Как ни желательно применение кварца для производства ферросилиция, но в большинстве случаев приходится применять более доступные кремнеземистые ископаемые из наиболее близко расположенных месторождений. Ферросилициевые печи Челябинского завода тотчас же после пуска (1931 г.) работали на жильном кварце. Но так как кварца добывалось мало и он обходился дорого, вскоре перешли на использование более дешевого кварцита горы Татарки (Златоуст).

Кварцит, вслед за кварцем, является наиболее употребительным и подходящим сырьем с достаточно высоким содержащем кремнезема. Используют также халцедон и даже песчаник, хотя последний дает много мелочи в процессе дробления и транспортировки, а также на колошнике печи. Ранее употреблялись даже пески, содержащие более 98% кремнезема [39]. Употребление богатых песков может оказаться выгодным в случае брикетирования шихты. Для производства ферросилиция предлагалось использовать минерал «шунгит» и другие.

Анализы сырья некоторых месторождений, используемого ферросплавной промышленностью, приведены в табл. 18.

Таблица 18 

Состав кремнеземистого сырья, применяемого для производства ферросилиция

Как видно из таблицы, содержание кремнезема и примесей в минеральном сырье различных месторождений значительно колеблется. Кроме указанных в табл. 18, иногда содержатся и другие примеси: бакальский кварцит содержит окись бария (0,5%), чугунашский – углеродистые включения и т. д Поэтому каждая разновидность кремнеземистого сырья при восстановительной плавке ведет себя различно. В табл. 19 приведены показатели выплавки 45%-ного ферросилиция на кварцитах различных месторождений в одной и той же печи.

Таблица 19 

Показатели работы ферросилициевой печи при выплавке Си 45 на кварцитах разных месторождений

Кампания печи	Месторождение кварцитов	Удельный расход электроэнергии на базовую тонну, квт-ч	Количество шлака кг/т
1 – 15 марта 1944	Чугунашское	5560	–
16 – 31 марта 1944	Антоновское	4830	–
Август 1955	Бакальское	5020	41,1
Август 1955	Первоуральское	4977	29,2

В приведенной таблице «базовая» тонна равна для 45%-ного ферросилиция 450 кг кремния (для 75%-ного – 750 кг кремния и т.д.).

Из табл. 19 следует, что более низкое содержание SiO2 в чугунашском кварците по сравнению с антоновским вызвало увеличение расхода электроэнергии на 14%; повышение расхода электроэнергии связано с восстановлением окислов железа, содержащихся в чугунашском кварците в большом количестве, и нагревом шлака до температуры выпуска.

Действительно, если считать основными шлакообразующими примесями глинозем, известь и магнезию и принять, что в шлаках образуются силикаты – Al₂O₃ • SiO₂ (силиманит), CaO • SiO₂ (волластонит) и MgO • SiO₂ (клиноэнстатит) – количество шлака, образуемого примесями кварцита, в случае замены антоновского кварцита чугунашским, должно возрасти на 66%. При сравнении плавок на кварците Бакальского и Первоуральском месторождений видно, что в этом случае повышение удельного расхода электроэнергии невелико (1%) и может быть объяснено более высоким содержанием в бакальском кварците глинозема.

По данным работы [16] при выплавке ферросилиция используют кварц или кварцит, содержащий свыше 95% SiO₂, и даже железистые кварциты, содержащие около 15% железа и марганца в виде окислов или карбонатов, но чистые от других примесей. При этом повышается удельный расход электроэнергии из-за восстановления окислов железа.

Существенное значение имеют физические свойства кремнеземистого сырья – механическая прочность и влияющее на нее водопоглощение. Например, тарасовский песчаник обладает водопоглощением до 6%. Учитывая неизбжное сильное растрескивание песчаника на колошнике, его употребляют в кусках более крупного размера (не менее 40 мм), чем куски одновременно используемого плотного кварцита (не менее 25 мм). Технические условия на кремнеземистое сырье для производства ферросплавов приведены в табл. 20.

Таблица 20 

Технические условия на кварциты для производства ферросплавов

Содержание фосфора в указанном сырье не превышает 0,009% (или 0,02% Р₂O₅). Технические условия на кварциты не вполне удовлетворяют требованиям ферросплавной промышленности. При получении 75%-ного ферросилиция на Урале целесообразно заменять бакальский кварцит первоуральским.

Минеральное сырье для производства 75- и 80%-ного ферросилиция должно содержать не менее 98% SiO₂, а для производства 45%-ного – не менее 97% SiO₂. Но и в этом случае кратность шлака на высококремнистом сплаве будет несколько больше.

На всех отечественных ферросплавных заводах в настоящее время кварцит подвергают грохочению до или после дробления. Уже в 1935 г. Запорожский ферросплавный завод отсевал после дробления на конусной дробилке в виде мелочи до 20% получаемого кварцита. На Челябинском ферросплавном заводе отсев мелочи ниже 15 мм был введен в годы Великой отечественной войны, что обеспечило снижение удельных расходов электроэнергии при производстве 45%-ного ферросилиция на 8,6% На одном из заводов организована мойка кварцита в моечном барабане, что позволяет удалять 60 – 70% глинистой примазки и снижать содержание глинозема до 0,5 – 0,6%; при этом содержание кремнезема повышается на 1,5%. В зимнее время кварцит моют горячей водой, В зависимости от условий добычи и промывки овручский кварцит имеет следующий состав (табл. 21):

Таблица 21 

Состав овручского кварцита в зависимости от условий добычи и промывки [84]

Содержание глинозема в овручском кварците после промывки снижается в полтора раза. Отмытая примазка представляет собой пирофиллит [Al₂(ОН)₂Si₄O₁₀]. Чем тоньше примазка, тем меньше в ней зерен кварца и больше пирофиллита, тем труднее пирофиллит отделяется от кусков кварцита.

Оптимальные для восстановительной плавки размеры кусков кварцита (или других разновидностей минерального кремнезема) до сих пор не определены. Типовая технологическая инструкция устанавливает для ферросилиция и силикохрома всех марок весьма широкие пределы размеров кусков кварцита – от 25 до 120 мм. Практически же эти пределы еще шире, особенно если мелочь после дробления не отсевают и дробят на щековой дробилке.

На одной из печей Челябинского завода ферросплавов при выплавке 75%-ного ферросилиция кварцит рассевали на три фракции: меньше 50, 50 – 100 и более 100 мм. В течение одиннадцати смен, в которых работали на кварците, состоявшем более чем на 15% из кусков размером менее 50 мм, расход, электроэнергии составил 8550 квт-ч/т; десять смен, в которых, работали на кварците, содержавшем более 61% средней фракции (50 – 100 мм), расходовали 8380 квт-ч/т, наконец, в течение II смен, в которых потребляли кварцит, содержащий более 24% кусков размером более 100 мм, расход электроэнергии составил 8960 квт-ч/т. Из этого опыта можно сделать вывод о необходимости сужения пределов размеров кусков кварцита.

Можно полагать, что увеличение размеров кусков кварцита приводит к значительному увеличению удельного расхода электроэнергии. Влияние размеров кусков сырья на ход восстановительного процесса при получении ферросилиция установили А.С. Микулинский и Ф.С. Марон [50].

Шихта, рассчитанная на получение 75%-ного ферросилиция, быстрее всего при всех температурах (1700, 1800 и 1900°) убывала в весе в том случае, если она была измельчена до 0,46 – 0,6 мм и сбрикетирована. В 2 раза медленнее реагировала шихта, состоящая из кусков размером 2,0 – 3,0 мм. Шихта из кусков размером 12,5 – 14,5 мм при 1800° прореагировала лишь на 14%, в сплаве получено всего 9,8% Si. В шихтах, рассчитанных на получение 45%-ного ферросилиция, быстрее всего протекала реакция между кусками размером 0,45 – 0,6 мм и медленнее – между кусками размером 2,0 – 2,5 мм.

В указанной работе определяли скорость реакции в шихтах, рассчитанных на получение 22%-ного ферросилиция. При всех температурах (1445, 1700 и 1800°) быстрее шла реакция между кусками размером 0,46 – 0,6 мм и почти вдвое медленнее между кусками размером 2,0 – 3,0 мм.

А.С. Микулинский и Ф.С. Марон предложили использовать, коэффициент размерности кусков

где V₁ и V₂ – скорости реакции;

D₁ и D₂ – соответствующие скоростям размеры («диаметры») кусков.

Значение этого коэффициента для шихт, рассчитанных на получение 75%-ного ферросилиция, получено следующим образом: при 1800° куски размером 0,53 мм реагировали за 40 мин. на 40%. т.е. V₁ = 1%/мин.; куски в 2,0 – 3,0 мм реагируют при отсюда

Примерно такой же коэффициент получился для 45%-ного (при 1700°) и для 22%-ного ферросилиция.

Следовательно, скорость реакции обратно пропорциональна линейному размеру частиц (кусков) реагентов. По мнению авторов, это является следствием того, что скорость реакции должна быть обратно пропорциональна объему частиц и пропорциональна поверхности частиц.

В 1954 г. в цехе № 2 Челябинского завода ферросплавов при выплавке 45%-ного ферросилиция в шихту вводили кварцит, состоявший в основном из кусков размером 17 – 50 мм. При механизированной загрузке шихты такой размер кварцита заметно уменьшил расслоение шихтовых материалов на колошнике и позволил улучшить технико-экономические показатели плавки. Если в 1953 г. удельный расход энергии на печи, плавившей 45%-ный ферросилиций на рядовом кварците, был 5393 квт-ч/т, то в 1956 г. на мелком кварците он составил 4842 квт-ч/т, т.е. на 10% меньше. Применение мелкого кварцита при выплавке 75%-ного ферросилиция не дало заметных результатов.

Завод Мариетта в США применяет кварцит размером менее 50 мм [85].

По сообщению В.Ф. Волкова, на фушуньском заводе [93] были достигнуты хорошие показатели при выплавке 75%-ного ферросилиция в результате тщательной подготовки шихты применяли богатый кварцит, содержащий 99% SiO₂, в кусках размером 30 – 50 мм. В 1958 г. на Кузнецком ферросплавном заводе при выплавке ферросилиция марки Си 18 в шихту ввели 50% кварцита в кусках размером 7 – 20 мм. Это снизило себестоимость готовой продукции, несмотря на повышение удельного расхода электроэнергии на 1,5%.

Во всех районах размещения действующих, строящихся и проектируемых заводов и цехов для производства кремнисты ферросплавов необходимо производить геологические изыскания с целью обеспечения производства 75%-ного ферросилиция сырьем с содержанием не ниже 98% SiO₂. При этом горные предприятия обязаны организовать дробление, грохочение и мойку ископаемого сырья, чтобы улучшить качество кварцита и не загружать транспорт перевозкой мелочи и посторонних примесей.

Технические условия на кварцит должны быть соответственно пересмотрены. Кроме основной фракции кварцита, должны быть установлены допускаемые содержания мелочи ниже 25 мм и крупных кусков более 120 мм. Шихтовое хозяйство ферросплавных заводов должно быть обеспечено грохотами с ячейкой в 50 мм. Кварцит в кусках размером 25 – 55 мм целесообразно использовать при получении 45%-ного ферросилиция, а кварцит размером 55 – 120 мм – при выплавке 75%-ного ферросилиция. Использование в шихте кварцита в кусках одного размера улучшает газопроницаемость колошника. Кроме того, при работе с завалочными машинами бросающего типа нельзя применять кварцит в кусках размером >90 мм.

Мелкая фракция (ниже 40 – 50 мм) может оказаться непригодной при использовании тарасовских песчаников с высоким водопоглощением. В аджаметском халцедоне присутствие опала также обусловливает наличие до 4% гидратной воды [86]. При нагревании такого халцедона в интервале 450 – 800° в результате дегидратации появляется микроскопическая сетка трещин, приводящая к остаточному росту. Аналогичные явления свойственны и анжеро-судженской породе кварцитов, представляющей собой кварцево-халцедоновый роговик. Необходимо изыскивать сырье с минимальным водопоглощением (до 1%), без гидратов.