Введение
Кремний - один из самых популярных элементов XXI века, который находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Например, кремний используется в качестве легирующей добавки в различных сплавах; для производства огнеупоров и абразивов; для производства кремнийорганических соединений; является основным материалом в электронике для транзисторов, выпрямителей тока (диодов), усилителей радиоволн (триодов), микропроцессоров (контроллеров) и интегральных схем для ЭВМ; используется в солнечной энергетике и микроэлектронике [1].
Карботермическое восстановление кремнезёма в рудно-термических печах
Процесс получения технического (металлургического) кремния (Siтех) методом карботермического восстановления кремнезёма углеродистым восстановителем (УВ) в рудно-термических печах (РТП) может быть описан общей реакцией:
SiO2 + 2C = Si + 2CO.
Основной же реакцией образования кремния следует считать реакцию взаимодействия монооксида кремния с карборундом:
SiС(т) + SiO(г) = 2Si(ж) + СО(г).
Получение Siтехн в РТП ведется непрерывным способом по технологической схеме (рис. 1).
Рис. 1. Технологическая схема получения кремния в рудно-термических печах на ЗАО «Кремний» (Иркутская обл., г. Шелехов).
Сырьем для получения кремния могут служить кварц, кварцит, кварцитовидные песчаники, гранулированный кварц и др. В качестве УВ используют каменный уголь различных производителей, нефтяной кокс, древесный уголь [2].
На крупнейшем в России заводе ЗАО «Кремний» (г. Шелехов) производство кремния металлургических марок осуществляется в трехфазных трехэлектродных открытых вращающихся печах мощностью 16,5 и 25 МВ•А, работающих на переменном токе, с температурой рабочей зоны ≈ 2200 °С. РТП оснащены угольными электродами отечественного производства. В качестве сырья используется кварцит Черемшанского месторождения (рудник является подразделением ЗАО).
Непосредственная оценка условий восстановления и выплавки кремния в РТП практически невозможна: это связано с высокими температурами процесса, сложностью физико-химических превращений. Поэтому для исследования изучения применяют методы моделирования.
В наших исследованиях с помощью программного комплекса (ПК) «Селектор» [3] была сформирована восьмирезервуарная термодинамическая (ТД) модель (рис. 2), которая наиболее полно имитирует процесс получения кремния в РТП. Данная модель позволяет описать процесс восстановления кремнезема в печи и распределение примесей по температурным зонам, химический состав фазовых превращений в РТП и их количественные характеристики [4].
1-й и 2-й резервуары имитируют колошниковое пространство РТП и имеют температуры, °С, соответственно: 400 и 1100. В эти резервуары поступают газопылевые выбросы, образующиеся в нижних зонах печи.
Шахта печи состоит из двух резервуаров. Верхний горизонт шахты РТП (3-й резервуар) – с температурой 1530 °С (температура появления SiC), нижний горизонт РТП (4-й резервуар) – с температурой 2200 °С. В 3-й резервуар осуществляется подача шихты. В 4-м резервуаре происходит максимальное извлечение и накопление кремния (как за счет протекания промежуточных реакций, так и за счет непосредственного образования технического кремния из его оксида в зоне горения вольтовой дуги).
5-й резервуар модели – тигель РТП (с температурой 2000 °С), где заканчивается протекание реакций в той шихте, которая проваливается из 3-го резервуара, не успев прореагировать. Также в данном резервуаре происходит накопление жидкого кремния.
6-й резервуар модели с температурой 1600 °С имитирует расплав кремния, поступающий в летку РТП.
Рис. 2. Схема модели и РТП с температурными зонами (резервуарами):
1 – газоход, 2 – подвесные щитки, 3 – труботечка, 4 – зонт, 5 – летка, 6 – электрод,7 – кожух, 8 – футеровка.
7-й резервуар модели имеет температуру 1470 °C и имитирует выпуск кремния из РТП с началом его кристаллизации.
8-й резервуар предназначен для сопоставления полученных данных моделирования по закристаллизованному кремнию (температура 25 °C).
В результате решения 8-резервуарной модели был получен расплав кремния следующего состава (рис. 3).
Рис. 3. Состав расплава кремния по модели (при t = 2000 ºC, 5-й резервуар).
На рисунке 4 показано накопления кремния в пятом и восьмом резервуаре, что говорит об адекватности модели, т.к в 5-м резервуаре идёт накопление жидкого кремния.
Рис. 4. Динамика распределения кремния по резервуарам в модели.
На рисунке 5 отображены результаты исследований образцов технического кремния металлографическим методом анализа [5].
а
б
Рис. 5. Виды примесных включений в образце технического кремния (металлографические исследования):
а – интерметаллиды; б – включение, содержащее железо и марганец.
Следовательно, данная физико-химическая восьмирезервуарная модель позволяет нам прогнозировать: извлечение кремния при любом химическом составе исходных сырьевых материалов (в частности, возможно проанализировать снижение потерь Si с отходящими газами); химический состав чернового кремния на выходе из печи; состав пылегазовых выбросов (что позволяет оценить влияние вредных выбросов на экологическую обстановку в регионе); количество образовавшегося шлака в печи, влияющее на простои РТП.
Нами также был разработана программа (на языке программирования С+) «Программа подготовки данных для ввода в физико-химические модели технологических процессов (версия 1)» по перерасчету исходных данных химического состава сырья (с учетом загрузочных коэффициентов шихты) для ввода в ТД (рис. 6), с помощью которой можно варьировать данные по химическому составу сырья, поступающего в процесс [6].
Рис. 6. Блок-схема компьютерной программы.
Заключение
Таким образом, методы моделирования позволяют выбрать оптимальную загрузку сырья, тем самым оценить возможность возникновения производственных рисков и предложить пути их минимизации (снижение расхода электроэнергии; уменьшение простоя печи; контроль отходящих газов по их количественному и химическому составам) при производстве металлургического кремния.
Рецензенты:
Зелинская Е.В., д.т.н., профессор кафедры «Обогащение полезных ископаемых и инженерной экологии», ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», г. Иркутск.
Белоусова Н.В., д.х.н., заведующая кафедрой «Металлургия цветных металлов» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.