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
Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа