煤在金屬硅的運用與發展

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它們的2個自旋子能帶結構幾乎是相同的，很少受V-Mn/Fe或V-V交換作用的影響，因而，它們對材料的磁性和半金屬性質基本沒有貢獻，我們忽略了這些能帶，只給出-6eV到3eV能區之間的能帶結構。分布在-4eV到-6eV之間的態密度主要來自Bi原子外層的p態電子，這些p態電子與這一能帶區間的少量過渡族元素的3d電子發生雜化作用而產生劈裂，因而我們在表1中看到Bi原子具有一定的磁性。分布在-3eV到3eV能區之間的能帶主要由V和Mn/Fe的3d態電子構成，V-V和V-Mn/Fe之間d電子的雜化作用非常強烈，使得這些能帶看上去比較彌散，表明d電子的局域性在合金中有所降低。化學級金屬硅的冶煉過程中，需要的原料主要是硅石，對于硅石的組成成分的基本要求是SiO2含量大致為99%，Fe2O3含量大約為0.15%，Al2O3含量大約為0.2%，CaO含量大約為0.1%，雜質的總和小于0.6%。還原劑主要采用的是含碳的木炭、木塊、石油焦及低灰分的煤炭。利用其中的碳進行還原反應。以100KG的SiO2為基準，其反應物質平衡結果如圖2所示。顯然，上圖所示的5個基本反應式并不可能完全涵蓋化學級金屬硅的冶煉全部過程，上述的所有反應過程是建立在如下的理念基礎之上的：（1）初始反應物僅限于SiO2和C；（2）過渡項完全限定為SiC及SiO；（3）反應產物完全限定為Si及CO；（4）雖然忽略了一部分的衍生反應，但是就終點反應的產物來看，省略的反應知識過程反應，其反應的基本結果也都包含在了上圖所示的5個反應式之中。

煤炭的揮發分高，孔隙度相對較大，而且還原性適中，價格與木炭相比要便宜接近一倍，煤隨爐料下沉緩慢，有利于爐口位置的還原劑中的水分和揮發分的充分排出，能夠有利于提高爐料的透氣性，使得爐料面燒結性較好，從而確保爐中的穩定反應。但是，煤含焦油較高，容易燒結，從而也可能降低反應效率。根據張并立（2001）的研究結果，在工業硅的冶煉之中，煤炭作為還原劑是可行的，但是選用煤炭的時候，要注意煤炭的物理性質，需要是無裂紋、無光澤、呈暗黑色，質地比較堅硬，棱角分明，煤炭無粘結，熱介過程無膠質體產生。其利用煤炭代替木炭作為還原劑用于撫順鋁廠5000KVA單相硅爐，經過技術改造能夠成功冶煉工業硅。而在冶煉化學級金屬硅方面，鄒學柏，彭達，梁躍云（2007）近年來開展了以煤代炭冶煉化學級金屬硅的試驗，在于木炭條件完全相等的情況下，實現了煤炭完全取代木炭冶煉化學劑金屬硅，而且在冶煉的過程中，爐況非常正常，產量也穩定，這說明，以煤代炭冶煉化學級金屬硅法是完全可行的，它為減少國家森林資源消耗、為企業節能降耗提高利潤提供了技術保障。將煤代替木炭應用于化學劑金屬硅，需要加強工藝控制，以確保煤炭與木炭之間的差異不會對化學級金屬硅的冶煉產生太多的負面影響。首先，要控制好煤炭的選擇。在上個世紀90年代后期，我國開始用精洗煤取代木炭作為還原劑生產工業硅并且取得了成功，到了本世紀逐漸推廣開來之后，我國開展完全用煤炭取代木炭作為還原劑生產金屬硅的嘗試。然而，現在我國的還原劑煙煤的灰分含量基本上都在3%以上，而在國外，煙煤的灰分含量則基本上可以控制在1%左右。為了控制灰分含量，而可以選擇化學方法對煙煤進行精選，從而得到氯化鐵含量低于0.1%的精煤，精煤比電阻很高，化學活性很好，反應能力也較強。其次，保證電極的穩定性。在煤炭代替木炭冶煉化學級金屬硅的反應過程中，電極底部一直在消耗，電極底端的位置也會逐步上升，離爐底也會越來越遠，電流如果供應不足，就會使得還原反應進行出現問題，無法保證金屬硅的純度。因此，為了保證電極的穩定，確保在煤炭代替木炭冶煉化學級金屬硅的反應過程能夠持續進行，要將電極穩定地較深地插入到爐料之中，從而使得反應能夠穩定進行，出現結塊的時候要及時的搗碎，改善爐料通氣性，確保反應的穩定性。再次，合理選用爐料疏松劑。由于煤炭冶煉容易燒結，爐料透氣性不如使用木炭，因此要合理的選擇使用爐料疏松劑，包括木屑、玉米芯、甘蔗渣等。疏松劑用的多了會造成爐料體積增大，容易刺火、塌料，如果用少了就難以改善通氣效果，造成冶煉效果不佳。因此，用量需要合理選擇。隨著我國將煤炭用于替代木炭冶煉化學級金屬硅的嘗試的不斷進行，對于何種物理參數的煤炭能夠產生更好的冶煉效果，也總結出了非常多的經驗。比如，對于煤的具體物理參數，有學者認為冶煉化學級金屬硅對于精煤的要求，有如下幾項：（1）揮發分＞25%~40%；（2）固定碳＞55%；（3）灰分＜5%，其中三氧化二鐵＜0.3%，三氧化二鋁＜0.7%，一氧化鈣＜0.4%；（4）粘結指數大于85。同時，對于在實際的冶煉過程中的工藝控制，也有了一定的進步，具體包括了對硅爐的參數選擇，包括了電極直徑、極心圓直徑、爐膛直徑及爐膛深度等等，除此之外，對于不同的用煤數量對應應該選擇的操作電阻也有了具體的參數。

我國當前關于煤炭應用于化學級金屬硅的冶煉工藝的研究已經有了長足的進步，并且已經能夠在實際生產中依靠煤炭取代木炭生產化學級金屬硅，如果技術過關、操作得當，產品質量不僅不受太大影響，而且爐況也相當容易控制。但是，我們也應該看到，這一工藝還有不少細節問題需要進一步的深入研究，包括如何控制煙煤的質量，如何更好地提高冶煉的穩定性，如何進一步優化和提高冶煉水平等等，這些問題都值得我們深入的思考。

本文作者：劉子賢楊明工作單位：安徽工業經濟職業技術學院