МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра металлургиитяжелых цветных металлов
Оценка проекта
члена комиссии
Получение техническогокремния 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.
2007Задание
1.
2.
Содержание
TOC o «1-3» h z u Задание. PAGEREF _Toc158535822 h 2
Содержание. PAGEREF _Toc158535823 h 3
Введение. PAGEREF _Toc158535824 h 4
I.Описаниепроцесса выплавки технического кремния. PAGEREF _Toc158535825 h 5
Свойствакремния. PAGEREF _Toc158535826 h 5
Шихтовыематериалы… PAGEREF _Toc158535827 h 5
Электротермическиеагрегаты в технологии кремния. PAGEREF _Toc158535828 h 8
Описаниепроцесса. PAGEREF _Toc158535829 h 9
II.Расчеты состава шихты иматериального баланса. PAGEREF _Toc158535830 h 10
Заданныеусловия. PAGEREF _Toc158535831 h 10
Расчетшихты на технический кремний. PAGEREF _Toc158535832 h 10
Заключение. PAGEREF _Toc158535833 h 17
Списокиспользуемой литературы… PAGEREF_Toc158535834 h 18
Приложение1. Эскиз электропечи типа РКО-25. PAGEREF _Toc158535835 h 19
Введение
В ходе работы будут произведены металлургические расчетыпроцесса получения технического кремния из шихтовых материалов с заданнымихарактеристиками (таблица 1). Доли используемых восстановителей, используемых впроцессе плавки приведены в таблице 4. Распределение компонентов в металл, вшлак, в газы заданы в таблицах 2 и 3. Принятая доля угара (окисления) углеродана колошнике равна 10%.
I.Описание процесса выплавки технического кремнияСвойства кремния
Кремний (z=14, атомная масса 28.0855) относится к IV группепериодической системы элементов Д.И.Менделеева. Атом кремния проявляет степеньокисления -4, +2 и +4. По распространенности в земной коре (27.6%) кремнийзанимает второе место после кислорода, встречается главным образом в видекислородных соединений (кварц, силикаты, алюмосиликаты, гидраты и.т.д.). Кремнийвысокой чистоты используется в полупроводниковой технике, а технической чистоты(96 – 99% Si) – в черной и цветной металлургии для получения сплавов нанежелезной основе (силумина, АК12М2МгН идр.), легирования (кремнистые стали и сплавы, применяемых в электрооборудовании)и раскисления стали и сплавов (удаления кислорода), производства силицидови.т.д.
Температура плавления кремния равна 1687К, кипения 3522К, атеплота плавления составляет 39.55 кДж/моль.Шихтовые материалы
Балансовая реакция, характеризующая процесс восстановлениякремния из кремнезема углеродом при получении кристаллического кремния, можетбыть 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. Кним предъявляются высокие требования по чистоте. Чем выше содержание твердогоуглерода и ниже содержание золы, тем выше качество восстановителя.
К основным типам восстановителей относятся:
1.
2.
3.
4.
Сводные данные о химическом составе минеральной частивосстановителей 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 врабочей массе, – содержание летучихкомпонентов.
Электротермические агрегатыв технологии кремния
Основным агрегатом для выплавки технического кремнияявляется дуговая рудотермическая одно-трехфазная электропечь мощностью от 8 до 25 МВА. Печьпредставляет собой круглый стальной кожух с днищем, футерованные огнеупорнойкладкой. Подина (днище) и часть высоты стен футеруются графитовыми блоками,следующий слой магнезитовым кирпичом и внешний слой – шамотом (пористый кирпичиз специальной огнеупорной глины).
Подача энергии в рабочее пространство печи осуществляется спомощью одного, двух или трех электродов, выполненных из графита. Самоспекающиесяэлектроды в технологии кремния не применяются по причине возможно загрязненияпродукта компонентами кожуха электрода и электродной массы (железо, кальций,алюминий).
Электрические параметры восстановительного процессаобеспечиваются с помощью печного трансформатора, соединенного с электродами высокоампернойкороткой сетью, в которой сила тока составляет 40-80 кА, при этом напряжениеэлектрод-ноль составляет 60-90В. По мере торцевого расхода электродов онипериодически удлиняются с помощью механизмов перепуска. Регулировка заданнойсилы тока в электроде осуществляется путем перещения электрода по вертикальнойоси. Для повышения тока электрод опускают, для понижения тока электродпонимают.
Выпуск кремния осуществляется через ледку (отверстие вфутеровке) практически непрерывно в стальную футерованную изложницу.
Завалка шихты на колошник производится через труботечки, вверхней части которых находятся приемные бункера шихты.
Схема электропечи РКО-25 представлена в приложении 1.
Описание процесса
В печи с шунтированной дугой происходит восстановлениекремния из кремнезема кварцита углеродом восстановителя. Теоретическаятемпература начала процесса по формуле 1: SiO) кремния. В свою очередь реакционная способностьюопределяется величиной удельной поверхности восстановителя, доступной дляпроникновения газа (SiO). Иными словами реакция идет наповерхности восстановителя. В начале с образованием карбида кремния:
(2)
По мере погружения шихты в зону дуги при температурах выше1750oCреализуется 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 иразлагается по реакции:
(4)
следствием чего является увеличениесодержания пыли в газах. Современные печи оборудуются системами сухойгазоочистки. Потери кремния с газами при нормальной работе печи не превышают3-5%.
Температура струи кремния на выпуске составляет 1600-1750oC.II.Расчеты состава шихты и материальногобалансаЗаданные условия
Состав шихты для производства технического кремниярассчитывают, исходя из следующих заданных условий: содержания в кварците; принимаемогоизбытка твердого углерода против теоретически необходимого; количества твердогоуглерода, вносимого угольными электродами; количества твердого углерода,вносимого каждым видом восстановителя; содержанием влаги, золы и летучихвеществ в углеродистых восстановителях. Для расчета шихты большое значениеимеет правильное количественное представление о распределении оксидов ивосстановленных химических элементов между товарным продуктом, шлаком и газовойфазой, которое принимается на основании экспериментальных данных.Расчет шихты на технический кремний
Исходные данные расчета представлены в таблицах: химическийсостав шихтовых материалов – таблица 1, распределение оксидов кварцита и золывосстановителей 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 оксидовкварцита, рассчитывается по количеству кислорода, которое связывается в монооксидуглерода при протекании восстановительных реакций (табл.4):
1.
+
Si
+
60
24
28
56
2. чистого
3.
4. в кварците (таблицы 1)рассчитываем необходимое количество кварцита
5.
6.
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
7.
Подача углерода в печь cучетом 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
9.
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
Массаоксида 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%
ГОСТомопределелены 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
b.
c.
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%
Заключение
В результате работы произведены расчеты процесса получениятехнического кремния, составлен материальный баланс, рассчитано, что врезультате плавки cиспользованием шихтовых материалов заданного состава будет получен техническийкремний марки Кр3.
Список используемой литературы
1.
2.
Приложение 1. Эскиз электропечи типа РКО-25
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.