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煤在金属硅的运用与发展

它们的2个自旋子能带结构几乎是相同的,很少受V-Mn/Fe或V-V交换作用的影响,因而,它们对材料的磁性和半金属性质基本没有贡献,我们忽略了这些能带,只给出-6eV到3eV能区之间的能带结构。分布在-4eV到-6eV之间的态密度主要来自Bi原子外层的p态电子,这些p态电子与这一能带区间的少量过渡族元素的3d电子发生杂化作用而产生劈裂,因而我们在表1中看到Bi原子具有一定的磁性。分布在-3eV到3eV能区之间的能带主要由V和Mn/Fe的3d态电子构成,V-V和V-Mn/Fe之间d电子的杂化作用非常强烈,使得这些能带看上去比较弥散,表明d电子的局域性在合金中有所降低。化学级金属硅的冶炼过程中,需要的原料主要是硅石,对于硅石的组成成分的基本要求是SiO2含量大致为99%,Fe2O3含量大约为0.15%,Al2O3含量大约为0.2%,CaO含量大约为0.1%,杂质的总和小于0.6%。还原剂主要采用的是含碳的木炭、木块、石油焦及低灰分的煤炭。利用其中的碳进行还原反应。以100KG的SiO2为基准,其反应物质平衡结果如图2所示。显然,上图所示的5个基本反应式并不可能完全涵盖化学级金属硅的冶炼全部过程,上述的所有反应过程是建立在如下的理念基础之上的:(1)初始反应物仅限于SiO2和C;(2)过渡项完全限定为SiC及SiO;(3)反应产物完全限定为Si及CO;(4)虽然忽略了一部分的衍生反应,但是就终点反应的产物来看,省略的反应知识过程反应,其反应的基本结果也都包含在了上图所示的5个反应式之中。

煤炭的挥发分高,孔隙度相对较大,而且还原性适中,价格与木炭相比要便宜接近一倍,煤随炉料下沉缓慢,有利于炉口位置的还原剂中的水分和挥发分的充分排出,能够有利于提高炉料的透气性,使得炉料面烧结性较好,从而确保炉中的稳定反应。但是,煤含焦油较高,容易烧结,从而也可能降低反应效率。根据张并立(2001)的研究结果,在工业硅的冶炼之中,煤炭作为还原剂是可行的,但是选用煤炭的时候,要注意煤炭的物理性质,需要是无裂纹、无光泽、呈暗黑色,质地比较坚硬,棱角分明,煤炭无粘结,热介过程无胶质体产生。其利用煤炭代替木炭作为还原剂用于抚顺铝厂5000KVA单相硅炉,经过技术改造能够成功冶炼工业硅。而在冶炼化学级金属硅方面,邹学柏,彭达,梁跃云(2007)近年来开展了以煤代炭冶炼化学级金属硅的试验,在于木炭条件完全相等的情况下,实现了煤炭完全取代木炭冶炼化学剂金属硅,而且在冶炼的过程中,炉况非常正常,产量也稳定,这说明,以煤代炭冶炼化学级金属硅法是完全可行的,它为减少国家森林资源消耗、为企业节能降耗提高利润提供了技术保障。将煤代替木炭应用于化学剂金属硅,需要加强工艺控制,以确保煤炭与木炭之间的差异不会对化学级金属硅的冶炼产生太多的负面影响。首先,要控制好煤炭的选择。在上个世纪90年代后期,我国开始用精洗煤取代木炭作为还原剂生产工业硅并且取得了成功,到了本世纪逐渐推广开来之后,我国开展完全用煤炭取代木炭作为还原剂生产金属硅的尝试。然而,现在我国的还原剂烟煤的灰分含量基本上都在3%以上,而在国外,烟煤的灰分含量则基本上可以控制在1%左右。为了控制灰分含量,而可以选择化学方法对烟煤进行精选,从而得到氯化铁含量低于0.1%的精煤,精煤比电阻很高,化学活性很好,反应能力也较强。其次,保证电极的稳定性。在煤炭代替木炭冶炼化学级金属硅的反应过程中,电极底部一直在消耗,电极底端的位置也会逐步上升,离炉底也会越来越远,电流如果供应不足,就会使得还原反应进行出现问题,无法保证金属硅的纯度。因此,为了保证电极的稳定,确保在煤炭代替木炭冶炼化学级金属硅的反应过程能够持续进行,要将电极稳定地较深地插入到炉料之中,从而使得反应能够稳定进行,出现结块的时候要及时的捣碎,改善炉料通气性,确保反应的稳定性。再次,合理选用炉料疏松剂。由于煤炭冶炼容易烧结,炉料透气性不如使用木炭,因此要合理的选择使用炉料疏松剂,包括木屑、玉米芯、甘蔗渣等。疏松剂用的多了会造成炉料体积增大,容易刺火、塌料,如果用少了就难以改善通气效果,造成冶炼效果不佳。因此,用量需要合理选择。随着我国将煤炭用于替代木炭冶炼化学级金属硅的尝试的不断进行,对于何种物理参数的煤炭能够产生更好的冶炼效果,也总结出了非常多的经验。比如,对于煤的具体物理参数,有学者认为冶炼化学级金属硅对于精煤的要求,有如下几项:(1)挥发分>25%~40%;(2)固定碳>55%;(3)灰分<5%,其中三氧化二铁<0.3%,三氧化二铝<0.7%,一氧化钙<0.4%;(4)粘结指数大于85。同时,对于在实际的冶炼过程中的工艺控制,也有了一定的进步,具体包括了对硅炉的参数选择,包括了电极直径、极心圆直径、炉膛直径及炉膛深度等等,除此之外,对于不同的用煤数量对应应该选择的操作电阻也有了具体的参数。

我国当前关于煤炭应用于化学级金属硅的冶炼工艺的研究已经有了长足的进步,并且已经能够在实际生产中依靠煤炭取代木炭生产化学级金属硅,如果技术过关、操作得当,产品质量不仅不受太大影响,而且炉况也相当容易控制。但是,我们也应该看到,这一工艺还有不少细节问题需要进一步的深入研究,包括如何控制烟煤的质量,如何更好地提高冶炼的稳定性,如何进一步优化和提高冶炼水平等等,这些问题都值得我们深入的思考。

本文作者:刘子贤杨明工作单位:安徽工业经济职业技术学院

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