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:

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.

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:

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

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:

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.

Примем следующее распределение восстановленных элементов, %:

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):

 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:

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