工业硅冶炼要素

25000~33000kv.A工业硅冶炼的三大要素张效和2018/9/8一、原料是基础；二、设备是保障；三、工艺是关键；一、原料是基础：硅冶炼的根本任务就是把硅合金元素从氧化物中提取出来。论上可以通过热分解、还原剂还原和电解等方法生产。合金的各种元素与氧的亲和力很大，少数元素的高价氧化物除外，其余氧化物都很稳定，通常在2000℃以上才能分解，这样高的温度在实际生产中会带来很多困难，因此没有任何一种合金是用热分解法制去的。而多采用还原剂还原法。还原剂还原法就是利用适当的还原剂把硅合金元素从氧化物（矿石）中提取出来。冶炼不同的矿石（矿石中含的微量元素不同）需要不同的还原剂，按所用还原剂的种类来划分，硅合金还原过程可分为固体碳热还原、金属热还原。虽然不同的不同的矿石（矿石中含的微量元素不同）需要不同的还原剂，但冶炼实质相同，可用一通式表达：zWxOy+nyC=xzW+yCnOz式中WxOy——矿石中含合金元素的氧化物；C——所用的还原剂；W——提取的合金元素；CnOz——还原剂被氧化后生成的氧化物；从热力学分析，反应进行的热力学条件是反应的吉布斯自由能小于0（△G＜0），吉布斯自由能又叫吉布斯函数，（英Gibbsfreeenergy,GibbsenergyorGibbsfunction;alsoknownasfreeenthalpy）是热力学中一个重要的参量，常用G表示，它的定义是：G=U−TS+pV=H−TS，其中U是系统的内能，T是温度(绝对温度，K)，S是熵，p是压强，V是体积，H是焓。吉布斯自由能的微分形式是：dG=−SdT+Vdp+μdN，其中μ是化学势，也就是说每个粒子的平均吉布斯自由能等于化学势。也就是说，氧化物还原的热力学条件是还原剂C对氧的亲和力必须大于被还原的合金对氧的亲和力。同时也为还原剂的选取制定了规则：1.1还原剂的选择为了便于直观分析各种氧化物的稳定顺序和氧化还原的可能性，分析冶炼反应进行的条件，常用反应的△G~T关系图（吉布斯自由能图），各种氧化物的离解-生成反应可以用通式表示：2We+O2=2WeO对每一个WeO都存在△G=A+CT。考虑到经济效果，冶炼中常用的还原剂为CO、H2和C。由吉布斯自由能图可知有C作还原剂时，由于2C+O2=2CO的反应的△G随温度升高而降低，因而升高温度将能还原更多硅合金量，但是由于C作还原剂时，有一些还原生成的金属如铁、锰、钙等会与C发生反应生成碳化物而污染硅，因而除非碳化物生成是允许的。2.2选择性还原由于矿石带入杂质，因此在冶炼生产中需要在炉料中配入适量的熔剂，使矿石中带入的杂质在冶炼过程中生成熔点、碱度适宜，并且流动性良好的炉渣，出路后便于进行炉渣与硅分离操作。这样冶炼的主要任务是掌握好炉渣成分、熔点和流动性等，通过对炉渣的控制来控制好硅的成分及质量，但其冶炼本质仍然是氧化物矿石被还原的过程。为了得到所需要的硅合金成分，正确的控制还原剂的用量及合适的冶炼温度（大炉子温度比较高）十分重要，这要应用选择还原的原理，利用一定数量的还原剂，在恰当的温度下，将有价去氧化物和无价去氧化物分开，选择性还原的客观规律存在于整个冶炼生产之中。根据反应的△G~T关系图（吉布斯自由能图）可以看出；在几种氧化物（FeO、P2O5、MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等）原料中，还原度大的FeO和P2O5基本上比还原进硅里面，而还原度小的MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等在还原剂加入量不足时，大部分未被还原而留在渣中。通过△G~T关系图分析得出以下规律1、加入熔体的还原剂，对熔体中所有氧化物的还原是同时进行的。只是易还原的氧化物，还原速度快，还原量多。如：冶炼硅时原料中带入FeO、P2O5、MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等杂质，尽管有的氧化物含量很少且很稳定，但仍能被还原一部分，硅中必定含要AL、Ca、Mg等。2、还原剂对多种氧化物的还原是有选择性的。分配于还原度大的氧化物的还原剂比还原度小的氧化物的还原剂多。氧化物还原度之差越大，这种分配上的差别也越大。且这种分配上的差别随着还原剂用量的增加而降低。为了充分发挥选择还原的作用，还原剂用量不能过多。3、通过控制还原剂用量来控制各种氧化物的还原程度以得到预定的合金和熔渣成分。还原剂用量增加后，还原剂用于还原度大的和还原度小的氧化物之间的分配差别不大了，两种氧化物则不容易分开了。4、还原剂对各种氧化物的分配差别与还原温度有关，且随温度升高而变小。各种氧化物的分解压随温度降低而降低；各氧化物之间的分解压差随温度降低而增大。所以温度越低，选择还原的效果越好；温度越高，选择还原的效果越差。例如：冶炼硅45、硅65、硅75、硅90、99硅，炉温不同而每千克硅所消耗的矿石、还原剂相同，带入的P2O5、AL2O3、MgO、CaO等杂质相同，由于P2O5还原度大，所以各个产品中每千克硅含磷基本一样。但难还原的AL2O3、MgO、CaO却由于生产某种产品的温度不同，还原程度也不相同。硅45炉温低，AL2O3、MgO、CaO被还原量相对减少，产品中AL、Mg、Ca含量会比硅75、硅90、99硅中的含量低。所以高高产品中的AL、Mg、Ca比低硅产品中要高。5、还原度与氧化物在熔体中的活度成正比。因此在铁合金冶炼中常用来控制某些氧化物的还原。例如：在富锰渣中采用酸性渣操作，目的是减少MnO的还原。这就是利用酸性渣中的二氧化硅与氧化锰结合成比较多的硅酸锰，降低了氧化锰（MnO）的活度，使MnO的分解压下降，MnO被还原的量减少，降低了锰进入高磷合金的损失量。二、设备是保障：2.1生产需要设备，矿热炉又称电弧炉或电阻炉，其工作特点是以电能为热源，用碳或硅做还原剂，还原矿石生产铁合金。按照炉子容量大小，可以分为小电炉（≤12500kv.A）、中电炉（≤25500kv.A）、大电炉（≥25500kv.A）。2.2矿热炉的主要设备包括炉体、电极系统、加料系统、水循环系统、出炉系统、排烟系统、安全防护体系、烟气余热回收及发电工艺系统。工业硅生产是连续生产方式，所以从开始设计时就要考虑排除各种影响连续正常生产的不利因素。2.3变压器的选择：（1）.变压器功率的确定变压器视在功率的选择应该满足工艺生产的要求，电炉功率的大小是由变压器功率决定的，其它参数则根据变压器功率决定。这是选择方法之一。变压器功率计算公式：S=QW/24TcosφK1K2K3S------冶炼产品需要的变压器额定容量，kv.AQ-----该产品设计的年产量，t/a;W-----产品单位电耗，kw.h/t；T------矿热炉年工作天数，一般330~340d/a；cosφ---矿热炉的功率因数，一般0.9左右；K1----电源波动系数，0.95~1.00；K2-----变压器功率利用率系数1.0；K3-----变压器时间利用系数0.91~0.95；（2）电极直径的确定电极直径计算：D=(4I/πj)1/2D-------电极直径，cmI--------电极电流，kAj--------电极电流密度，A/c㎡（3）极心园极心园的计算：D心=(4P/πq)1/2D心--------极心园直径；cm；P-------------电炉功率，kw;q-------------冶炼产品单位功率,kw/㎡；（4）把持系统（把持筒、把持器、铜瓦、烟罩）、短网系统、液压系统、水循环系统、出炉系统、成品破碎系统、上料系统、环保系统等系统的安全运行十分重要；所以在前期设计是一定要论证原理上的合理性，在建设时期必须严监管，制定科学的监管标准制度减少生产中的维修次数及热停炉时间；为以后顺利生产保驾护航。①、把持系统：在高电流、高温、强磁场下工作，必须要保证水冷却及绝缘、隔磁；并要方便检修作业。②、短网系统：是电炉供电的关键系统，大电流、高温、强磁场，必须要保证水冷却及绝缘、隔磁，并尽量做到三相阻抗相同。③、液压系统：负责着铜瓦压紧保证向路内可靠供电；还肩负着电极升、降及抱紧，所以必须要安装集中控制并要方便检修作业。④、水循环系统：是对处于高温条件下工作的电炉构件进行冷却的装置；一般要求水质为80~100mg/L，悬浮物小于50mg/L，进水温度低于30度，供水压力为0.3MP；进出水温度控制在10℃左右。⑤、出炉系统：是电炉的关键部位，出炉系统工作是否正常对冶炼过承有很大的影响。因此必须要正确使用和维护好出炉系统。⑥、成品破碎系统：保养维护好破碎设备，严禁产生在破碎时对产品有二次污染。⑦、上料系统：是保证电炉正常生产的关键环节，配上料必须准确及时。⑧、环保系统：必须保证系统正常运行，减少污染物排放，提高热力利用率。当我们满足了“硬件”，接下来就是做好“软件”这一关键问题。提高技术装备的维护、保养及工艺操作管理水平自然显的十分重要了。当确定好适合本单位的工艺模式后，为实现经济运行和炭热反应处于炭平衡状态下的冶炼。优选工艺配方与合理运行的四大参数值（工艺参数、电气参数、炉膛参数、热动力参数）进行科学配置，精心设计、配套计算并将成套计算值结果提供给生产技术部门。三、工艺是关键：（1）、在生产中严格执行体系运行效率，提高工艺操作水平、严格操作规程，很抓“四平衡”的冶炼，操作不放手。加强捣炉，料面、料位、料型的有效控制，严控有效工作端及炉面刺火。（2）、由于碳质原料中的挥发形态是游离态，没有适当准确的分析方法，所以不能明确肯定，单从挥发元素来看是些脂肪族饱和物。严格配拌料操作：先将硅下到配料皮带——精煤均撒——方可均匀覆盖木屑备用。（3）、必须适时捣炉，做到快速有效。坚持深捣——浅捣——彻底捣循环操作。严格压料，和大翻料不正常操作。严控停电捣炉。（4）、必须坚持单相操作和“三同时”（同时捣炉，同时拔料，收料和同时加料）严禁空烧等待三相同时塌料后才操作的现象。（5）、必须坚持用拔料铲拔料收料，实现闷熟烧生。确保小料口外侧始终表露2块以上的炉壳耐火砖。（6）、加料操作在确保不偏料。少偏料的前提下，成团加入，不要分散。坚持加料“三步法”操作，第一步哪儿刺火就往哪儿点加，第二步，调整生料层的厚度，第三步，调整出馒头梅花型的料面。（7）、必须坚持料位高度的有效控制，第一个月低于炉口平台200mm运行，第二个月低于炉口平台100mm运行，第三个月平行炉口平台运行，第四~十二个月，可高出炉口平台100—300mm以下运行。（8）、有效控制塌料频繁，过烧欠烧，正常控制每班每相塌料捣炉约2-4次。(9)、严禁靠大电压，高负荷、用重料以及外加硅石挖产能，所谓下电极行为。（10）、确保炉料的烧结性能适中，不要过强，亦不要过弱。（11）、坚持炉眼畅通排渣，确保炉眼没烧上、烧下，左歪右斜。保证炉眼足够的深度，有一定压力的炉气排出。定时开眼出炉。（12）、提高、加强配电操作责任和业务技能。实现稳、平、高两头小、中间大的配送电原则，根据不同的炉型所配置的流压比值。合理调节配送。保证三大功率的稳定。坚持电极在下限位运行，电极不能一次性多放，最多压放15~30mm。严禁非工作人员进入配电室。严禁配电人员做与工作无关的一切事情。严禁配电员误操作造成设备事故和断电极事故。完善配电记录和填写项，确保真实、清洁、准确。（13）为了完成公司的安全生产目标；对电炉生产工艺必须做到“预防为主”随时观察、了解生产中的变化，及时拿出解决方案，执行、落实。