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):
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
|