Получение технического кремния в электропечах

Задание. PAGEREF _Toc158535822 h 2

Содержание. PAGEREF _Toc158535823 h 3

Введение. PAGEREF _Toc158535824 h 4

I.Описание процесса выплавки технического кремния. PAGEREF _Toc158535825 h 5

Свойства кремния. PAGEREF _Toc158535826 h 5

Шихтовые материалы.. PAGEREF _Toc158535827 h 5

Электротермические агрегаты в технологии кремния. PAGEREF _Toc158535828 h 8

Описание процесса. PAGEREF _Toc158535829 h 9

II.Расчеты состава шихты и материального баланса. PAGEREF _Toc158535830 h 10

Заданные условия. PAGEREF _Toc158535831 h 10

Расчет шихты на технический кремний. PAGEREF _Toc158535832 h 10

Заключение. PAGEREF _Toc158535833 h 17

Список используемой литературы.. PAGEREF _Toc158535834 h 18

Приложение 1. Эскиз электропечи типа РКО-25. PAGEREF _Toc158535835 h 19

Введение

I.Описание процесса выплавки технического кремния

II.Расчеты состава шихты и материального баланса

Заключение

Список используемой литературы

Приложение 1. Эскиз электропечи типа РКО-25

Свойства кремния

Шихтовые материалы

Электротермические агрегаты в технологии кремния

Описание процесса

Заданные условия

Расчет шихты на технический кремний


Примечание	от автора: УПИшники - пожалуйста не сдавайте эту работу как свою. Не компрометируйте меня и себя
	Загрузить архив:
	Файл: ref-25957.zip (73kb [zip], Скачиваний: 117) скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлургии тяжелых цветных металлов

Оценка проекта

члена комиссии

Получение технического кремния в электропечах

Курсовая работа

Пояснительная записка

080502 000000 0 ПЗ

Руководитель:

Кандидат технических наук, доцент

Спитченко В.С.

Нормо-контроллер:

Кандидат технических наук, доцент

Спитченко В.С.

Студент ЭУМет-2 ускоренная

Игнатьев А.В.

2018

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%.

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, АК12М2МгНи 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.

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 (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:

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, – содержание летучих компонентов.

Основным агрегатом для выплавки технического кремния является дуговая рудотермическая одно-трехфазнаяэлектропечь 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.

В печи с шунтированной дугой происходит восстановление кремния из кремнезема кварцита углеродом восстановителя. Теоретическая температура начала процесса по формуле 1: 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 1750^oC реализуется лимитирующая (определяющая скорость процесса) стадия реакции:

(3)

с образованием целевого продукта – кремния. Попутно с кремнием образуется шлак, в котором концентрируются и , 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 1600-1750^oC.

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.

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, %:

Количество углерода, необходимое для восстановления оксидов кварцита, рассчитывается по количеству кислорода, которое связывается в монооксид углерода при протекании восстановительных реакций (табл.4):

	+			Si	+
60		24		28		56

2.чистого

4.в кварците (таблицы 1) рассчитываем необходимое количество кварцита

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

Подача углерода в печь c учетом угара на колошнике	Таблица 5
Материал	Потребуется
Нефтекокс
Древесный уголь
Каменный уголь
Итого восстановителей:	1375 кг

8.(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

a.из кварцита:

b.из золы нефтекокса:

c.из золы древесного угля:

d.из золы каменного угля:

Итого: 15.84кг

10.

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%

11.

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.

12.

13.

14.

a.Из нефтекокса:

b.Из древесного угля:

c.Из каменного угля:

d.Итого «летучих»: 317.44кг

15.

a.В кварцит: 0кг

d.В каменном угле:

Итого влага: 75.56кг

16.

17.

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%

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.

Распределение восстановленых элементов, %

Переходит в сплав

Улетучивается