煤在金屬硅的運(yùn)用與發(fā)展

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它們的2個(gè)自旋子能帶結(jié)構(gòu)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(duì)材料的磁性和半金屬性質(zhì)基本沒(méi)有貢獻(xiàn)，我們忽略了這些能帶，只給出-6eV到3eV能區(qū)之間的能帶結(jié)構(gòu)。分布在-4eV到-6eV之間的態(tài)密度主要來(lái)自Bi原子外層的p態(tài)電子，這些p態(tài)電子與這一能帶區(qū)間的少量過(guò)渡族元素的3d電子發(fā)生雜化作用而產(chǎn)生劈裂，因而我們?cè)诒?中看到Bi原子具有一定的磁性。分布在-3eV到3eV能區(qū)之間的能帶主要由V和Mn/Fe的3d態(tài)電子構(gòu)成，V-V和V-Mn/Fe之間d電子的雜化作用非常強(qiáng)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?；瘜W(xué)級(jí)金屬硅的冶煉過(guò)程中，需要的原料主要是硅石，對(duì)于硅石的組成成分的基本要求是SiO2含量大致為99%，F(xiàn)e2O3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(zhì)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(jìn)行還原反應(yīng)。以100KG的SiO2為基準(zhǔn)，其反應(yīng)物質(zhì)平衡結(jié)果如圖2所示。顯然，上圖所示的5個(gè)基本反應(yīng)式并不可能完全涵蓋化學(xué)級(jí)金屬硅的冶煉全部過(guò)程，上述的所有反應(yīng)過(guò)程是建立在如下的理念基礎(chǔ)之上的：（1）初始反應(yīng)物僅限于SiO2和C；（2）過(guò)渡項(xiàng)完全限定為SiC及SiO；（3）反應(yīng)產(chǎn)物完全限定為Si及CO；（4）雖然忽略了一部分的衍生反應(yīng)，但是就終點(diǎn)反應(yīng)的產(chǎn)物來(lái)看，省略的反應(yīng)知識(shí)過(guò)程反應(yīng)，其反應(yīng)的基本結(jié)果也都包含在了上圖所示的5個(gè)反應(yīng)式之中。

煤炭的揮發(fā)分高，孔隙度相對(duì)較大，而且還原性適中，價(jià)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(fā)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(jié)性較好，從而確保爐中的穩(wěn)定反應(yīng)。但是，煤含焦油較高，容易燒結(jié)，從而也可能降低反應(yīng)效率。根據(jù)張并立（2001）的研究結(jié)果，在工業(yè)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(shí)候，要注意煤炭的物理性質(zhì)，需要是無(wú)裂紋、無(wú)光澤、呈暗黑色，質(zhì)地比較堅(jiān)硬，棱角分明，煤炭無(wú)粘結(jié)，熱介過(guò)程無(wú)膠質(zhì)體產(chǎn)生。其利用煤炭代替木炭作為還原劑用于撫順?shù)X廠5000KVA單相硅爐，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造能夠成功冶煉工業(yè)硅。而在冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅方面，鄒學(xué)柏，彭達(dá)，梁躍云（2007）近年來(lái)開(kāi)展了以煤代炭冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅的試驗(yàn)，在于木炭條件完全相等的情況下，實(shí)現(xiàn)了煤炭完全取代木炭冶煉化學(xué)劑金屬硅，而且在冶煉的過(guò)程中，爐況非常正常，產(chǎn)量也穩(wěn)定，這說(shuō)明，以煤代炭冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅法是完全可行的，它為減少國(guó)家森林資源消耗、為企業(yè)節(jié)能降耗提高利潤(rùn)提供了技術(shù)保障。將煤代替木炭應(yīng)用于化學(xué)劑金屬硅，需要加強(qiáng)工藝控制，以確保煤炭與木炭之間的差異不會(huì)對(duì)化學(xué)級(jí)金屬硅的冶煉產(chǎn)生太多的負(fù)面影響。首先，要控制好煤炭的選擇。在上個(gè)世紀(jì)90年代后期，我國(guó)開(kāi)始用精洗煤取代木炭作為還原劑生產(chǎn)工業(yè)硅并且取得了成功，到了本世紀(jì)逐漸推廣開(kāi)來(lái)之后，我國(guó)開(kāi)展完全用煤炭取代木炭作為還原劑生產(chǎn)金屬硅的嘗試。然而，現(xiàn)在我國(guó)的還原劑煙煤的灰分含量基本上都在3%以上，而在國(guó)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(xué)方法對(duì)煙煤進(jìn)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(xué)活性很好，反應(yīng)能力也較強(qiáng)。其次，保證電極的穩(wěn)定性。在煤炭代替木炭冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅的反應(yīng)過(guò)程中，電極底部一直在消耗，電極底端的位置也會(huì)逐步上升，離爐底也會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，電流如果供應(yīng)不足，就會(huì)使得還原反應(yīng)進(jìn)行出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法保證金屬硅的純度。因此，為了保證電極的穩(wěn)定，確保在煤炭代替木炭冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅的反應(yīng)過(guò)程能夠持續(xù)進(jìn)行，要將電極穩(wěn)定地較深地插入到爐料之中，從而使得反應(yīng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行，出現(xiàn)結(jié)塊的時(shí)候要及時(shí)的搗碎，改善爐料通氣性，確保反應(yīng)的穩(wěn)定性。再次，合理選用爐料疏松劑。由于煤炭冶煉容易燒結(jié)，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(huì)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(guó)將煤炭用于替代木炭冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅的嘗試的不斷進(jìn)行，對(duì)于何種物理參數(shù)的煤炭能夠產(chǎn)生更好的冶煉效果，也總結(jié)出了非常多的經(jīng)驗(yàn)。比如，對(duì)于煤的具體物理參數(shù)，有學(xué)者認(rèn)為冶煉化學(xué)級(jí)金屬硅對(duì)于精煤的要求，有如下幾項(xiàng)：（1）揮發(fā)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(jié)指數(shù)大于85。同時(shí)，對(duì)于在實(shí)際的冶煉過(guò)程中的工藝控制，也有了一定的進(jìn)步，具體包括了對(duì)硅爐的參數(shù)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(duì)于不同的用煤數(shù)量對(duì)應(yīng)應(yīng)該選擇的操作電阻也有了具體的參數(shù)。

我國(guó)當(dāng)前關(guān)于煤炭應(yīng)用于化學(xué)級(jí)金屬硅的冶煉工藝的研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且已經(jīng)能夠在實(shí)際生產(chǎn)中依靠煤炭取代木炭生產(chǎn)化學(xué)級(jí)金屬硅，如果技術(shù)過(guò)關(guān)、操作得當(dāng)，產(chǎn)品質(zhì)量不僅不受太大影響，而且爐況也相當(dāng)容易控制。但是，我們也應(yīng)該看到，這一工藝還有不少細(xì)節(jié)問(wèn)題需要進(jìn)一步的深入研究，包括如何控制煙煤的質(zhì)量，如何更好地提高冶煉的穩(wěn)定性，如何進(jìn)一步優(yōu)化和提高冶煉水平等等，這些問(wèn)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(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院