Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах
Курсовая работа
Студент ЭУМет-2 Игнатьев А.В.
Уральский государственный технический университет
2007
Введение
В ходе работы будут произведены металлургические расчеты процесса получения технического кремния из шихтовых материалов с заданными характеристиками (таблица 1). Доли используемых восстановителей, используемых в процессе плавки приведены в таблице 4. Распределение компонентов в металл, в шлак, в газы заданы в таблицах 2 и 3. Принятая доля угара (окисления) углерода на колошнике равна 10%.
I. Описание процесса выплавки технического кремния
Свойства кремния
Кремний (z=14, атомная масса 28.0855) относится к IV группе периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Атом кремния проявляет степень окисления -4, +2 и +4. По распространенности в земной коре (27.6%) кремний занимает второе место после кислорода, встречается главным образом в виде кислородных соединений (кварц, силикаты, алюмосиликаты, гидраты и.т.д.). Кремний высокой чистоты используется в полупроводниковой технике, а технической чистоты (96 – 99% Si) – в черной и цветной металлургии для получения сплавов на нежелезной основе (силумина, АК12М2МгН и др.), легирования (кремнистые стали и сплавы, применяемых в электрооборудовании) и раскисления стали и сплавов (удаления кислорода), производства силицидов и.т.д.
Температура плавления кремния равна 1687К, кипения 3522К, а теплота плавления составляет 39.55 кДж/моль.
Шихтовые материалы
Балансовая реакция, характеризующая процесс восстановления кремния из кремнезема углеродом при получении кристаллического кремния, может быть представлена в следующем виде

,
(1)

где – изменение свободной энергии (энергии Гиббса), T – равновесная температуре реакции, К.
Кремнезем () вносится в состав шихты в виде кварцита, содержащего не менее 98% . Кварциты и кварцы и широко распространены в природе [1, табл. 7.6 стр. 219].
Углерод вносится в составе углеродистых восстановителей. К ним предъявляются высокие требования по чистоте. Чем выше содержание твердого углерода и ниже содержание золы, тем выше качество восстановителя.
К основным типам восстановителей относятся
Древесный уголь (берёзовый, сосновый). Содержит на сухую массу (обезвоженный) до 80% процентов твердого углерода, не более 4% золы и «летучее» остальное.
Нефтекокс. Твердый остаток пиролиза нефти, содержащий до 96% твердого углерода, не более 0.6% золы, остальное «летучее».
Каменный уголь (начал применяться в последние годы на сибирских заводах производства технического кремния – цеха Братского, Шелеховского алюминиевых комбинатов [1]). Уголь отличается относительно высокой зольностью (до 6%) и высоким содержанием летучих веществ (до 40%). Такие угли называют «длиннопламенными» или «газовыми». Они обладают высокой реакционной способностью и значительным удельным электросопротивлением.
Древесная щепа. Используется в шихтах, содержащих до 40% газовых углей (для увеличения газопроницаемости печи).
Сводные данные о химическом составе минеральной части восстановителей представлены в таблице 1.

Химический состав шихтовых материалов
Таблица 1

Шихтовой материал
Химический состав кварцита и минеральной части восстановителей, %

Кварцит
98,3
0,5
0,2
0,9
—
—
—
—
—
—

Древесный уголь
17,3
1,5
57,0
4,4
6,3
—
70
9,5
1,5
19

Нефтяной кокс
55,0
11,2
17,0
3,6
6,0
—
85
3,0
0,5
11,5

Каменный уголь
40,9
15,9
1,8
32,3
0,44
—
55
4,5
4,22
36,3

Древесная щепа
17,3
1,5
57,0
4,4
6,3
—
10
36,9
1,7
54,1

где – содержание влаги в рабочей массе, — зола на сухую массу, – содержание летучих компонентов.
Электротермические агрегаты в технологии кремния
Основным агрегатом для выплавки технического кремния является дуговая рудотермическая одно-трехфазная электропечь мощностью от 8 до 25 МВА. Печь представляет собой круглый стальной кожух с днищем, футерованные огнеупорной кладкой. Подина (днище) и часть высоты стен футеруются графитовыми блоками, следующий слой магнезитовым кирпичом и внешний слой – шамотом (пористый кирпич из специальной огнеупорной глины).
Подача энергии в рабочее пространство печи осуществляется с помощью одного, двух или трех электродов, выполненных из графита. Самоспекающиеся электроды в технологии кремния не применяются по причине возможно загрязнения продукта компонентами кожуха электрода и электродной массы (железо, кальций, алюминий).
Электрические параметры восстановительного процесса обеспечиваются с помощью печного трансформатора, соединенного с электродами высокоамперной короткой сетью, в которой сила тока составляет 40-80 кА, при этом напряжение электрод-ноль составляет 60-90В. По мере торцевого расхода электродов они периодически удлиняются с помощью механизмов перепуска. Регулировка заданной силы тока в электроде осуществляется путем перещения электрода по вертикальной оси. Для повышения тока электрод опускают, для понижения тока электрод понимают.
Выпуск кремния осуществляется через ледку (отверстие в футеровке) практически непрерывно в стальную футерованную изложницу.
Завалка шихты на колошник производится через труботечки, в верхней части которых находятся приемные бункера шихты.
Схема электропечи РКО-25 представлена в приложении 1.
Описание процесса
В печи с шунтированной дугой происходит восстановление кремния из кремнезема кварцита углеродом восстановителя. Теоретическая температура начала процесса по формуле 1 . Степень извлечения кремния определяется главным образом реакционной способностью восстановителей по отношению к моноокиси (SiO) кремния. В свою очередь реакционная способностью определяется величиной удельной поверхности восстановителя, доступной для проникновения газа (SiO). Иными словами реакция идет на поверхности восстановителя. В начале с образованием карбида кремния

(2)

По мере погружения шихты в зону дуги при температурах выше 1750oC реализуется лимитирующая (определяющая скорость процесса) стадия реакции

(3)

с образованием целевого продукта – кремния. Попутно с кремнием образуется шлак, в котором концентрируются , , и . Кратность шлака (отношения массы шлака к массе металла) составляет 3-5%. Часть кремния в виде моноокиси () теряется вместе с отходящими газами, состоящими в основном из , и . В газах над колошником конденсируется и разлагается по реакции

(4)

следствием чего является увеличение содержания пыли в газах. Современные печи оборудуются системами сухой газоочистки. Потери кремния с газами при нормальной работе печи не превышают 3-5%.
Температура струи кремния на выпуске составляет 1600-1750oC.
II. Расчеты состава шихты и материального баланса
Заданные условия
Состав шихты для производства технического кремния рассчитывают, исходя из следующих заданных условий содержания в кварците; принимаемого избытка твердого углерода против теоретически необходимого; количества твердого углерода, вносимого угольными электродами; количества твердого углерода, вносимого каждым видом восстановителя; содержанием влаги, золы и летучих веществ в углеродистых восстановителях. Для расчета шихты большое значение имеет правильное количественное представление о распределении оксидов и восстановленных химических элементов между товарным продуктом, шлаком и газовой фазой, которое принимается на основании экспериментальных данных.
Расчет шихты на технический кремний
Исходные данные расчета представлены в таблицах химический состав шихтовых материалов – таблица 1, распределение оксидов кварцита и золы восстановителей между готовым продуктом и шлаковой фазой – таблица 2.

Распределение оксидов между продуктами плавки, %
Таблица 2

Оксид

Восстанавливается и переходит в металл
98
100
40
50
—
100

Переходит в шлак
2
—
60
50
100
—

Примем следующее распределение восстановленных элементов, %

Распределение восстановленых элементов, %
Таблица 3

Элемент

Переходит в сплав
96
95
85
85
100

Улетучивается
4
5
15
15
—

Количество углерода, необходимое для восстановления оксидов кварцита, рассчитывается по количеству кислорода, которое связывается в монооксид углерода при протекании восстановительных реакций (табл.4)
Для производства 1т технического кремния потребуется пропорционально реакции (исходя из стехиометрии реакции и молекулярных масс веществ)

+

Si
+

60

24

28

56

чистого
Углерода
Учитывая содержание в кварците (таблицы 1) рассчитываем необходимое количество кварцита
С учетом пылевыноса кварцита необходимо
Принимаем, что восстановитель (углерод) будет подаваться в печь в составе шихты в соответствии с пропорцией, указанной в таблице 4 (столбцы материал и массовая доля углерода). Тогда мы можем рассчитыть массу материала по формуле

Подача углерода в печь в составе восстановителей
Таблица 4

Материал
Массовая доля углерода, %
Потребуется

Нефтекокс
40

Древесный уголь
30

Каменный уголь
30

Итого
100
1237

С учетом угара (окисления на колошнике 10%) потребуется восстановителей

Подача углерода в печь c учетом угара на колошнике
Таблица 5

Материал
Потребуется

Нефтекокс

Древесный уголь

Каменный уголь

Итого восстановителей
1375 кг

В состав шлака перейдут оксиды (данные таблицы 1)

Переход оксидов в шлак из шихтовых компонентов
Таблица 6

Из кварцита
—

—

Из нефтекокса

—

Из древ.угля

Из кам.угля

—

Сумма
11кг
28.95кг
9кг
0.39кг

Сумма оксидов железа в виде
из кварцита
из золы нефтекокса
из золы древесного угля
из золы каменного угля
Итого 15.84кг
Рассчитаем распределение компонентов из оксидов и восстановленного кремния в сплав и шлак (на основании данных таблицы 3)

Распределение в сплав и в шлак
Таблица 7

Сплав
Шлак

Масса оксида, металл из которого перешел в сплав
Масса металла в составе сплава, перешедшая из оксида
Масса оксида в шлаке
Доля оксида в шлаке

—
—
0.39кг

Итого

7.31кг
100%

Рассчитываем состав сплава

Состав полученного сплава
Таблица 8

Элемент
Масса, кг
Состав, %

97%

11кг
1.1%

13кг
1.3%

5.46кг
0.55%

Итого
994.46
100%

ГОСТом определелены следующие марки технического кремния

Марки технического кремния
Таблица 9

Марка кремния
Содержание кремния, % не менее
Содержание примесей, % не более

Fe
Al
Ca

Кр00
99.0
0.4
0.3
0.3
1.0

Кр0
98.8
0.5
0.4
0.4
1.2

Кр1
98.0
0.7
0.7
0.6
2.0

Кр2
97.0
1.0
1.2
0.8
3.0

Кр3
96.0
1.5
1.5
1.0
4.0

Таким образом, получившийся продукт соответствует марке Кр3.
Рассчитываем кратность шлака
Рассчитываем образование СО в реакции ,
Рассчитываем массу «летучих» компонентов, образующихся из компонентов шихты и выносимых вместе с газами
Из нефтекокса
Из древесного угля
Из каменного угля
Итого «летучих» 317.44кг
Рассчитываем содержание влаги в шихтовых материалах
В кварцит 0кг
В нефтекокс
В древесном угле
В каменном угле
Итого влага 75.56кг
Полная масса газов составляет
Составляем материальный баланс в расчете на 1т готового сплава

Материальный баланс
Таблица 10

Задано
Получено

Кварцит
2400кг
63.58%
Тех.кремний (сплав)
994.46кг
26.34%

Нефтекокс
448кг
11.87%
Шлак
7.31кг
0.19%

Древесный уголь
408кг
10.8%
Газы
2393кг
63.4%

Каменный уголь
519кг
13.75

Мех. вынос

6.8%

Потери с пылью ()

1.27%

Неувязка
75.23кг
2%

Итого
3775кг
100%
Итого
3775кг
100%

Заключение
В результате работы произведены расчеты процесса получения технического кремния, составлен материальный баланс, рассчитано, что в результате плавки c использованием шихтовых материалов заданного состава будет получен технический кремний марки Кр3.
Список литературы
Черных А.Е., Зельберг Б.И. Производство кремния, изд. «МАНЭБ», Иркутск, 2004
Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. Учебник для вузов. СП «Интермет Инжиниринг», Москва, 1999