矽熱法所屬現代詞，指的是在電爐內用矽作還原劑生產中、低微碳鐵合金的方法。得到低碳合金是以含矽合金中的含碳量與含矽量成反比的關係為基礎的。通常用錳矽、矽鉻、矽鐵或工業矽作還原劑，生產中、低碳鐵合金或複合合金。
基本介紹
- 中文名：矽熱法
- 外文名：Silicon thermal process
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 原理：矽作還原劑生產中、低微碳鐵合金
- 還原劑：錳矽、矽鉻、矽鐵或工業矽
簡介,熱力學分析,主要原材料,工藝及設備流程,技術經濟指標,總結,
簡介
矽熱法(electro-silicothermic process)在電爐內用矽作還原劑生產中、低碳鐵合金的方法。得到低碳合金是以含矽合金中的含碳量與含矽量成反比的關係為基礎的。通常用錳矽、矽鉻、矽鐵或工業矽作還原劑，生產中、低碳鐵合金或複合合金。最早在生產中、低錳鐵(或鉻鐵)時認為是用氧化物對錳矽或矽鉻的脫矽精煉過程，故又稱為精煉法。這一方法還用於生產釩鐵、金屬錳、鎢鐵、鎳鐵、以及稀土矽鐵、矽鈣鐵、鈦矽鐵、矽鋇、矽鍶等矽系複合合金。
金屬鈣是鋼鐵工業生產優質高潔淨鋼的重要脫硫劑,在稀有及稀土金屬、冶金、化工、醫藥、電子、蓄電池等工業上也有廣泛用途。目前,隨著其用途的不斷擴展,鈣的市場需求將以每年5 %以上的速度增長。當前,金屬鈣的冶煉主要採用氯化鈣熔鹽電解法,設備投資大,能耗也高。鋁還原法是冶鍊金屬鈣的熱法工藝,但鋁價昂貴。為改善生產金屬鈣的技術經濟指標,本文研究了用矽鐵冶鍊金屬鈣的熱力學和工藝,得到了較好的指標。矽鐵目前供大於求,屬滯銷產品,且價廉,因而,本工藝可大幅度降低金屬鈣的生產成本,提高經濟效益和市場競爭力。
熱力學分析
1 矽還原氧化鈣的熱力學條件
為了將原料石灰石煅燒後生成的CaO 還原為金屬鈣,從熱力學上考慮,必須使所選擇的還原劑對氧的親合力大於鈣對氧的親合力,這可以根據鈣生成反應的標準自由能變數來判斷。
為使氧化鈣還原生成鈣的反應得以進行,由此得出,只有還原反應溫度在2 908 ℃以上時,矽才能作為氧化鈣的還原劑,使鈣還原出來生成金屬鈣。
氧化鈣生成反應的曲線位於下部,表明其穩定性很強,二氧化矽生成反應的曲線在氧化鈣的上部,但當反應溫度超過鈣的沸點時,其曲線發生明顯上折,使得反應溫度在2 908 ℃以上時,二氧化矽生成反應的曲線處在氧化鈣的下方,可見,只有在此溫度以上,矽鐵才能將氧化鈣還原
2 真空下矽還原氧化鈣的熱力學條件
上述熱力學計算是基於反應物處於標準狀態下來考慮的。在實際生產中,為了降低反應溫度和避免還原反應生成的金屬鈣被重新氧化,都是將還原過程在真空下進行。如不考慮造渣反應,僅就氧化鈣的還原反應來研究,在所研究的還原反應溫度下,由於氧化鈣與氧化矽為凝聚態,矽為液態,鈣為氣態,因而取αCaO 、αSiO2 、αSi等於1。
因此,使氧化鈣在工業生產中易於達到的0. 0133 kPa 真空度下進行還原,反應溫度只需要在1 700 ℃左右。這將有利於節約能耗,延長還原爐的使用壽命。
用矽鐵還原氧化鈣的起始還原溫度,隨著鈣蒸氣壓力下降,ΔG2 - T 曲線將隨PCa的減小而向左推移。PCa 分別為10. 133、1. 013、0. 1013、0. 0101、0. 001 kPa 時的起始還原溫度分別為2 430、2 077、1 806、1 590、1 415 ℃,說明PCa愈低,起始還原溫度也愈低。
主要原材料
鈣礦石:優質石灰石,要求含Na2O + K2O < 0. 50 ,MgO < 0. 50 。
矽鐵:工業級,含Si 75 %;
煙煤:發熱值25 080 J ;
氬氣:工業級。
工藝及設備流程
1) 鄂式破碎機:將礦石粗碎至- 100 mm。
2) 立窯: 自行砌築, 要求礦石煅燒後活度約30 %。採用迴轉窯最好。
3) 球磨機:將礦石、矽鐵和添加劑混磨至- 0. 1 mm。
4) 壓球機:成品球極限抗壓強度達到5～6 MPa 。
5) 還原爐:還原爐用電加熱至爐內溫度約1 700 ℃,要求爐膛內各部位溫度均勻,熱效率高。藉助真空機組使還原爐內真空度保持在10 Pa ,以得到緻密、光滑的結晶鈣。
6) 制粒機:真空重熔離心制粒,在氬氣保護下冷卻鈣粒。
7) 真空機組:由ZJ - 1200 羅茨泵和H - 150 滑閥式真空泵組成。預抽可採用水環真空泵,以避免粉塵。
技術經濟指標
根據技術指標核算可得到,1 t 金屬鈣的生產成本約為1. 6 萬元。目前市場價格為3 萬元左右,國際市場上倫敦到岸價為3 900 美元。
總結
通過理論計算導出了矽熱法冶鍊金屬鈣的熱力學參數,據此選擇了合適的冶煉工藝條件,並得到較好的技術指標。由於還原劑價廉易得,因而本工藝有較好的經濟效益和市場競爭力,是一種冶鍊金屬鈣的新工藝,目前正在建廠中。
