5.1.3. Схема технологических зон горна электропечи

Приведенные данные дают возможность посмотреть на процесс плавки более глубоко с позиции распределения в горне температурных зон и представить общую схему горна с разбивкой на главные технологические зоны с представлением механизма последовательного восстановления шихты с учетом противотока продуктов и химизма реагирования, учитывая все промежуточные реакции с получением конечных продуктов. Результаты представлены на рис. 3 в виде развертки кольцевого цилиндрического горна.

Горн по вертикали можно разбить на пять технологических зон, каждая из которых характеризуется своей температурной вероятностью протекания одной или нескольких реакций в пределах температур, соответствующих началу и окончанию взаимодействия.

Специфические особенности работы технологических зон в рядке их расположения в горне, следующее:

Зона 1. 500-1350 ^оС (фактически до 1710 ^оС - температуры плавления кварцита и стекания остатков шихты вниз). Нагрев шихты, испарение влаги, пиролиз углеводородов, восстановление металлов - примесей (железо и др.), фильтрация и адсорбция газов и паров.

Зона 2. 1350-1475 ^оС. Низкотемпературное восстановление SiO₂ до SiC по реакции (1). См. рис. 3. Здесь закладывается основа полноты восстановления и извлечения кремния. Успех последующего довосстановления в зоне 5 SiO по гетерогенным peaкциям (4), (3) и (5) определяются качеством генерированного по реакции (1) SiC, который является метаморфозой структуры углеродистого восстановителя и повторяет его реакционную способность. Происходит также фильтрация и адсорбция газов и паров.

Зона 3. 1625-1850 ^оС. Низкотемпературное замедленное восстановление кремнезема по реакции (2), при зависании шихты с образованием SiO, часть которого может находиться в газообразном состоянии и выдуваться из слоя реакционными газами. Фильтрация и адсорбция газов и паров. Плавление и отекания вниз кварцита и смывание остатков С и SIC.

Зона 4. 1710-1900 ^оС. Диспропорционирование SiO по реакции (6) при выдувании и охлаждении реакционного газа из высокотемпературной зоны нижней части горна. Продукты реакции (6) – Si и SIO₂ дисперсны. Степень их выноса и потерь определяются фильтрующей и адсорбирующей способностью колошника.

Зона 5. 1900-2670°С. Высокотемпературное ускоренное восстановление SiO, выдуваемого из горна, по однотипным реакциям (3) и (5) в противотоке с SIC, смываемым вниз расплавленным кварцитом, до 2300 ^оС и по реакции (4) - продолжение предыдущего этапа взаимодействия при повышении температуры до 2670 ^оС с получением Si_r.

В нижней части зоны при 2300-2670°С происходит высокотемпературное довосстановление кремнезема из провалившейся при опиковке в глубину горна шихты и стекших вниз по стенкам расплавленных остатков кварцита и восстановителя. Ускоренное восстановление из провалившейся шихты Si0₂ по реакции (2).

При недостатке твердого восстановителя возможно металлотермическое довосстановление SiO₂ из шлама при температуре более 1861 ^оС жидким кремнием с газификацией кремнезема до SiO_r по реакции (7). В нижнем придонном слое реакция (7) тормозится снижением температуры кремния ниже указанного предела из-за высокой теплопроводности углеродистой футеровки пода печи. Газообразный продукт реакций (2) и (7) - SiO быстро довосстанавливается сразу же после образования по реакциям (4), (3), (5) в высокотемпературной зоне 5. Здесь образуется основное количество кремния, который стекает под электрод. В нем запутываются остатки недовосстановленного шлака. При подъеме газов вверх и охлаждении ниже 2300°С из них конденсируется Si_ж.

Приведенные данные показывают, что в горне электропечи имеет место своеобразный технологический парадокс, заключающийся в том, что получение кремния возможно только при высокой температуре в глубине горна, а образование промежуточного продукта – SiO₂ начинается при недостаточной для полного восстановления температуры верхней части горна, в связи с чем, ощутимая часть SiO₂ может выдуваться реакционными газами.

Получение печного восстановления кремнезема зависит, прежде всего, от скорости нагрева шихты и температурных условий. Практически это определяется режимом протекания реакции (2) и условиями образования летучего монооксида кремния.

Протекание реакции (2) при зависании шихты на колошнике в технологической зоне 3 может явиться мерилом величины потерь Si0 с реакционными газами. В этом случае снижение потерь Si, может обеспечить только фильтрация газов через колошниковый слой шихты (зоны 1 и 2) и будет зависеть от фильтрующих и адсорбирующих свойств шихтовых материалов, в первую очередь восстановителя.

Протекание реакции (2) при высокой температуре при осадке шихты и отекании остатков жидкого кварцита в технологически зону обеспечивает быстрое восстановление до кремния, а также газификацию кремнезема из остатков шихты и шлака до Si0 и его последующее довосстановление.

Главными реакциями получения кремния являются реакции (5), (3) и (4), протекающие в технологической зоне 5 при температуре выше 2000 ^оС.

Причиной образования Si0, как неизбежного промежуточного продукта реагирования, являются реакции (2) и (7). При правильной загрузке шихты и нормальном ходе плавки решающее значение будет иметь непрерывный сход шихты и быстрое протекание в глубине горна реакции (2) и основных реакций довосстановления Si0 до Si (4), (3) и (5).

При недостатке восстановителя в балансе получения кремния начинает возрастать значение реакции (7). Эта реакция в зоне 5 является, по-видимому, фактором, приводящим к снижению содержания шлака в кремнии при выпуске из горна до 1-З%.

О роли реакции диспропорционирования (6) имеются следующие соображения.

Во-первых, это признак работы печи в неоптимальных условиях при недовосстановлении Si0 до Si. Во-вторых, роль реакций (6) в общей схеме процесса возрастает при отступлении от оптимальных условий плавки со всеми вытекающими последствиями. И, в-третьих, это источник появления дисперсного конденсированного продукта - смеси SiO₂ и Si, обреченного на частичную или полную потерю с газами из-за плохой фильтрации слоем шихты. Улавливание его может быть эффективным при использовании восстановителей, обладающих высокими фильтрационными и адсорбционными свойствами.

Таким образом, степень восстановления SiO₂ до Si в плавке определяется несколькими факторами.

Во-первых, условиями восстановления SiO₂. Чем большая часть SiO₂ будет восстанавливаться в нижней высокотемпературной зоне горна, тем выше будет извлечение кремния, выше проплав и сортность, ниже расход энергии.

Во-вторых, чем выше будет реакционная способность восстановителя, тем большая часть SiO восстановится до Si и меньшая часть будет вынесена газами.

В-третьих, чем выше фильтрационная и адсорбционная способность шихты (восстановителя) будут на колошнике, тем большая часть SiO, а также Si и SlO₂, полученных по реакции (6), будут уловлены и возвращены в высокотемпературную зону на довосстановление.

Извлечение кремния в плавке определяется комбинацией всех трех факторов. Очевидно, что решающее значение будет иметь первый фактор – условия восстановления и высокая температура.

Велико значение и остальных двух факторов. Оно возрастает при плохом сходе шихты в горне при ее зависании и развитии реакции (2) в верхней части печи сопровождающимся выносом SiO газом.

Вышеприведенное показывает, что наибольшее значение для плавки имеет равномерный сход шихты в высокотемпературную зону, то есть режим загрузки горна печи.