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金屬矽熔煉,工業矽熔煉

2019-05-22 08:29来源:电子游戏平台 - 首页作者:劉俊傑網址:
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金屬矽冶煉屬于高耗能生産,我國的金屬矽生産已由來已久,隨著國家能源政策的收緊和節能減排的開展,以及對新能源的提倡,金屬矽冶煉已經成爲初級的産品和工藝,很多國內新興的能源企業建設了金屬矽,多晶矽,單晶矽,太陽能電池等一系列的循環産業鏈條,未來幾年勢必會影響我國整個能源領域的發展和新能源的應用。

下面介绍一下金屬矽的冶炼工艺及流程。

1、 生产化学工业用硅的必要性

我国生产的金屬矽(硅含量主要是98.5%),原来主要是冶金用硅,化学用金屬矽(硅含量主要是99.85%)的生产主要是从90年代中期以来有所发展,我国化学用硅的产量和出口量增长较快。1999年-2001年我国对日本出口的化学用硅已分别达到2.2万吨、3万吨、4万吨,2001年我国对日本出口的化学用硅已占日本化学用硅进口量的40%以上。中国已开始加入化学用硅生产和供应国的行列,生产化学用硅的企业不断增加。由于上海广济硅材料有限公司在2002年全面公开了碳热还原的冶炼工艺,致使中国在2002年到2004年之间,金屬矽的产能迅速从年产10万吨,上升到120万吨。结果导致发改委的全面制裁,2006年,金屬矽的实际产量又回落到70万吨。总个2006年,仅有上海广济硅材料有限公司大悟硅厂在新疆边陲建设成功万吨级金屬矽厂晶鑫厂。其他又新建硅厂。化学用硅是指用于有机硅和多晶硅生产的金屬矽。从世界范围来看,冶金用硅的消费量多于化学用硅的消费量,但随着科学技术的不断发展,化学用硅用于有机硅和半导体生产等领域不断拓宽,广泛用于生产有机硅单体和聚合物硅油,硅橡胶、硅树脂建筑物防腐、防水剂等,它们具有耐高温、电绝缘、耐辐射、防水等独特性能。用于电气、航空、机械、化工、医药、国防、建筑等部门。作为集成电路核心的电子元器件,95%以上是用半导体硅制成的,半导体是当代信息工业的支柱。“信息高速公路”中大量应用的光纤电缆中的光纤,也是以金屬矽为原料生产的。美国和欧盟化学用硅的消费量已占金屬矽总消费量的一半以上。化学用硅作为高新技术领域和重要基础产业得到广泛应用,其消费量是趋于稳定增长的。在国际市场正常情况下,每吨化学用硅比冶金用硅售价高300-400美元。所以,无论从满足出口和国内需求,还是从提高金屬矽企业经济效益,提高产品质量,大力发展化学用硅生产都是必要的。

2、化学用硅生产原料在化学用硅生产上,原料是实现良好作业的先决条件。用石英的岩石作生产化学金屬矽的原料,低灰分的含碳材料作还原剂。电炉法生产化学用硅的原料主要有硅石和碳素原料。碳素原料又以石油焦为主,有优质的无烟煤或木炭,也可以掺用一部分,以增加炉料比电阻。对原料要求具有必要的纯度,有良好的反应能力,以便达到产品的规格;还原剂具有不同的反应能力,以便能与石英石发生充分反应;炉料具有不同的成分,并且既有不同的粒度,以便通过适当的配合,使炉料电炉发生良好的影响。

2.1、氧化硅矿物冶炼金屬矽的过程是无渣过程,化学硅冶炼对硅石的选用较严格,不仅杂质含量要少,还要求有高的机械强度、足够的热稳定性,适宜的粒度组成。化学用硅熔炼最好采用硅石。天然形态的氧化硅或者是以独立的石英矿物存在,或者是以几乎全是由氧化硅积成的岩石—硅石,或硅石形态的砂岩存在。生产化学用硅的含有氧化硅矿物中的杂质和粘着物,在熔炼过程中有的完全被还原,有的部分被还原,有的以化合物形态进入产品硅中或生成熔渣。这样不仅增大能量消耗,降低产品质量,还给熔炼过程造成困难。因此,对化学用硅冶炼所用的含氧化硅矿物的化学组成要求严格。要求SiO2大于99%,Fe2O3小于0.15%,Al2O3不大于0.2%,CaO不大于0.1%,杂质总和不大于0.6%。所用硅石在熔炼前必须进行水洗,表面清洁。

入爐的矽石要求有一定的粒度。矽石的粒度是冶煉的一個重要工藝因素。矽石適宜粒度受矽石種類、電爐、容量、操作狀況以及還原劑的種類和粒度等多種因素影響,要根據具體的冶煉條件來決定。一般情況下,6300KVA三相電爐(1983年大悟矽廠建成),要求矽石粒度在8-100mm,3200KVA三相熔矽電爐,要求硅石粒度为8-80mm,而且中间粒度组成的比例要大些。粒度过大时,由于不能和捣炉粘料及反应速度相适应,易使未反应的硅石进入液体硅中,造成渣量增多,出炉困难,硅的回收率降低,能耗增大,甚至造成炉底上涨,影响正常生产。粒度过小,虽能增大还原剂的接触表面,有利于还原反应的进行,但反应过程中生产的气体不能顺利排出,又会减慢反应速度。粒度过小时。带入的杂质又会增多,影响产品质量。生产中一般小于5mm 的硅石不宜采用。

2.2碳質還原劑化學矽冶煉所用的主要還原劑有石油焦、煙煤、木炭。爲增大爐料的電阻率,增加化學活性,也有搭配氣煤焦,矽石焦、藍炭、半焦、低溫焦、木塊的。在碳質還原劑化學成分中,主要應考慮固定碳、灰分、揮發分和水分。一般要求固定碳要高,所需還原劑總量減少,從而灰分帶入的雜質少,渣量相應減少,電能消耗降低,化學矽中雜質含量降低。碳質還原劑的電阻率要大,氣孔率要高。爐料電阻率主要取決于碳質還原劑。碳質還原劑電阻率大,化學活性好,矽的回收率高。

石油焦是所用于金屬矽生产的还原剂中灰分最低的,含灰分0.17-0.6%,固定碳90-95%,挥发分不大于3.5%-13%。化学用硅冶炼采用石油焦做还原剂,这是因为它的灰分低,有利于提高产品质量。但由于石油焦电阻率小,反应性差,高温下易石墨化,用量偏大时,导致炉况不好控制,造成炉料不烧结、刺火严重、电耗高、出炉困难。

木碳具有很高的比電阻和反應能力,而且雜質含量少,是熔煉工業化學用矽的較爲理想的還原劑,但用不同的木材和不同的方法制得的木炭其性質也很不同。去皮木炭的灰分含量通常比帶皮木炭的灰分含量低二分之一至三分之一,樹皮對木炭中灰分的含量有很大的影響。木炭主要成分是碳,灰分較低,一般小于10%。電阻率較大,化學活性好。多年的生産實踐證明,木炭是滿足冶煉化學用矽需要的重要碳質原料,但炭的來源受到限制,無法再使用木炭還原劑。

從國外的情況看,絕大多數國家已不再使用木炭。國內的很多廠家在尋求和使用木炭代用品方面也做了大量工作。實踐證明,在各種碳質還原劑中,從反應能力和比電阻的大小來看,煙煤是木炭之外的另一種較爲理想的還原劑。

煙煤的特點是電阻大,反應能力強,低灰分煙煤是經過洗選獲得的。灰分含量可達3%左右,Fe2O3含量達0.2-0.3%,Al2O3含量小于1%。我國還原劑煙煤的灰分含量多在3%以上,而國外還原劑煙煤的灰分的含量多在1%左右,蘇聯采用的化學法精選煙煤,能得到氧化鐵含量低于0.1%的精煤。煙煤代木炭的冶煉工藝的專利由上海廣濟矽材料有限公司和鄂爾多斯電力冶煉股份有限公司共同擁有。木塊的作用在于增加料層的電阻,用量的大小都對爐況産生影響。木塊用量過大,料層疏松、爐況變壞,電耗上升,木塊由于著火點、含碳量都低,實際作還原劑微乎其微。

碳素原料中的雜質主要是灰分,全部由氧化物組成。在化學生産中,灰分中的氧化物也要被還原,既要消耗電能,又要消耗碳素,而且被還原的雜質仍然混入矽液中,降低了矽的強度。在生産實踐中,爐料中每增加1%的灰分,就多耗電能100度-120度,因此,要求碳素原料中的灰分含量愈少愈好。

2.3電極電極是化學用矽生産中主要的消耗材料之一。化學用矽冶煉用電極,一般采用石墨電極和碳素電極,目前國內主要采用石墨電極。

电子游戏平台 - 首页专业生产中頻感應熔矽爐,在矽冶煉爐中,電極就是心髒,是導電系統的重要組成部分。電流是通過電極輸入爐內産生電弧,用于化學矽冶煉。對電極材料的要求:(1)導電性好、電阻率小,以減少電能損失。(2)熔點要高,熱膨脹系數要小,不易變形;(3)高溫時有足夠的機械強度,雜質含量低。石墨電極的灰分含量低,導電性、耐熱性和耐腐蝕性能都比較好,是化學用矽冶煉的最佳選擇。

3、化學工業用矽的冶煉工藝

化學用矽的工藝流程包括爐料准備,電爐熔煉,矽的精制和澆鑄,除去熔渣夾雜而進行的破碎。在爐料配制之前,所有原料都要進行必要的處理。矽石在颚式破碎機中破碎到塊度不大于100mm,篩出小于5mm的碎塊,並用水沖洗潔淨。因爲熔爐中碎塊在爐膛上部熔融,從而降低了爐料的透氣性,使生産過程難以進行。石油焦有較高的導電系數,要破碎到塊度不大于10mm,又要控制石油焦的粉末量。因其在爐膛口上直接燃燒,會造成還原劑不足。

化學用矽生産中,煙煤完全可以取代木炭,如湖南株洲精洗煙煤,固定炭達77.19%,揮發分爲19.4%,灰分含量3.41%,Fe2O3含量0.22%,Al2O3含量0.99%,CaO含量0.17%。經生産實踐,采用此種煙煤冶煉化學用矽是可行的。

生産化學用矽用的木塊和木片是用截材機和木片削片機加工的。爐料中碳質還原劑主要以石油焦和煙煤爲主,木塊和木片的用量要視爐況來決定。生産中不用木質,反而産品質量還更穩定。爐料的配比根據要求所生産的産品級別來定。石油焦和煙煤的配比按每批礦矽需要的碳量來確定。石油焦和煙煤的比例對爐料的工作電阻影響較大。

爐料各組分經稱量後,將爐料混合均勻,待搗爐後,將混合均勻的爐料集中加入爐內。保持一定的料面高度,加料均勻。

化学硅生产是连续不断进行的。炉内的状况也不是永恒不变的。化学硅生产在电炉内是以电能转换成热能,然后再用热能直接加热物料而产生化学反应的过程。所以炉内的电气特性是非常重要的,熔炼实行闭弧操作,保持高温炉,提高热效率,提高电炉利用率,在研究中使用容量为3200KVA和6300KVA金屬矽炉各一台。熔炼采用一定时间的焖烧和定期集中加料的操作方法进行。正常情况下炉料难以自动下沉,一般需强制沉料。炉况容易波动,较难控制。因此,在生产中必须正确判断,及时处理。每4小时出一次炉,进行精练浇铸,破碎挑渣整理入库。

4、电炉操作化学硅熔炼是在埋弧状态下进行的。为生产出恒定均质的金屬矽,需要实行最佳的炉子操作,在熔炼过程中。热量主要来源电能。所以在炉膛内电流的流径路线及各路线的电流量的分布对炉膛内各区的温度分布和整个熔炼过程的进行有重要的影响,要注意保持三相电能的负荷平衡,这样才能提高产量,保证质量,降低电耗。

4.1加料和搗爐要想使矽的熔煉爐達到優質高産的目的,除了要求良好的電爐參數,精良的原料,合理的配比之外,操作方法的好壞是十分重要的因素。合理的加料方法對料層結構,電極在爐內的穩定性和熱能的充分利用,起著主導的作用。生産中,加料和搗爐是結合進行的。要根據熔煉過程的不同情況和特點,適時地完成加料、搗爐作業。爲了保持爐內有良好的透氣性,需要進行紮眼和搗爐。小搗爐根據爐況而進行,大搗爐一般每一個小時左右進行一次,搗爐要快要透,搗爐搗出的塊料推向爐心,搗爐過程中不能邊搗爐邊加新料。一個電極區一個電極區進行搗爐的操作是不可取的,必須集中統一搗爐、統一加料,這樣才能保持較高的熔煉溫度。穩定爐子操作最重要的因素是保持料層中恒定的溫度分布。如果爐膛溫度分布受到[破壞,爐子操作會受嚴重幹擾。生産中爐料的粒度和均勻程度,加料和出爐以及爐膛料面的處理都會影響電極運動。電極移動過大、過強的搗爐都會使爐子操作不穩定。

4.2閉弧操作

閉弧操作是將電極適當地埋入爐料中,以半熔融爐料爲阻抗體,在電極和熔融爐料之間産生電弧。要想做到閉弧操作,首先就要考慮投料方法。投料方法有一次投料法、分次投料法、多次投料法。除一次投料法是明弧操作外,其他方法都可以做到閉弧操作。化學矽生産中,我們采用分次投料法,料層結構穩定,電耗低,爐齡長。操作中要處理好幾個問題:一是要選擇好適合的電氣參數,使電極能有適當深度地插入料層;二是要想辦法控制好爐料的比電阻;三是爐料粒度對矽的冶煉有重要影響,粒度過大和過小對爐況都不利。閉弧操作的優點是:①爐內料層結構能形成一個完整的體系,爐料依次下沈;②弧光不外露,料面上輻射熱損失大大減少,保持高爐溫,熱效率提高,從而增加産量、提高産品質量和降低電耗。③能使電極消耗量達到平衡穩定,避免發生惦記折斷事故。④料面的溫度比較低,使料面上的設備受到的熱腐蝕較輕,延長了設備的壽命,提高電爐設備的利用率。⑤粉塵較少,可使爐面操作有一個較好的操作環境。爐子無論大小,只要采取適當措施,都可以做到閉弧操作,獲得理想的生産效果。

4.3配電技術電弧爐是用電弧發生的熱來進行加熱的裝置。在化學矽冶煉過程中,物理化學變化與電氣制度有著緊密的聯系。配電操作的好壞,對冶煉效率有十分重要的影響。電弧主要存在電末端,空腔受電弧沖擊推力的作用,把物料腿開,形成燈泡形。熔煉過程中,電爐電氣參數的控制是由配電工作完成的。一般情況下就是控制電極的埋入深度。淺埋電極,一般表明還原劑過剩,電極附近形成火眼,電弧聲響亮,出爐矽溫度低,數量少、電耗高。深埋電極,如果爐料中還原劑過少,電極將處于較低位置。因爲爐料電阻隨著爐料中碳的減少而增大,電阻增大使電流負荷下降,電極消耗增加,生産率降低。生産中,電極的埋入深度根據現場操作來確定。調節電極埋入深度就是改變爐料的電阻值,這是調節爐況的最佳手段。當電爐二次電壓超過一定值後,電極會受損壞,矽的揮發損失增多,爐膛上部過熱,熱損失增大。二次電流,受電極允許電流密度的限制,也不能隨意增大。

中频炉电流电压的比值,是炉前操作的重要因素。电流电压比过小,电极下不去,明弧生产难操作。电流电压比过大,电极插入炉料过深,生产不够十分理想。生产中,只有找到适当的电流电压比时,工作电流稳定,物料均衡和电极即使升降,才能取得最好的生产成果。调整工作电压是调整炉子的生产率的重要手段。炉子工作电压取决于两个方面:一方面是短网结构,要求电效率要高,功率因素应适当。另一方面是炉况,包括炉体结构和生产操作情况,熔炼中工作电阻的阻值很关键,它易变动,应努力使其稳定并趋近最佳值。一般情况,为保证正常的料面温度,提高电压。包这个正常的料面温度在600°C左右。使用符合规格的原材料,炉料粒度大,电阻就小,支路电流大,电极不易深入。以上文章由电子游戏平台 - 首页提供,有关中频熔硅炉详情,请登录公司网站:www.nba17.com或致电13991166865咨询!


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