Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

Для улучшения условий обжига электрода закрытой печи приме­ няют набивку кожуха расплавленной электродной массой, обдувку кожуха горячим воздухом.

В результате перепуска на сырое место при полной мощности быстрого охлаждения после отключения печи или неправильного прогрева электрода (чрезмерно быстрого набора мощности) после простоя печи, недоброкачественной набивки или плохого качества массы возможен облом электрода.

КРЕМНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ С ЖЕЛЕЗОМ

Кремний является металлоидом серо-стального или черного цвета, его плотность равна 2,334 г/см3, температура плавления 1410° С и кипения 2630°С,теплота плавления 46 кДж/моль (11,05 ккал/моль).

баллит а и р и кремнеземистое стекло), и неустойчивую моно­ окись SiO. Моноокись кремния летуча и при температурах ниже 1500° С по-видимому распадается на кремний и кремнезем.

С углеродом кремний образует карбид кремния SiC (карборунд), теплота образования которого равна51,92 кДж/моль (12,4ккал/моль). Плотность карборунда составляет 3,2 г/см3, температура плавления (испарения) 2700° С.

Сжелезом кремний сплавляется в любых соотношениях (рис. 173)

иобразует ряд силицидов— Fe2 Si3, FeSi, FeSi2, Fe3 Si2 и др., из которых наиболее прочным является FeSi; его температура плавле­

ния 1410° С; теплота образования Д Я 2 7 3 = —80,4 кДж (— 19,2 ккал). В системе Fe—Si существуют три эвтектики: первая, соответ­ ствующая содержанию 20% Si и. температуре плавления 1195° С,

вторая — 51% Si и 1212° С и третья — 59% Si .и 1207° С. Темпера­ тура плавления стандартных сортов ферросилиция (табл. 17) не пре­

вышает 1370° С.

Плотность сплавов кремния с железом изменяется в зависимости от содержания в них кремния следующим образом:

457

Атомные %St

458

твердеВания. Это объясняется большой разницей в плотности суще­ ствующих фаз в сплавах кремния с железом. При этом одновремен­ ное присутствие в сплаве лебоита (содержащего 53,5—56,5% Si

исоответствующего примерно Fe2 Si6) и примесей алюминия, фосфора

икальция приводит во влажной атмосфере к рассыпанию ферросили­ ция. Поэтому сплав, предназначенный для длительного хранения,

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОСИЛИЦИЯ

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

теоретическая температура начала которой равна 1554° С (в формуле буквами «ж», «т» и «г» обозначены соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния).

Исследования показали, что кремнезем восстанавливается угле­ родом и кремнием с образованием промежуточных продуктов — мо­ ноокиси кремния и карбида кремния. В печи также могут протекать процессы испарения и диссоциации кремнезема по следующим воз­

Роль отдельных компонентов системы Si—С—О в процессах восста­ новления кремнезема не уточнена до настоящего времени.

Большое влияние на ход реакции восстановления кремнезема оказывает присутствие железа, которое, растворяя кремний, пони­ жает его активность в растворе и улучшает условия его перехода в сплав.

Отсутствие железа, с одной стороны, ухудшает условия проте­ кания в печи процесса восстановления кремнезема до кремния, с другой стороны, способствует повышенному улету восстановлен­ ного кремния, достигающему 25—30% при производстве кристалли­

ческого кремния.

Железо значительно снижает температуру начала процесса вос­ становления, что видно из следующих цифр:

459

Благотворное влияние железа определяется также тем, что оно разрушает карбид кремния по реакции mFe + nSiC = Fe^Si,! +nC и способствует тем самым сдвигу реакции восстановления в сторону образования кремния. Эта реакция начинается при 1500° С и интен­ сивно проходит в интервале температур 1500— 1600° С.

?1 аряду с восстановлением кремнезема в электропечи происхо­ дит частичное восстановление примесей кварцита и золы восстанови­ телей: А12 Оа, CaO, MgO и др. до элементов или карбидов, которые затем могут разрушаться железом, кремнием или кремнеземом.

Восстановление примесей часто осуществляется за счет кремния. Возможно также образование силицидов металлов в результате взаи­ модействия их карбидов и кремнезема. Это подтверждается нали­ чием в промышленных сортах ферросилиция значительных коли­ честв алюминия, магния, бария, фосфора.

Восстановление окислов железа, содержащихся в шихтовых материалах, протекает практически полностью. Имеющаяся в шихте сера в основном улетучивается в виде летучих соединений SiS и SiS2.

Входящие в состав шихтовых материалов глинозем, окись каль­ ция, окись бария, окись магния и др., которые по физико-химичес­ ким условиям процесса не могут быть полностью восстановлены, ошлаковываются кремнеземом.

шлак обогащается карборундом.

Обычно на тонну ФС 45 образуется 25—40 кг шлака и на тонну ФС 75 35—60 кг шлака, содержащего около 30—45% S i02; 2— 10% SiC; 20—30% А12 0 3; 12—25% СаО; 0,2—20% ВаО; 0,3—2,0% MgO

и другие примеси. Температура плавления шлаков очень высока (1500— 1700° С), а вязкость их составляет 1—5 Н-с/м2 (10—50 пз) даже при температуре 1700° С.

Вследствие высокой вязкости шлак частично остается в ванне печи и служит причиной ее зарастания, что снижает производитель­ ность печи, увеличивает удельный расход электроэнергии и сокра­ щает продолжительность кампании печи. Из этого следует, что нужно использовать чистые материалы и добиваться полного удаления из печи образовавшегося шлака; это достигается глубокой и устойчивой посадкой электродов, достаточным количеством восстановителя в шихте, вращением ванны печи и в отдельных случаях присадкой флюса (извести или плавикового шпата). ■

ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для выплавки кремния и его сплавов используют наиболее де­ шевые и в то же время богатые по кремнезему материалы — кварц и кварцит, главной составляющей которых является кварц — ши­ роко распространенный минерал, представляющий собой более или менее чистый кремнезем S i02.

460

Кварц — плотный минерал кристаллического строения, его плот­ ность равна 2,65 г/см3. Он относительно дорог и его применяют при производстве кристаллического кремния.

Кварцитами называют кремнистые песчаники, в которых цемен­ тируемое вещество и цемент представлены кремнеземом.

Кварцит, используемый при производстве сплавов кремния, дол­ жен содержать 97—99% кремнезема при минимальном содержании вредных и шлакообразующих примесей — окисей кальция и магния и особенно глинозема и фосфора (<0,02%). Кварцит должен давать минимальное количество мелочи при дроблении и нагревании, его влагопоглощение не должно превышать 2 %.

Восстановитель, применяемый при производстве кремния и его сплавов, должен обладать достаточной механической прочностью, высокой реакционной способностью, низким содержанием в золе вредных и шлакообразующих окислов, невысоким содержанием летучих, высоким электрическим сопротивлением и быть дешевым.

Хорошим восстановителем является древесный уголь, уменьшаю­ щий спекание шихты, что особенно важно при выплавке высоко­ процентных сплавов кремния и при работе на закрытых печах. Из-за высокой стоимости его применяют обычно лишь при выплавке кристаллического кремния и 90%-ного ферросилиция.

Нефтяные или пековые коксы почти не содержат золы, но обла­ дают склонностью графитизироваться при температурах плавки, при этом ухудшается их реакционная способность и снижается элек­ трическое сопротивление. Этот недостаток, а также высокая стои­ мость ограничивают их применение только выплавкой кристалли­ ческого кремния.

Очень перспективны в качестве восстановителей формованный кокс из газовых и слабоспекающихся углей, кокс из бурого угля, обладающие высокой реакционной способностью и электросопроти­ влением.

При выплавке ферросилиция наиболее широко применяют самый дешевый сорт восстановителя — орешек металлургического кокса. Желательно использовать коксик с максимальной реакционной спо­ собностью, отличающийся развитой поверхностью, высоким удель­ ным электрическим сопротивлением и минимальным количеством вредных и шлакообразующих окислов в золе. В последние годы ши­ рокое применение при выплавке сплавов кремния нашел ангарский полукокс, обладающий высоким электрическим сопротивлением и благоприятным составом золы, содержащей примерно 76% S i0 2. Его использование позволило значительно улучшить технико-эко­ номические показатели производства.

Состав различных видов восстановителей приведен в табл. 18, При выплавке ферросилиция частично используют карборундосо­ держащие отходы электродного и абразивного производств, содер­ жащие от 20 до 50% SiC. Применение этих отходов эффективно при производстве низкопроцентных сплавов кремния, так как кар­ борунд (SiC) легко разлагается железом с образованием ферроси­ лиция.

461