精煤在工业硅生产中的应用.docx

镁 硅 钛精煤在工业硅生产中的应用田建强(遵义钛厂 ,贵州 遵义 563004)摘要 : 通过对工业硅生产还原剂现状的分析 ,提出了用精煤代替木炭作还原剂的理论依据 ,并在实际生产中得到了验证 ;同时还分析了精煤对产品质量的影响以及用精煤代替木炭生产硅对精煤的质量要求 。关键词 : 工业硅 ;还原剂 ;精煤的应用中图分类号 : TF64513 文献标识码 : B 文章编号 : 10021752 ( 2002) 08 0049 03长期以来 ,工业硅一直是以硅石为原料 ,以碳作还原剂 ,在矿热炉内发生还原反应制取的 。多年来 ,我国工业硅生产企业一直使用木炭作为主要还原 剂 。据统计生产一吨木炭约需 5 吨木材 ,需要消耗 大量的森林资源 ,导致森林资源越来越少 ,严重破坏 生态环境 。随着环境保护 ,生态建设意识的增强 ,国 家对森林资源的禁伐 ,使木炭的采购越来越困难 ,价 格也大幅增加 ,使工业硅的成本不断上升 ,严重地影响企业经济效益 。在这种情况下 ,采用其它碳质材 料作还原剂生产工业硅势在必行 。112精炼原理工业硅精炼就是利用氧化性气体 ,如氧气或氯 气 ,通入高温液态硅中 ,使其中金属杂质被氧化成氧 化物或氯化物 。由于这些金属氧化物或氯化物在硅 中溶解度很低 ,因此从液体硅中析出形成渣 ,或者直 接挥发掉 ,从而达到精炼提纯的目的 。根据热力学有关数据 ,几种杂质在液体硅中的 精炼温度下 , Fe 的还原性最差 ,最不易生成氧化物 ,甚至低于主体元素 Si ;工业硅精炼时 ,只有除去杂质Ca 、Al ,而无法除去 Fe 。因此 ,原料及还原剂的铁含 量对产品质量有着至关重要的影响 ,需要严格控制 。113常用还原剂从工业硅熔炼及精炼原理可知 ,理想的还原剂 应具有含碳高 、透气性好 、灰分 ( 主要是金属氧化物 杂质) 低等特点 。此外工业硅冻炼是电炉熔炼过程 , 还要求原料及还原剂都要具有较低的导电性 。表 1 列出几种还原剂的特性 。1 工业硅生产工艺现状111还原熔炼用碳还原氧化硅生产工业硅 ,是在矿热炉内加 热到 14002000 的温度下 ,使氧化硅与碳质材料 发生还原反应 ,主要的反应式为 :SiO2 + 2C = Si + 2CO 从反应式可看出 ,工业硅冶炼过程中 ,要生成大 量的气体 ( CO) ,因此 ,要使反应顺利进行 ,就要求炉 料有较好的透气性 ,保证生成的气体能及时排出 。 工业硅冶炼过程实际上是非常复杂的 ,在 SiO2 被还原的同时 ,原材料中的杂质 Fe2O3 、Al2O3 、CaO 等 氧化物也被还原 。其中 Fe2O3 几乎全部还原为单质 Fe ;Al2O3 、CaO 等氧化物也部分地被还原为单质 ; 未被还原的杂质沉入炉底与 SiO2 一起形成结壳渣 。 被还原为金属的杂质在液体硅的温度下 ,有部分挥发掉 ,大部分则留在液体硅中 。这部分金属杂质的多少将直接影响金属硅的质量 。因此 ,要得到 高品质的工业硅 ,就必须对液体硅进行精炼 。表 1 各种还原剂比较还原剂主体碳灰分导电率透气性价格油焦木炭 煤高较高 较低低较低 高高低 低差好 差较高高 低从表 1 中可以看出 ,木炭是冶炼工业硅最好的还原剂 ,但是价格昂贵 ,生产成本高 。石油焦具有主 体碳含量高 、灰分低等优点 ,但是在高温下石黑化程 度大 ,其导电性强 ,反应能力低 ,生产中炉料的透气性也差 ,炉喉部易于烧结 ,加工处理困难 ,故不宜用全油焦生产工业硅 。目前国内工业硅生产企业多采收稿日期 :2001 - 07 - 06田建强 :精煤在工业硅生产中的应用2002 年第 8 期50 用木炭与石油焦混合的方法进行生产 。煤由于灰分含量高 ,而无法直接用于工业硅生 产 。但是 ,煤的价格是最低的 ,并且导电率也低 ,若 能经过处理 ,降低其中的灰分含量及灰分中 Fe2 O3 的含量 ,并在生产中加入适当的添加剂以改善其透 气性 ,那么煤用于工业硅生产就具有光明的前景 。2 精煤代替木炭的可行性211 煤的选择煤有烟煤和无烟媒之分 。烟煤 是 我 国 分 布 最 广 ,工业应用最多的煤 。其特点是挥发分含量较高 , 燃烧时火焰较长 ,发热量在各类煤里面是最高的 。 无烟煤的组织比较坚硬 ,不易吸水 ,固定碳含量高 ,挥发分含量最低 ,但无烟煤有热裂性 ,在受热时 发生碎裂 ,高温下与石油焦相似 ,易于熔化 ,石墨化 程度大 ,导电性增强 ,对熔炼过程不利 。表 2 是烟煤和无烟煤的化学成分的比较 。对比表 2 、表 3 可看出 , 精煤与原煤相比 , 灰分和灰分中的铁有很大程度降低 ,与木炭相比 ,灰分虽 然差不多 ,但是总铁要高一些 。由于油焦的灰分含量很低 ,如果将精煤与油焦 搭配使用 ,那么精煤对产品铁含量的影响就可以控制在我们能够接受的程度 ,就能实现精煤用于工业硅生产 。213精煤的透气性精煤和油焦的粒度都很细 ,透气性差 ,不能满足 工业硅生产中对炉料透气性的要求 ,还无法直接应 用于生产 。针对这一难题 ,某厂经过多次试验 ,找到 了一种添加剂 ,在生产中与精煤 、石油焦 、硅石混合 使用 ,有效地改善了炉料的透气性 , 满足了生产要 求 。3 工业试验311生产试验组织某厂在经过多次小试 ,找到合适的精煤和添加 剂后 ,在 5000 KVA 的炉子上进行了生产试验 。生 产试验分两个阶段进行 。第一阶段 ,在不改变原炉 子结构 、电气参数 、油焦用量及配碳比的条件下 ,逐 步减少木炭 、增加精煤用量 , 直到精煤完全取代木 炭 。第二阶段 ,在完全不用木炭的条件下 ,寻找合适 的油焦精煤配比 、配碳比 ,以及最佳工艺控制参数 。312试验质量指标经过两个阶段 ,共六个月的试验 ,不仅在生产中 实现了精煤完全取代木炭 ,而且也获得了较好的质 量指标 。表 4 列出试验前后有关产品质量指标 。表 2 煤的化学成分化学成分 , %灰分主要成分 , %类别水分挥发分灰分固定碳Fe2O3Al2O3CaO烟煤无烟煤210252035410103015305060708010201525183010205151015从表 2 可看出 ,烟煤与无烟煤相比 ,除因挥发分高 ,而其他成分相对偏低外 ,没有太大的区别 。但就 物理性质而言 ,烟煤粒度细 ,易处理 ;无烟煤坚硬 、粒度大 ,不易加工处理 ,因此 ,要想用煤作工业硅生产的还原剂 ,烟煤比无烟煤更有前途 。某厂经过试验 ,也证明了这一点 。212解决煤中灰分含量高的办法将原煤经过化学处理和机械富集 ,可以降低其 中的灰分含量 ,以及灰分中的金属杂质含量 。我们 将这些经过处理的煤 ,叫做精煤或精洗煤 。为了获 得优质的精煤 ,往往对原煤质量有特殊要求 ,选择那 些灰分低的烟煤作原料 。表 3 是国内某厂生产的精煤的质量 ,以及与木 炭 、油焦化学成分的对比 。表 4试验前后产品质量指标试验第一阶段 ,月试验第二阶段 ,月质量指标试验前一二三一二三炭煤比100/ 070/ 3040/ 6010/ 900/ 1000/ 1000/ 100化学级硅 , %93117871768615485112851629018892182一级以上率 , %98187951969610895171951969712398100Fe , %01370014030141501425014220141801404产品中杂质平Al , %0112001150117001181011520116401142均含量Ca , %01030010500105701071010450107401065表 3 精煤化学成分化学成分 , %灰分的主要成分 , %在试验初期 ,产品质量受到一定影响 。但随着试验的深入 ,工艺参数不断优化 ,杂质主要进入渠道 得到控制 ,精煤生产的工业硅的质量 ,基本上达到木炭生产的水平 。产品杂质含量普遍有所上升 。由于 Al 、Ca 含量类别水分挥发分灰分固定碳Fe2O3Al2O3CaO精煤油焦 木炭71056155271941815471691213141530174515369188841565516981091119211792415491022126616615168391472002 年 8 期轻金属51 本身很低 ,虽有所增加 ,还不至于影响产品等级 。Fe的含量较高 ,尽管增加的比例不大 ,但对产品等级却 造成了一定影响 。因此 ,在工业硅生产中 ,须严格控 制原料的铁含量及进入途径 。生产成本 。某厂生产近一年的成本统计表明 ,用精煤代替木炭生产工业硅后 , 吨硅成本降低了 14 % , 具有明显的经济效益 。此外 ,摆脱了对木炭的依赖 , 大大减少了木材的消耗 ,具有显著的社会效益 。4 应用效果411生产质量指标某厂在一台炉试验取得成功的基础上 ,全面推 广 。近一年的生产情况表明 ,用煤代替木炭生产后 , 炉子运行正常 ,产品产量 、质量稳定 。表 5 列出全面 推广 10 个月来的有关质量指标 。结论(1) 用精煤取代木炭生产工业硅是完全可行的 ,还可以显著降低生产成本 。(2) 只要严格控制精煤及硅石中的铁含量 ,产品 质量基本上能达到木炭生产的水平 。5结语(1) 从生产实践看 ,添加剂的作用很大 ,但限于 篇幅 ,本文中对添加剂没有进一步论述 。(2) 用木炭生产工业硅 , 是采用散料生产的方 法 ,用煤后若能在工艺上进一步探索 ,寻找到一种新 的生产工艺 ,如制团等 ,那么工业硅一定有更加广阔 的发展前景 。参考文献 :1傅崇说. 有色冶金原理 ( 修订版)M. 冶金工业出版社.2梁英教. 物理化学 ( 修订版)M. 冶金工业出版社.3李国武 ,尉东歧等译. 电热法生产硅及硅铝盟. 贵阳铝镁设计院 ,1988 ,5 .4何允平编译. 工业硅熔炼M. 东北工学院出版社 ,1988 .(责任编辑 何允平)6表 5 推广后的有关质量指标月份一二三四五六七八九十质量化学硅 , %一级以上平均 Fe 含量 , % 平均 Al 含量 , % 平均 Ca 含量 , %921569816001405011500105093108 93177 94156 93188 91106 90194 92180 92157 93122100 99123 100 100 97196 100 98123 99155 9716901397 01410 01402 01390 01418 01428 01412 01414 0136901120 01145 01155 01147 01156 01170 01177 01149 0115801040 01041 01047 01038 01058 01060 01066 01045 01054412效益由于精煤和添加剂的价格比木炭的价格低得 多 ,用精煤代替木炭生产工业硅有效地降低了企业2 干益人. 我国大型预焙铝电解槽发展中的若干问题探讨J . 世界有色金属 ,2001 , ( 3) .3 梁学民等. 九十年代我国铝电解技术新进展J . 轻金属 , 2000 ,( 2) .4 沈贤春. 铝电解槽磁场和磁流体问题的研究J . 轻金属 , 2000 ,( 9) .5 郭兴. 德国联合铝业公司铝电解工艺技 术J . 金 属 属 , 1996 ,( 12) .6 Wahnsiedler W E. Hydro dynamic mo delin of co mmercial Hall2Her2o ult cellsJ . Light Metals ,1987 ,269 .7 舍克里 J ( 美) . 冶金中的流体流动现象M. 冶金工业出版社 ,1985 .8 黄兆林等. 铝电解槽内湍流流动与界面波动的数值模拟J . 计算物理. 1994 , ( 2) .9 Daniel K. Ai . The hydro dynamics of t he Hall2Hero ult cell anoverviewJ . Light Metals ,1985 ,593 .(责任编辑 何允平)(上接第 31 页)2 变化为工况 4 时 ,铝液的流动形式发生了变化 ,在 B 侧小面附近出现两个明显的小旋涡 。这是由于槽 膛内形改变时 ,水平电流也发生相应变化 ,致使电磁 力重新分布 , 从而导致铝液的流动形式发生变化 。 其结果进一步说明铝液的流动方式不仅与进电方式有关 ,而且与相应的槽膛内形密切相关 。参考文献 :1 梅炽 等. 有 色 冶 金 炉 窑 仿 真 与 优 化