般的炉前操作者不要轻 易调整配碳量,应经与有较高技术水平和操作经验 的负责人研究后再行调整。 4.3 注意解决好的几个矛盾 在工业硅熔炼过程中,对炉前操作而言,存在 的捕收和CO的排出。采用全油焦或采用大量烟煤 维普资讯 http://www.cqvip.com
・ ・ 铁 台 金 2002芷 作还原剂时,往往要在炉科中加入一些木屑、甘庶 间隔时间越短越好。 渣、玉米以改善炉料透气性。 4.3.3捣炉与减少散热 在实际生产中,以SiO形态及其他原因造成的 为保证熔炼过程连续不断地顺利进行。需通过 硅损失是不可避免的。正常生产时,熔炼l t硅产生 捣炉使炉料强制下沉。实施捣炉,就要挑开料面,就 的烟气粉尘可达到100—200 。烟气粉尘含Si 要破坏闭弧状态,造成大量热能扩散和辐射到周围 90%以上,这些微小的Si 粉坐颗粒(粒径在l 空间。同时,还会有操作工具将铁等杂质带八炉内, pan),就是气态SiO与空气中的0:反应后生成的。 使产品的杂质含量增加。 炉前操作者的责任,主要是要从思想上认识排 捣炉是工业硅熔炼必不可少的炉前操作,但又 出CO和捕收SiO的重要性.在行动上采取一切可 是增大热能损失和SiO逸散,降低产品产量和质量, 能的措施,尽可能减少硅和能量损失,提高产品产 增大能耗的一项有害作业。炉前操作者必须认清此 量,降低能耗。 项操作的正反两方面的作用,做到既要适时捣炉, 4.3.2 尽快出炉和保持出炉间隔时间 又要尽量减少散热。在炉子正常运行时,只有当炉 硅熔炼的反应过程和机理表明,熔炼过程的产 料在炉缸上部已被很好预热 后或者出现形成“刺 物除CO等气体之外,还有熔体硅。要使熔炼过程顺 火孔”的迹象时,才实施捣炉,在实施捣炉作业时, 利地向生成硅的方面进行,硅熔体也应从反应区排 最好是一个电极区一个电极区地依次进行。每个电 出或离开。工业硅的出炉,有连续出炉和间断出炉 极区在捣炉时,最好是两台捣炉机同时配合进行。 两种方式。从加速反应过程的角度看,采用连续出 在捣炉前就应定好捣杆的运行方向,捣炉时捣杆切 炉是最合适的。炉缸底部没有积存的熔体硅层,这 勿触碰电极,并要防止与另一捣炉机的捣杆相碰。 对熔炼过程的进行当然有利。因此,在国外大容量 在捣杆抽回后,应马上用铁铲把被撬散的热料堆到 工业硅炉上.大都采用这种连续出炉方式 l。 电极周围,并在整理好的料面上加上新料。加料应 在我国绝大多数工业硅企业,都是采用小容量 均匀,对易“刺火”处要先加料,并可适当多些。 工业硅炉,如采用连续出炉,则有一些不利方面: 4.3.2.1 小电炉,热容量小,热稳定性差,出炉口 5 结语 连续敞开,不利于保持炉底和反应区的温度。 面对我国工业硅企业电炉容量普遍较小.而且 4、3.2.2 小电炉,硅的产出率低。在连续出炉时, 短期内很难彻底改变的现实,必须充分认识搞好炉 硅流小,包内积存的硅温度低,严重时可能边出炉 前操作对提高产量、质量、降低消耗,提高企业效益 边凝固。 和竞争实力的重要作用。以前,我国有些工业硅企 4.3.2.3 难得到温度较高的熔体硅,这对硅的杂 业,在6.3 MVA以下容量的工业硅炉上,通过充分 质分离,对进行氧化或氯化精炼都很不利,也难于 调动人的积极性,全面搞好炉前操作,在电能和电 浇铸出结晶状态良好的产品。 极单耗方面取得了和国外10 MVA以上容量工业硅 因此在国内的工业硅生产中,都是采用间断出 炉相同的指标。实践已经证明搞好炉前操作的重要 炉。对炉前操作者,就面临着既要尽快出硅,加速熔 性。 炼反应的进行,又要考虑使出炉后的熔体硅保持适 搞好炉前操作的关键在于人,在于人的技术水 当的温度,以利于工业硅的静置和精炼。解决好这 平和素质。要具备高水平和高素质,就要重视人力 对矛盾的关键是要选择好出炉间隔时间。就要对所 资源的开发和人员的培训。 用电炉的容量,所产产品的质量要求,是否进行精 参考文献 炼,采用何种精炼方法,及现有的设备条件和实际 1 何允平对目前形势下提高工业硅企业效益的思考.铁 炉况,进行全面的综台分析,决定每一台炉的出炉 台金、1999(3) 间隔时间。尽管为加速熔炼过程,需要尽快出炉,但 2 何允平、王恩慧.工业硅生产冶金工业出版杜,1996 并不是连续出炉比间断出炉好,也不是间断出炉的 3 何允平工业硅熔炼.东北工学院出版杜,1988
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