木炭还原剂替代的试验思考范文

《轻金属杂志》2015年第十二期

摘要:

试验以洗精煤、石油焦、电解铝残阳极、复合球团等还原剂代替部分木炭进行工业硅的冶炼，试验效果都不太理想，产量、产品质量等各项指标都较使用木炭时有所下降。为了弥补单一还原剂的不足，采用洗精煤+石油焦+废阳极+复合球团+疏松剂的组合还原剂替代部分木炭，试验效果理想，不仅提高了硅冶炼还原剂的反应活性，改善了炉料的透气性，降低了还原剂灰分带入的杂质，工业硅产品质量有所提高，同时降低了生产成本，经济效益明显。组合还原剂的使用，拓展了工业硅还原剂的来源，减少了木炭的使用，间接保护了森林资源，符合了公司降本增效，节能环保的生产理念。

关键词:

还原剂;替代;工业硅

化学级金属硅是多晶硅、有机硅、半导体、光电子用硅等高端硅材料生产的基本原料，也是多种合金材料冶金的重要辅料［1］。无论国内还是国外对金属硅材料的需求量均较大，因此金属硅生产产能都在不断增加，2012年全国工业硅产量113万吨，2013年产量145万吨，2014年产量为170万吨，国内工业硅产量呈现较快增长［2］。化学级金属硅是以硅石为原料，以木炭等为还原剂，在矿热炉中通过还原冶炼而得。木炭因具有固定碳高、灰分低、比电阻大、还原性和透气性好等优点，一直作为传统金属硅生产的理想还原剂应用〔3〕，而石油焦、洗精煤等碳质还原剂由于各方面的原因，在传统冶炼中只能少量配入〔4〕。据统计，生产1吨化学级金属硅需要木炭1．6吨，而1吨木炭需要消耗约6吨木材，10立方米森林〔5〕，工业硅的生产需要消耗大量森林资源，严重破坏生态环境。随着社会对环境保护，生态建设意识的增强，禁止砍伐破坏森林资源，使木炭的采购愈趋困难，价格攀升，致使金属硅生产成本不断上升，企业效益急剧下降，木炭的使用已成为制约硅产业发展的瓶颈问题。针对这一情况，选择其他一些来源广泛，价格便宜的碳质还原剂势在必行。

1还原剂的选择

工业硅的冶炼对还原剂的要求是固定碳高、灰分低、挥发分适中、比电阻大、化学反应活性强及有一定机械强度，因此能用于工业硅冶炼的碳质还原剂有木炭、低灰分洗精煤、石油焦等〔6〕。烟煤具有比电阻大、化学反应活性强等优点，但也具有灰分高，固定碳较低的缺点。烟煤经过化学处理和机械富集，可以降低其中灰分，得到的低灰分煤称为洗精煤，优质烟煤的灰分可以降低到3．0%左右，可以满足工业硅生产要求。大量试验证明使用洗精煤能使炉料沉料缓慢，炉况较使用木炭稳定，刺火现象减少，捣炉周期延长，减少工人劳动强度〔7〕。因此低灰分洗精煤是较理想替代木炭的还原剂。石油焦具有固定碳含量高、灰分极低的优点，但存在着高温下易石墨化造成还原活性低、高温比电阻低、透气性较差等缺点〔5〕。在工业硅生产中不宜全部使用石油焦，应与其他比电阻大的还原剂配合使用，冶炼过程中还应加入疏松剂提高炉料透气性。铝电解残阳极具有固定碳含量高、烧损低的优点。在工业硅冶炼过程中，由于木炭质量轻、反应活性强等原因，难以沉入炉底，使得炉底长期处理缺碳状态，电极消耗量大，铝电解残阳极可以起到炉底补碳作用。云南永昌硅业股份有限公司选用低灰分洗精煤，烧结性能好的石油焦，铝电解残阳极，碳质还原剂粉料制成的复合球团等还原剂替代部分木炭进行工业硅冶炼，为了保证炉内的透气性加入木块作为疏松剂。

2试验

2.1试验原料本次试验用低灰分洗精煤、石油焦、铝电解残阳极、复合球团、疏松剂等还原剂替代部分木炭进行工业硅的冶炼，为了保证试验期间生产正常进行及产品质量，对所用到的还原剂物理化学性质提出严格要求，试验原料的物理化学成分分析如表1所示。

2.2试验方案试验拟逐一使用上述还原剂替代部分木炭，考察试验期间工业硅平均日产量、产品质量、单耗、成本等指标，分析替代木炭的可行性。试验在25500kVA矮烟罩半封闭旋转式电弧炉上进行，设备参数如表2所示。

3结果与讨论

3.1洗精煤替代木炭自2011年7月起在5#、6#、7#矿热炉开展了洗精煤替代木炭试验研究工作。利用洗精煤具有的特性，综合考虑其他因素将其按配比作为金属硅冶炼还原剂，试验在原有配料的基础上，加大洗精煤的配入量，逐步减少木炭的使用量。从数据分析，洗精煤在金属硅冶炼中应用，因其反应活性低、透气性差等因素的影响，增加用量后在一定程度上制约了生产产量的提高，当洗精煤替代木炭由15%上升到30%后，工业硅日产量由50.38吨下降到48.72吨，下降了3.30%;使用洗精煤后，炉况比较稳定，同时仪表数值波动小，这些都利于冶炼操作，相应的冶炼电单耗下降;同时由于洗精煤烧损较木炭少，相应的碳单耗有所下降;洗精煤杂质含量较木炭高，产品质量有所下降，表现为441级以下产品产出率有所上升。

3.2石油焦替代木炭自2011年7月起在5#、6#、7#矿热炉开展了石油焦替代木炭试验研究工作。在原有配料比的基础上，加大石油焦的配入量，相应的逐步减少木炭的使用量，试验结果如表4所示。从数据分析，石油焦在金属硅冶炼中应用，因其反应活性低、透气性差等因素的影响，增加用量后在一定程度上制约了生产产量的提高，石油焦比例用量由17.4%增加到26.4%，工业硅日产量由50.38吨下降至48.08吨，下降4.57%;使用石油焦后由于透气性差的原因，炉况不太稳定，刺火较多，表现为电单耗上升;石油焦固定碳含量高，石墨化程度较高，易于沉入炉底，起到炉底补碳作用，相应的电极单耗下降;石油焦较木炭烧损少，相应的碳单耗下降;石油焦灰分相当低，加入石油焦替代木炭相应的可以减少杂质的带入，表现为441级以下产品产出率下降明显。

3.3铝电解残阳极替代木炭自2011年1月起在7号矿热炉开展铝电解残阳极替代木炭的试验研究，项目最终实现了15%的木炭替代量，试验结果如表5所示。残阳极投入期间取得了日产量下降3.13吨，下降2.24%，电极单耗下降30kg，下降4.84%，碳单耗下降0.003t，下降2.56%，电耗下降160kWh/t，下降1.25%。从产品质量对比得出，加入残阳极期间，441级以下产品产出率由加入前的2.56%上升到5.58%，上升3.02%，主要是由于残阳极含铁等杂质较高。总体而言铝电解废阳极固定碳含量高、挥发分及灰分低，反应活性低，透气性差，弱化了硅熔炼能力，试验期间炉况稳定，产品质量及产量下降、部份指标单耗下降，试验效果良好。初步证明了用铝电解残阳极部分替代木炭在生产工艺上是可行的。同时能使铝电解废阳极变废为宝，提高企业经济效益。

3.4复合球团替代木炭在使用木炭、洗精煤、石油焦、废阳极等碳质还原剂冶炼工业硅时，为保证炉料透气性，粉料不能入炉，因此堆存大量还原剂粉料，造成资源浪费。公司自2011年2月起组织开展金属硅生产用球团工业化应用技术研究工作，试验用各种碳类粉料制备出复合球团产品，并将球团投入公司7#矿热炉进行金属硅冶炼生产，试验用复合球团实现了4%的木炭替代量。相对于其他还原剂，复合球团的固定碳含量相对较低，铁等杂质含量偏高，大量使用会影响到产品质量，当少量使用时对产品质量影响较小。经过生产使用，证明了复合球团在金属硅生产中应用是可行性的。利用此工艺，一方面使粉料资源得到了综合回收利用，提高了企业经济效，降低了环境污染;另一方面为木炭还原剂替代找到了新的渠道，实现了金属硅生产的可持续发展。

3.5组合还原剂替代木炭为了弥补单一还原剂的不足，拟采用洗精煤+石油焦+废阳极+复合球团+疏松剂的组合还原剂。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，废阳极替代6%的木炭，复合球团替代4%的木炭，同时疏松剂的使用量每批次由60kg提升至100kg，共替代60%左右的木炭量，试验结果如表6所示。采用组合还原剂生产以后，工业硅平均日产量比用木炭生产略有下降，这主要是因为石油焦和洗精煤的反应活性较木炭差，导致硅生成化学速率整体变慢;同时硅的直收率升高、电单耗下降、固定碳单耗下降、热停炉事故率下降，这些主要是因为采用组合还原剂生产后炉况平稳，热停炉事故减少，很少出现明显刺火、炉眼喷火等现象，因此气态SiO随烟气溢出量减少，热量损失较少，碳烧损减少;441级以下产品产出率也较使用木炭时有所下降，这主要是因为在组合还原剂中配入的低灰分含量的石油焦量较多，总体带入炉内的杂质量下降了;使用组合还原剂后虽然烟管进口温度有所上升，但是温度在烟管可耐受温度范围内，对生产影响不大，同时更高的烟气温度对公司的烟气余热发电厂有利;组合还原剂生产工业硅需提升电炉有功功率，这是因为石油焦和洗精煤的反应活性较木炭差，提升有功功率可以提升电炉温度，促进煤焦化学反应速率的提升;组合还原剂生产工业硅平均成本下降了452元/t，这是由于硅的直收率升高减少了原料的投入量，电单耗下降，炉况稳定热停炉减少，组合还原剂价格也较木炭低。

4结语

通过以上试验可以看出，在单独使用某类还原剂替代木炭生产工业硅时，试验效果都不太理想。经试验证明，组合还原剂的使用提高了硅冶炼还原剂的反应活性，改善了炉料的透气性，使矿热炉硅产量上升;降低了还原剂灰分带入的杂质，入炉物料杂质量得到了有效保障，更重要的产品品级率得到明显提高;各项技术指标都较使用木炭为优，同时设备运行稳定且安全可靠，生产成本也得到了有效降低，给公司带来了可观的经济效益。木炭使用量的减少还可以间接保护森林资源，环保效益显著。

参考文献:

［1］孙德胜，康维．实用工业硅技术［M］．北京:化学工业出版社，2005，11－19．

［2］赵家生．我国工业硅行业现状及发展建议［A］．中国有色金属工业协会硅业分会．2015(首届)中国硅产业链峰会论文集［C］．2015．1－6．

［3］甘代顺．以煤替代木炭生产工业硅［J］．铁合金，2002，163(2):25．

［4］邹学柏，彭达，梁跃云．以煤代炭冶炼化学级金属硅的试验研究［J］．煤炭技术，2007，26(3):113－114．

［5］田建强．精煤在工业硅生产中的应用［J］．轻金属，2002，(8):49．

［6］陈达．工业硅生产中碳质还原剂的选择［J］．铁合金，2008，201(4):14－20．［7］甘胤，王吉坤，包崇军．工业硅还原剂木炭的替代研究进展［J］．铁合金，2008，232(5):45－48．

作者：卢国洪 张忠益 罗文波 赵兴凡 王国卫 单位：云南永昌硅业股份有限公司 昆明理工大学冶金与能源工程学院