硅铁冶炼原理(精华).doc

硅铁冶炼原理冶金1001班第四组一.硅铁冶炼的炉内反应 硅铁冶炼的炉内反应SiO2的还原过程复杂，这个问题不仅是 个理论问题而且对工业生产有实际指导作 用。 碳还原SiO2时有中间产物(SiC和SiO)的 产生，而且SiC和SiO的生成和分解(破坏) 在Si02的还原过程中起重要作用。碳还原 SiO2的总反应式是：SiO2+2CSi+2COGT0707987-363.83T(Jmol)实际上SiO2的还原反应很多，我们只看 主要反应。炉内主要反应区简单概括为SiC 的生成区及其分解区，如下页图： （1）SiC的生成区 ? SiC的生成温度范围在10002100K。在此 区域内也同时生成Si。此区域内的主要反 应是SiO的分解和吸附，并生成SiC。 ? 在1800K以前，为炉料预热和SiC的生成区。 SiO从炉内高温区上升到低温区后与碳作用 生成SiC，反应式:SiO(g)+2C(g)SiC(s)+CO(g) GT0-75572-0.54T(Jmol) ? SiO和CO作用生成SiC，反应式： 3SiO+CO2SiO2+SiC GT0-1260227-581.13T(Jmol) ? SiO在低温区分解成Si和SiO2。 2SiOSi+Si02 GT0=-630113+290.56T(Jmol)? 分解出来的硅随着炉料的下降，沉积于炉 底的硅液中。生产中得到的硅约30以上 是按此反应进行的。 ? 从热力学分析，上述各反应式在任何温度 下都能进行。温度愈低，平衡常数愈大。 在此区域内，SiO通过上层炉料按不同反应 变成SiC、Si和Si02，并沉积于炉料中，随 着炉料的下沉和温度的升高，碳还原Si02生 成SiC的热力学条件成熟，SiO2被还原生成 SiC。SiO2+3CSiC+2CO GT0609849-336.58T(Jmol)SiC生成区及其分解区图示（2）SiC的分解区 ? 当温度超过2100K时，进入下部高温区(SiC 分解区)。SiC的分解区亦即Si和SiO的生成 区，此区内的主要反应如下： 2Si02(1)+SiC(s)=3SiO(g)+CO(g) GT0=1260227-581.13T(Jmol) T开=2169K Si02(1)+2SiC(s)=3Si(l)+2CO(g) GT0=937006-438.19T(Jmol) T开=2138K上述二式的综合式为： 3SiO2(1)+2SiC(s) Si(1)+4SiO(g)+2CO(g) GT0=1992636-920.89T(Jmol) T开=2164K ?气态的SiO与SiC相互作用，其反应式是： SiO(g)+SiC(s)=2Si(1)+CO GT0=306892-147.63T(Jmol) T开=2079K? SiC的分解和SiO及Si的生成是同时进 行的。这些反应进行时需要消耗大量 的热能，而且当温度大于2100K时，才 能顺利进行。 ? 没有参加反应的SiO离开炉料，在大气 中氧化成Si02。（3）有铁存在时的反应 此时SiO2还原反应?SiO2+2C+nFeSiFen+2CO随着含硅量的不同，G变化如下： G18=625089-366.97T G45=683495-367.55T G75=700033-367.13T G90=700535-362.95T试验检测Si02开始还原温度与自由能计算 Si02开始还原温度比较： Si02开始还原温度 （K）种 类 计算温度 实测温度 硅铁18 1703 1723 硅铁18 1860 1873 硅铁18 1917 1964 硅铁18 1930 1958 结晶硅 1946 1963铁还能破坏Si02还原过程的中间产物： Fe+nSiCFeSin+nC 使反应向生成硅的方向移动。此反应在 1400K(1127C)时开始进行，在15001600K 时反应剧烈，生成石墨和硅铁。计算表明，在14002300K范围内，有铁存在时 碳化硅是不稳定的，因为铁破坏碳化硅反应自由 能的变化值为负，见下表： 铁破坏碳化硅反应自由能的变化值T/K 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 230042.99 46.57-G/kJ 12.14 17.95 17.67 23.61 27.63 31.26 37.09 38.91二.硅铁炉内的温度分布和反应区预 热 区 熔 池 区 反 应 区 电 弧 区 烧 结 区 还 原 区反 应 区 分 布新料（预热区,低于1300C）预热炉料（预热区，1300C）烧结区（坩埚壳， 13001750C）还原区（坩埚区，17502000C）电弧空腔区（20006000C） 合金及炉渣（熔池区）假炉底 死料区（1）预热区炉料最上层 一般为150400mm 温度为5001300C 热量来源：上升高温气流、电极传导热 及炉料分布电流电阻热 ? 炉料水分蒸发 ，硅石晶型转变，体积膨胀，产生 裂缝或炸裂，使炉料透气性变坏，影响炉子。 在透气性良好的情况下，该区域排气均匀，炉气 中的Si02、Si蒸气会被焦炭吸附，如下反应： SiO(g)+2C（s） SiC（s）+CO（g） SiO（g）+C（s） Si（l）+CO（g）生成的液态硅与铁生成硅铁，滴入熔池。 ? 如果该料区料层薄或透气性差，温度又过 高，炉气中的Si02、Si等不能被炉料吸附， 穿过料层溢出，增加硅耗；炉气未经热量 交换冲出，增加热损。（2）烧结区 即坩埚壳，预热区下部， 温度为13001750C 与死料衔接 ，厚400mm左右 此区炉料的烧结、透气性差，应打碎结块 料，恢复气体通气，增加电阻。 物质组成为：大量细小的SiC，半融石英 玻璃基体，少量炉渣，SiO、C及CO，硅铁 小液滴和焦炭。(3)还原区 大量激烈的物理化学反应区，即坩埚区 温度为：17502000C 上部为坩埚壳，下部与电弧腔相连 主要为SiC分解，硅铁的生成，液态Si2O与 C、Si的反应等，该区域有许多硅、硅化铁 及含SiO2高的炉渣和SiC.(4)电弧区 电极底部空腔区内，温度为20006000C SiC、SiO2很容易分解，Fe、Si明显蒸 发，形成蒸汽流（维持坩埚中连锁反应所 需热量）。 电弧区高温下SiC被破坏，生成的SiO上 升，合金下降。（5）熔池区和假炉底 电弧区下方为熔池区，是熔融金属和炉 渣聚集的区域。 假炉底：开路初期由未还原的熔融SiO2、 MgO、Al2O3和未排出的炉渣以及未破坏的SiC 逐渐积蓄而成。 ? 电极插入浅时，高温区上移，炉底温度低， 熔渣排出少，假炉底厚，导致出铁口上移， 电极上抬，出铁困难，炉