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《輕金屬雜志》2015年第十二期

摘要:

試驗以洗精煤、石油焦、電解鋁殘陽極、復合球團等還原劑代替部分木炭進行工業硅的冶煉，試驗效果都不太理想，產量、產品質量等各項指標都較使用木炭時有所下降。為了彌補單一還原劑的不足，采用洗精煤+石油焦+廢陽極+復合球團+疏松劑的組合還原劑替代部分木炭，試驗效果理想，不僅提高了硅冶煉還原劑的反應活性，改善了爐料的透氣性，降低了還原劑灰分帶入的雜質，工業硅產品質量有所提高，同時降低了生產成本，經濟效益明顯。組合還原劑的使用，拓展了工業硅還原劑的來源，減少了木炭的使用，間接保護了森林資源，符合了公司降本增效，節能環保的生產理念。

關鍵詞:

還原劑;替代;工業硅

化學級金屬硅是多晶硅、有機硅、半導體、光電子用硅等高端硅材料生產的基本原料，也是多種合金材料冶金的重要輔料［1］。無論國內還是國外對金屬硅材料的需求量均較大，因此金屬硅生產產能都在不斷增加，2012年全國工業硅產量113萬噸，2013年產量145萬噸，2014年產量為170萬噸，國內工業硅產量呈現較快增長［2］。化學級金屬硅是以硅石為原料，以木炭等為還原劑，在礦熱爐中通過還原冶煉而得。木炭因具有固定碳高、灰分低、比電阻大、還原性和透氣性好等優點，一直作為傳統金屬硅生產的理想還原劑應用〔3〕，而石油焦、洗精煤等碳質還原劑由于各方面的原因，在傳統冶煉中只能少量配入〔4〕。據統計，生產1噸化學級金屬硅需要木炭1．6噸，而1噸木炭需要消耗約6噸木材，10立方米森林〔5〕，工業硅的生產需要消耗大量森林資源，嚴重破壞生態環境。隨著社會對環境保護，生態建設意識的增強，禁止砍伐破壞森林資源，使木炭的采購愈趨困難，價格攀升，致使金屬硅生產成本不斷上升，企業效益急劇下降，木炭的使用已成為制約硅產業發展的瓶頸問題。針對這一情況，選擇其他一些來源廣泛，價格便宜的碳質還原劑勢在必行。

1還原劑的選擇

工業硅的冶煉對還原劑的要求是固定碳高、灰分低、揮發分適中、比電阻大、化學反應活性強及有一定機械強度，因此能用于工業硅冶煉的碳質還原劑有木炭、低灰分洗精煤、石油焦等〔6〕。煙煤具有比電阻大、化學反應活性強等優點，但也具有灰分高，固定碳較低的缺點。煙煤經過化學處理和機械富集，可以降低其中灰分，得到的低灰分煤稱為洗精煤，優質煙煤的灰分可以降低到3．0%左右，可以滿足工業硅生產要求。大量試驗證明使用洗精煤能使爐料沉料緩慢，爐況較使用木炭穩定，刺火現象減少，搗爐周期延長，減少工人勞動強度〔7〕。因此低灰分洗精煤是較理想替代木炭的還原劑。石油焦具有固定碳含量高、灰分極低的優點，但存在著高溫下易石墨化造成還原活性低、高溫比電阻低、透氣性較差等缺點〔5〕。在工業硅生產中不宜全部使用石油焦，應與其他比電阻大的還原劑配合使用，冶煉過程中還應加入疏松劑提高爐料透氣性。鋁電解殘陽極具有固定碳含量高、燒損低的優點。在工業硅冶煉過程中，由于木炭質量輕、反應活性強等原因，難以沉入爐底，使得爐底長期處理缺碳狀態，電極消耗量大，鋁電解殘陽極可以起到爐底補碳作用。云南永昌硅業股份有限公司選用低灰分洗精煤，燒結性能好的石油焦，鋁電解殘陽極，碳質還原劑粉料制成的復合球團等還原劑替代部分木炭進行工業硅冶煉，為了保證爐內的透氣性加入木塊作為疏松劑。

2試驗

2.1試驗原料本次試驗用低灰分洗精煤、石油焦、鋁電解殘陽極、復合球團、疏松劑等還原劑替代部分木炭進行工業硅的冶煉，為了保證試驗期間生產正常進行及產品質量，對所用到的還原劑物理化學性質提出嚴格要求，試驗原料的物理化學成分分析如表1所示。

2.2試驗方案試驗擬逐一使用上述還原劑替代部分木炭，考察試驗期間工業硅平均日產量、產品質量、單耗、成本等指標，分析替代木炭的可行性。試驗在25500kVA矮煙罩半封閉旋轉式電弧爐上進行，設備參數如表2所示。

3結果與討論

3.1洗精煤替代木炭自2011年7月起在5#、6#、7#礦熱爐開展了洗精煤替代木炭試驗研究工作。利用洗精煤具有的特性，綜合考慮其他因素將其按配比作為金屬硅冶煉還原劑，試驗在原有配料的基礎上，加大洗精煤的配入量，逐步減少木炭的使用量。從數據分析，洗精煤在金屬硅冶煉中應用，因其反應活性低、透氣性差等因素的影響，增加用量后在一定程度上制約了生產產量的提高，當洗精煤替代木炭由15%上升到30%后，工業硅日產量由50.38噸下降到48.72噸，下降了3.30%;使用洗精煤后，爐況比較穩定，同時儀表數值波動小，這些都利于冶煉操作，相應的冶煉電單耗下降;同時由于洗精煤燒損較木炭少，相應的碳單耗有所下降;洗精煤雜質含量較木炭高，產品質量有所下降，表現為441級以下產品產出率有所上升。

3.2石油焦替代木炭自2011年7月起在5#、6#、7#礦熱爐開展了石油焦替代木炭試驗研究工作。在原有配料比的基礎上，加大石油焦的配入量，相應的逐步減少木炭的使用量，試驗結果如表4所示。從數據分析，石油焦在金屬硅冶煉中應用，因其反應活性低、透氣性差等因素的影響，增加用量后在一定程度上制約了生產產量的提高，石油焦比例用量由17.4%增加到26.4%，工業硅日產量由50.38噸下降至48.08噸，下降4.57%;使用石油焦后由于透氣性差的原因，爐況不太穩定，刺火較多，表現為電單耗上升;石油焦固定碳含量高，石墨化程度較高，易于沉入爐底，起到爐底補碳作用，相應的電極單耗下降;石油焦較木炭燒損少，相應的碳單耗下降;石油焦灰分相當低，加入石油焦替代木炭相應的可以減少雜質的帶入，表現為441級以下產品產出率下降明顯。

3.3鋁電解殘陽極替代木炭自2011年1月起在7號礦熱爐開展鋁電解殘陽極替代木炭的試驗研究，項目最終實現了15%的木炭替代量，試驗結果如表5所示。殘陽極投入期間取得了日產量下降3.13噸，下降2.24%，電極單耗下降30kg，下降4.84%，碳單耗下降0.003t，下降2.56%，電耗下降160kWh/t，下降1.25%。從產品質量對比得出，加入殘陽極期間，441級以下產品產出率由加入前的2.56%上升到5.58%，上升3.02%，主要是由于殘陽極含鐵等雜質較高。總體而言鋁電解廢陽極固定碳含量高、揮發分及灰分低，反應活性低，透氣性差，弱化了硅熔煉能力，試驗期間爐況穩定，產品質量及產量下降、部份指標單耗下降，試驗效果良好。初步證明了用鋁電解殘陽極部分替代木炭在生產工藝上是可行的。同時能使鋁電解廢陽極變廢為寶，提高企業經濟效益。

3.4復合球團替代木炭在使用木炭、洗精煤、石油焦、廢陽極等碳質還原劑冶煉工業硅時，為保證爐料透氣性，粉料不能入爐，因此堆存大量還原劑粉料，造成資源浪費。公司自2011年2月起組織開展金屬硅生產用球團工業化應用技術研究工作，試驗用各種碳類粉料制備出復合球團產品，并將球團投入公司7#礦熱爐進行金屬硅冶煉生產，試驗用復合球團實現了4%的木炭替代量。相對于其他還原劑，復合球團的固定碳含量相對較低，鐵等雜質含量偏高，大量使用會影響到產品質量，當少量使用時對產品質量影響較小。經過生產使用，證明了復合球團在金屬硅生產中應用是可行性的。利用此工藝，一方面使粉料資源得到了綜合回收利用，提高了企業經濟效，降低了環境污染;另一方面為木炭還原劑替代找到了新的渠道，實現了金屬硅生產的可持續發展。

3.5組合還原劑替代木炭為了彌補單一還原劑的不足，擬采用洗精煤+石油焦+廢陽極+復合球團+疏松劑的組合還原劑。2011年6月采用洗精煤替代20%的木炭，石油焦替代26.4%的木炭，廢陽極替代6%的木炭，復合球團替代4%的木炭，同時疏松劑的使用量每批次由60kg提升至100kg，共替代60%左右的木炭量，試驗結果如表6所示。采用組合還原劑生產以后，工業硅平均日產量比用木炭生產略有下降，這主要是因為石油焦和洗精煤的反應活性較木炭差，導致硅生成化學速率整體變慢;同時硅的直收率升高、電單耗下降、固定碳單耗下降、熱停爐事故率下降，這些主要是因為采用組合還原劑生產后爐況平穩，熱停爐事故減少，很少出現明顯刺火、爐眼噴火等現象，因此氣態SiO隨煙氣溢出量減少，熱量損失較少，碳燒損減少;441級以下產品產出率也較使用木炭時有所下降，這主要是因為在組合還原劑中配入的低灰分含量的石油焦量較多，總體帶入爐內的雜質量下降了;使用組合還原劑后雖然煙管進口溫度有所上升，但是溫度在煙管可耐受溫度范圍內，對生產影響不大，同時更高的煙氣溫度對公司的煙氣余熱發電廠有利;組合還原劑生產工業硅需提升電爐有功功率，這是因為石油焦和洗精煤的反應活性較木炭差，提升有功功率可以提升電爐溫度，促進煤焦化學反應速率的提升;組合還原劑生產工業硅平均成本下降了452元/t，這是由于硅的直收率升高減少了原料的投入量，電單耗下降，爐況穩定熱停爐減少，組合還原劑價格也較木炭低。

4結語

通過以上試驗可以看出，在單獨使用某類還原劑替代木炭生產工業硅時，試驗效果都不太理想。經試驗證明，組合還原劑的使用提高了硅冶煉還原劑的反應活性，改善了爐料的透氣性，使礦熱爐硅產量上升;降低了還原劑灰分帶入的雜質，入爐物料雜質量得到了有效保障，更重要的產品品級率得到明顯提高;各項技術指標都較使用木炭為優，同時設備運行穩定且安全可靠，生產成本也得到了有效降低，給公司帶來了可觀的經濟效益。木炭使用量的減少還可以間接保護森林資源，環保效益顯著。

參考文獻:

［1］孫德勝，康維．實用工業硅技術［M］．北京:化學工業出版社，2005，11－19．

［2］趙家生．我國工業硅行業現狀及發展建議［A］．中國有色金屬工業協會硅業分會．2015(首屆)中國硅產業鏈峰會論文集［C］．2015．1－6．

［3］甘代順．以煤替代木炭生產工業硅［J］．鐵合金，2002，163(2):25．

［4］鄒學柏，彭達，梁躍云．以煤代炭冶煉化學級金屬硅的試驗研究［J］．煤炭技術，2007，26(3):113－114．

［5］田建強．精煤在工業硅生產中的應用［J］．輕金屬，2002，(8):49．

［6］陳達．工業硅生產中碳質還原劑的選擇［J］．鐵合金，2008，201(4):14－20．［7］甘胤，王吉坤，包崇軍．工業硅還原劑木炭的替代研究進展［J］．鐵合金，2008，232(5):45－48．

作者：盧國洪 張忠益 羅文波 趙興凡 王國衛 單位：云南永昌硅業股份有限公司 昆明理工大學冶金與能源工程學院