Для производства ферросилиция строят круглые ферросплавные печи с вращающейся ванной печи, в последнее время закрытые печи мощностью 16,5—39 и даже 75 МВА. Для производства кристаллического кремния чаще используют однофазные овальные двухэлектродные ферросплавные печи мощностью 5,5 MBА или круглые трехфазные печи с вращающейся ванной мощностью 10—36 МВА.
При производстве ферросилиция ферросплавные печи работают на самоспекающихся и реже на угольных электродах. Рабочее напряжение составляет обычно 150—210 В (здесь и далее, где особо не оговаривается, имеется в виду линейное напряжение) при силе тока порядка 35 ООО—70 ООО А и при отношении силы тока к рабочему напряжению, составляющем обычно около 300.
Расчет шихты для производства ферросилиция FeSi ведут из условия распределения окислов в процессе плавки, и при этом допускается, что сера и фосфор из стружки переходят в сплав, а сера коксика улетучивается.
Производство ферросилиция ведут непрерывным процессом. Нормальный ход технологического процесса характеризуется:
ñ равномерным газовыделением по всей поверхности колошника;
ñ отсутствием потемневших спекшихся участков и местных сильных выделений газа — «свищей»;
ñ равномерным сходом шихты у электродов и в треугольнике между ними;
ñ устойчивой глубокой посадкой электродов в шихте (расстояние от торца электрода до подины печи должно составлять 500—700 мм);
ñ регулярным выходом при каждом выпуске сплава небольшого количества жидкоподвижного шлака;
ñ устойчивой нагрузки на электродах и равномерной переработкой загружаемой шихты при нормальном удельном расходе электроэнергии.
Минимальные потери тепла и улет кремния из печи при максимально большом количестве проплавляемой шихты достигаются при достаточно глубокой (1300—1700 мм) и устойчивой посадке электродов и равномерном выделении газов по всей поверхности колошника.
При производстве ферросилиция глубину погружения электродов в шихту регулируют изменением электрического сопротивления печи или, что более желательно, изменением рабочего напряжения. Для изменения электрического сопротивления печи, в которой производят сплавы кремния, увеличивают или уменьшают проводимость шихтовых материалов, изменяя состав шихтовой смеси или размеры кусков шихты. Увеличение в шихтовой смеси количества углеродистого восстановителя или увеличение его крупности увеличивают проводимость шихты. Замена части рядового коксика ангарским полукоксом с повышенным электросопротивлением, древесным углем или добавка древесных отходов снижают ее проводимость, процесс плавки происходит главным образом у электродов, где в этой наиболее горячей зоне печи под каждым электродом образуются своеобразные газовые полости — тигли, в которых и протекают реакции восстановления кремнезема. При горячем ходе печи нижние части тиглей соединяются, образуя общий тигель.
Нижняя часть тигля представляет собой газовую полость. Расстояние между торцом электрода и поверхностью расплава обычно составляет около 200 мм. Температура газов, образующихся внизу, возле дуг, высока, и эти газы, проходя через вышележащие слои шихты, нагревают их.
Прохождение горячего газа через более холодную шихту ведет к конденсации паров кремния. При производстве ферросилиция для обеспечения равномерного распределения по колошнику выходящих из печи газов, предотвращения спекания колошника и снижения потерь кремния в улет необходимо вращать ванну печи, а при работе на высокопроцентных сплавах и «прошивать» шихту. Завалку шихты необходимо проводить непрерывно или возможно часто небольшими порциями в первую очередь около электродов. Загрузка излишней шихты недопустима, так как увеличение столба материалов ведет к смещению плавильной зоны вверх и нарушению теплового режима в зоне реакции. Недогруз печи шихтой приводит к увеличению потерь тепла с уходящими газами и потерь кремния в улет.
Для загрузки шихты в открытые ферросплавные печи на отечественных заводах применяют завалочные машины. При переходе к печам большой мощности с вращающейся ванной, видимо, будет целесообразно осуществлять завалку по трубам, проведенным из печных карманов. Этот метод завалки становится единственно возможным при переходе к закрытым печам.
Количество заваливаемой за смену шихты определяют исходя из расхода электроэнергии печью и расхода на каждую тонну загруженного с шихтой кварцита 16,6 ГДж (4650 кВт-ч) при выплавке ферросилиция маки ФС 45 и 17,28 ГДж (4800 кВт-ч) при выплавке марки ФС 75.
В случае нарушения шихтовки печи или неправильного ведения технологического процесса возможно расстройство хода печи.
Недостаток восстановителя приводит к:
ñ закварцевание печи ведет к неустойчивой посадке электродов и колебаниям нагрузки;
ñ тигли сужаются;
ñ происходит сильное спекание шихты;
ñ на колошнике наблюдаются частые «свищи»;
ñ летка сильно газит;
ñ шлак становится густым;
ñ рабочие концы электродов сильно утоньшаются и быстро укорачиваются.
Температура в печи на глубине 500—600 мм от поверхности колошника при производстве ферросилиция ФС 45 поднимается в этом случае до 1800—2000° С, что приводит к усиленному испарению и потерям в улет не только моноокиси кремния, но и восстановленного кремния. При длительной работе печи с недостатком восстановителя наблюдается расстройство работы летки — прекращается выход шлака, летка закрывается с трудом или вообще не закрывается, наблюдается просачивание сплава в любом месте арочки и даже прорыв футеровки печи сплавом. Это происходит вследствие размягчения гарниссажа у передней стенки из-за разрушения карбидов кислым шлаком.
При избытке восстановителя, при котором посадка электрода становится высокой, из-под электродов начинают бить «свищи», тигли сужаются, становится слышной работа дуг, шихта круто обваливается у электродов, из печи прекращается выход шлака, вследствие понижения температуры количество сплава уменьшается и выпуск его осложняется. Нагрузка на электродах при этом бывает спокойной. Длительная работа с избытком восстановителя на печи, в которой выплавляют кристаллический кремний, очень опасна, так как приводит к зарастанию ванны карбидом кремния и к аварийной остановке печи для чистки ванны.
Работа на коротких электродах как по внешним признакам, так и по результатам подобна работе с избытком восстановителя.
Работа с чрезмерно длинными электродами при высокой посадке их ведет к увеличению потерь электроэнергии в самих электродах, а при глубокой посадке электродов часто приводит к тому, что они садятся в шлак, теряется дуговой режим работы печи и бесполезно расходуется электроэнергия.
Производство ферросилиция и кремния в печах с вращающейся ванной имеет ряд технологических особенностей. В этом случае объем газовой полости под электродами уменьшается в 3—4 раза по сравнению с объемом при работе с неподвижной ванной. Газовая полость формируется в основном с набегающей стороны электрода, а со сбегающей стороны или совсем отсутствует, или развивается очень слабо.
При вращении ванны печи шихта как бы «вспахивается» неподвижными электродами, спекшиеся участки практически отсутствуют, что обеспечивает увеличение активной зоны более чем в два раза. Примерно 65% шихты надо заваливать с набегающей стороны электрода.
Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерная скорость вращения ванны приводит к:
ñ ухудшению работы колошника,
ñ неустойчивой посадке электродов,
ñ затруднениям в работе летки
ñ снижению технико-экономических показателей работы установки при производстве ферросилиция.
При уменьшении скорости вращения ванны ниже оптимальной соответственно теряется эффект, достигаемый при применении этого способа.
Оптимальная скорость вращения ванны составляет для печей мощностью 10 МВА примерно 1 оборот за 70 ч при производстве ФС 75 и 1 оборот за 46 ч при выплавке ФС 45 и для печей мощностью 21 МВА примерно 1 оборот за 90 ч при выплавке ФС 45 и 1 оборот за 70 ч при выплавке ферросилиция марок ФС 18, ФС 25, ФС 45 и ФС 65.
Вращение ванны печи, в которой выплавляют кремний и его сплавы, должно быть реверсивным в пределах сектора 80—120°, так как при этом обеспечиваются разрушение карбидов и разрыхление шихты на колошнике по всему сечению ванны, устойчивая работа летки и нормальный выпуск сплава и шлака, значительное улучшение условий службы электродов.
В закрытых печах освоена выплавка ФС 18, ФС 25, ФС 45, ФС 65 и осваивается выплавка ФС 75. Технологический процесс плавки сплавов кремния в закрытых печах характеризуется рядом особенностей.
Правильное обслуживание закрытой печи заключается в поддержании необходимой величины давления под ее сводом, обеспечении равномерного схода шихты в воронках и предотвращении забивания подсводового пространства и газоходов печи.
Для обеспечения нормальной работы закрытой печи, при производстве ферросилиция, необходимо всемерно ограничивать поступление в подсводовое пространство газообразных продуктов, способных при конденсации образовывать настыли.
Анализ настылей показал, что они состоят в основном из SiO2, SiC, Si и иногда углерода. Зарастание подсводового пространства происходит главным образом в результате недостатка углерода в ванне печи. Однако избыток восстановителя, влекущий за собой мелкую посадку электродов в шихте, приводит к обильному выходу колошниковых газов с более высокой температурой и в повышенным содержанием SiO2.
Нормальный ход закрытой печи характеризуется равномерным образованием вокруг электродов невысокого и неяркого пламени и равномерным сходом рыхлой шихты во всех воронках и вокруг каждого электрода, устойчивой глубокой (1500—1700 мм) посадкой электродов в шихте, полной электрической нагрузкой, регулярным выходом жидкоподвижного шлака при каждом выпуске.
Давление под сводом печи должно составлять 0—4,9 Па (0—0,5 мм вод. ст.), температура газа под сводом 500—600 и в газоходе 200° С. Количество отходящих газов (на печи 21 МВА) около 2200 м3/ч. Содержание в газе Н2не должно быть выше 8%, содержание СО в тракте чистого газа должно составлять 80—90% и содержание 02 в чистом газе должно быть менее 0,9%.
При выплавке ферросилиция ФС 18 навеска восстановителя на колошу должна превышать на 10—15 кг навеску, применяемую при выплавке ФС 45, что объясняется повышенным содержанием углерода в сплаве (до 1,5%).
Нормальный ход печи характеризуется также выходом графитовой спели, обильный выход шлака при отсутствии графитовой спели служит признаком подкварцевания печи. Наиболее часто встречающиеся ненормальности в работе печи связаны с забиванием тракта газохода и подсводового пространства пылью вследствие работы с недостатком восстановителя или на коротких электродах, подсоса воздуха под свод или же с нарушениями в подаче воды на орошение газохода. Зависание шихты в воронках может привести к раскрытию колошника, прогару свода и воронок и к другим вредным последствиям.
Повышение давления под сводом, наличие большого перепада давления в различных точках подсводового пространства свидетельствуют о его забивании, образовании в нем перегородок и скоплении пыли в устье газохода.
Повышение температуры подсводового пространства может быть вызвано появлением разрежения в какой-либо части его, а также проплавлением колошника печи, вызванным зависанием шихты в воронках.
Повышение содержания Н2в подсводовом пространстве свидетельствует об увеличении влажности шихты или о наличии течи воды из воронок или секций свода, причем в случае течи воды содержание Н2резко повышается и в грязном газе (до 20% и более).
Ферросилиций выпускают из печи периодически по мере его накопления. При выплавке ФС 18 и ФС 25 проводят 6—7 выпусков, а при производстве ФС 45, ФС 65, ФС 75 и ФС 90 4—5 выпусков в смену. Слишком частые выпуски сплава приводят к большим потерям тепла и понижению температуры в районе выпускного отверстия, что затрудняет выход сплава и шлака, а также увеличивает потери при выпуске и разливке сплава.
При слишком редких выпусках замедляется процесс восстановления кремнезема, ухудшается посадка электродов и увеличиваются потери кремния в улет.
Ферросилиций выпускают в ковш, футерованный шамотным кирпичом или графитовой плиткой, и затем разливают в слитки в чугунные изложницы или в чушки на разливочной машине конвейерного типа. Кристаллический кремний выпускают в цельнолитую чугунную изложницу, подкатываемую под летку.
В балансе себестоимости производства ферросилиция основное место занимает расход электроэнергии, на долю которой приходится до 40% затрат и более. Поэтому основным технико-экономическим показателем производства ферросилиция и кремния является удельный расход электроэнергии. Его рассчитывают на базовую тонну, т. е. в пересчете на тонну FeSi с базовым содержанием ведущего элемента, которое, например, для ФС 45 и ФС 75 составляет соответственно 45 и 75%.
Для сплава ФС45 расход электроэнергии равен 16,2—17,28 (4500—4800), для сплава ФС 75 29,88—31,32 (8300—8700) и для сплава ФС 90 45ГДж (12 500 кВт-ч).