рефераты бесплатно
Рефераты бесплатно, курсовые, дипломы, научные работы, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, сочинения,рефераты литература, рефераты биология, рефераты медицина, рефераты право, большая бибилиотека рефератов, реферат бесплатно, рефераты авиация, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент и многое другое.
ENG
РУС
 
рефераты бесплатно
ВХОДрефераты бесплатно             Регистрация

Реферат: Получение технического кремния в электропечах  

Реферат: 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:

Получение технического кремния в электропечах,

(1)

где Получение технического кремния в электропечах – изменение свободной энергии (энергии Гиббса), T – равновесная температуре реакции, К.

Кремнезем (Получение технического кремния в электропечах) вносится в состав шихты в виде кварцита, содержащего не менее 98% Получение технического кремния в электропечах. 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, %

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

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 Получение технического кремния в электропечах – содержание влаги в рабочей массе, Получение технического кремния в электропечах- зола на сухую массу, Получение технического кремния в электропечах – 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: Получение технического кремния в электропечах. 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:

Получение технического кремния в электропечах

(2)

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

Получение технического кремния в электропечах

(3)

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

Получение технического кремния в электропечах

(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 Получение технического кремния в электропечах 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

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

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

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

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):

Получение технического кремния в электропечах

+

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Si +

Получение технического кремния в электропечах

60 24 28 56

Получение технического кремния в электропечах чистого Получение технического кремния в электропечах

Углерода Получение технического кремния в электропечах

Учитывая содержание Получение технического кремния в электропечах в кварците (таблицы 1) рассчитываем необходимое количество кварцита Получение технического кремния в электропечах

С учетом пылевыноса кварцита необходимо Получение технического кремния в электропечах

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: Получение технического кремния в электропечах

Подача углерода в печь в составе восстановителей Таблица 4
Материал Массовая доля углерода, % Потребуется
Нефтекокс 40

Получение технического кремния в электропечах

Древесный уголь 30

Получение технического кремния в электропечах

Каменный уголь 30

Получение технического кремния в электропечах

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

Получение технического кремния в электропечах

Древесный уголь

Получение технического кремния в электропечах

Каменный уголь

Получение технического кремния в электропечах

Итого восстановителей: 1375 кг

В состав шлака перейдут оксиды Получение технического кремния в электропечах (данные таблицы 1):

Переход оксидов в шлак из шихтовых компонентов Таблица 6

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Из кварцита -

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

-
Из нефтекокса

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

-
Из древ.угля

Получение технического кремния в электропечахПолучение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Из кам.угля

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

-
Сумма: 11кг 28.95кг 9кг 0.39кг

Сумма оксидов железа в виде Получение технического кремния в электропечах:

из кварцита: Получение технического кремния в электропечах

из золы нефтекокса: Получение технического кремния в электропечах

из золы древесного угля: Получение технического кремния в электропечах

из золы каменного угля: Получение технического кремния в электропечах

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

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

- - 0.39кг

Получение технического кремния в электропечах

Итого: 7.31кг 100%

Рассчитываем состав сплава

Состав полученного сплава Таблица 8
Элемент Масса, кг Состав, %

Получение технического кремния в электропечах

Получение технического кремния в электропечах

97%

Получение технического кремния в электропечах

11кг 1.1%

Получение технического кремния в электропечах

13кг 1.3%

Получение технического кремния в электропечах

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

Получение технического кремния в электропечах

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: Получение технического кремния в электропечах

Рассчитываем образование СО в реакции: Получение технического кремния в электропечах, Получение технического кремния в электропечах

Рассчитываем массу «летучих» компонентов, образующихся из компонентов шихты и выносимых вместе с газами:

Из нефтекокса: Получение технического кремния в электропечах

Из древесного угля: Получение технического кремния в электропечах

Из каменного угля: Получение технического кремния в электропечах

Итого «летучих»: 317.44кг

Рассчитываем содержание влаги в шихтовых материалах:

В кварцит: 0кг

В нефтекокс: Получение технического кремния в электропечах

В древесном угле: Получение технического кремния в электропечах

В каменном угле: Получение технического кремния в электропечах

Итого влага: 75.56кг

Полная масса газов составляет: Получение технического кремния в электропечах

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

Получение технического кремния в электропечах

6.8%

Потери с пылью (Получение технического кремния в электропечах)

Получение технического кремния в электропечах

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



© 2010.