Построение физико-химической модели получения кремния

Министерство образования и науки Российской Федерации ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра металлургии цветных металлов

Курсовая работа

по дисциплине «Физико-химия кремния»

«Построение физико-химической модели получения кремния»

Выполнила студентка группы МЦб-12−1

Бубникович А.С.

Руководитель С. С. Бельский Иркутск 2014

Таблица 1

Химический состав золы каменного угля

Таблица 2

Химический состав золы нефтяного кокса

Таблица 3

Химический состав золы древесного угля

руднотермический печь кремний Таблица 4

Химический состав золы древесной щепы

Таблица 5

Химический состав кварцита

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 1.1 РУДНОТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ
• 1.2 ВАННА ПЕЧИ
• 1.3 ФУТЕРОВКА ПЕЧЕЙ
• 1.4 ПРОИЗВОДСТВО КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РУДОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Металлургические печи представляют собой промышленное оборудование, в котором за счет тепловой энергии происходят различные физические и химические превращения материалов. Функциональность печей направлена на извлечение из исходных материалов металлов и сплавов, в том числе на их тепловую обработку. Основным отличием цветной металлургии является множество технологических процессов и огромное количество печей. Стоить отметить, что их более 60.

В данной работе рассматривается руднотермическая печь, которая служит звеном в технологической цепочке производства кремния.

По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода, встречается главным образом в виде кислородных соединений (кварц, силикаты 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 и др.), легирования (кремнистые стали и сплавы, применяемые в электрооборудовании) и раскисления стали и сплавов (удаления кислорода), производства силицидов и.т.д.

В процессе производства на заводе получают два вида продукции:

— металлический кремний (с чистотой не менее 98,5%, применяемый в алюминиевой и химической отраслях).

— кремниевую пыль (ультрадисперсный материал, получаемый в процессе газоочистки печей, он применяется в производстве особопрочных сухих строительных смесей).

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 градусов Цельсия в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9% (основные примеси — углерод, металлы).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 РУДНОТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ

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).

Рисунок 1 — Конструкция руднотермической печи

1 — свод; 2 — площадка для обслуживания электродов; 3 электрододержатель; 4 — электрод; 5 — токоподвод; 6 — башмаки гибкой части токоподвода; 7 — каретка;8 — уплотняющее кольцо; 9 — стойка; 10 — привод перемещения электрода с тросовой передачей; 11 — кожух печи; 12 — футеровка; 13 — бункер; 14 — течка.

Преимущества электронагрева и особенного дугового способа нагрева позволяют использовать руднотермические печи для производства материалов, получение которых другими методами менее эффективно или не возможно. Руднотермические печи могут быть применены и для таких производств, которые успешно реализуют в печах сопротивления или топливных печах.

Преобразование электрической энергии в тепло в руднотермических печах может происходить не только в дуговом разряде, но и за счёт прохождения тока через слой электропроводной шихты или электропроводного расплава. Не смотря на это, конструкция РТП (рисунок 1) близка к конструкции чисто дуговых печей, в связи, с чем их удобно рассматривать как дуговые установки.

1.2 ВАННА ПЕЧИ

Наибольшее распространение в промышленности имеют 3-х фазные печи (рисунок 2 — 3,4,5) с тремя или шестью электродами. Форма ванны таких печей может быть не только круглой как у ДСП (рисунок 2 — 3 и рисунки 1, 3), но и прямоугольной (рисунок 2 — 4,5 и рисунок 4).

Прямоугольные ванны нашли применение в многошлаковых процессах, причём наиболее рациональной для мощных печей оказалась система с шестью электродами, расположенными в одну линию, запитанными от трёх однофазных трансформаторов.

Другим распространённым типом являются однофазные печи с одним или двумя электродами (рисунок 2 — 1,2). Печь с одним электродом имеет круглую ванну, где в качестве второго электрода выступает подина печи.

Однофазные печи с двумя электродами имеют прямоугольную (рисунок 6) или овальную ванну (рисунок 2 — 2) в которую электроды опущены вертикально или под некоторым углом.

Рисунок 2 — Формы ванны руднотермических печей и расположение электродов в них

Для равномерного проплавления материалов, лучшего разрыхления шихты и хода технологического процесса современные круглые печи, могут иметь механизм вращения ванны. В результате этого увеличивается производительность печи и снижается удельный расход электроэнергии. Ванна вращается вокруг вертикальной оси в пределах определенного угла с частотой вращения порядка одного оборота в несколько суток. При этом электроды и система загрузки печи остаются не подвижными.

1.3 ФУТЕРОВКА ПЕЧЕЙ

Конструкция и материалы футеровки руднотермических печей в основном определяются химическими свойствами расплава.

Процессы, требующие, что бы углерод отсутствовал в продукте или в шихте ведут в печи с магнезиальной кладкой.

Процессы, где используется большое количество углеродистого восстановителя целесообразно проводить в печах, футерованных угольными блоками (рисунок 3).

Во время плавки тугоплавких материалов, таких как корунд, карбид бора, феррофольфрам и т. п. в жидком состоянии находится только часть продукта около электродов. Плавку ведут методом гарниссажа. При этом в качестве футеровки выступает слой не проплавленной шихты. В таких печах обычно специальную футеровку собирают только на подине (рисунок 4).

Рисунок 3 — Футеровка печи мощностью 23 МВ. А

1 — кожух ванны; 2 — асбест листовой; 3 — крупка алюмосиликатная;

4 — кирпич высокоглинозёмистый; 5 — кирпич силикатный; 6 — угольные блоки; 7 — медные водоохлаждаемые трубы; 8 — лёточная плита; 9 — лётка;

10 — набивка из подовой массы;11 — кирпич кремнезёмистый.

Рисунок 4 — Футеровка подвижной печи

1- тележка; 2 — асбест листовой; 3 — шамотная подсыпка; 4 — шамотный кирпич; 5 — магнезитовый кирпич; 6 — угольные блоки; 7 — водосборный желоб; 8 — слой боксита; 9 — углеродный материал для розжига печи; 10 — стальной кожух; 11 — труба для водоохлаждения.

Условия работы пода и стен печи резко отличаются между собой, особенно у мощных печей. Футеровка стен, как правило, закрыта некоторым слоем не проплавленной шихты, а на поду находится слой горячего расплавленного металла, способного растворять материал футеровки. В связи с этим обычно верхняя часть кладки стен выполнена из доменного кирпича. Нижнюю, примыкающая к подине, часть футеровки стен, которую омывает расплавленный металл, делают из угольных блоков или магнезитового кирпича. Футеровка подины должна быть наиболее мощной.

1.4 ПРОИЗВОДСТВО КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РУДОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Подача энергии в рабочее пространство печи осуществляется с помощью электрода, выполненного из графита. Самоспекающиеся электроды в технологии кремния не применяются по причине возможного загрязнения продукта компонентами кожуха электрода и электродной массы (железо, кальций, алюминий). Электрические параметры восстановительного процесса обеспечиваются с помощью печного трансформатора, соединенного с электродом высокоамперной короткой сетью, в которой сила тока составляет 40−80 кА. По мере торцевого расхода электрода они периодически удлиняется с помощью механизмов перепуска. Регулировка заданной силы тока в электроде осуществляется путем перемещения электрода по вертикальной оси.

Выпуск кремния осуществляется практически непрерывно через лётку (отверстие в футеровке) в стальную футерованную изложницу.

В печи с шунтированной дугой происходит восстановление кремния из кремнезёма кварцита углеродом восстановителя. Теоретическая температура начала процесса 1670 градусов Цельсия. К основным типам восстановителей относятся: древесный уголь (берёзовый, сосновый), нефтекокс, каменный уголь.

Из рудотермической печи, расплавленный кварц попадает в ковш из которого он переливается по формам. В формах металлический кремний охлаждается и застывает.

Металлический кремний является основой для высокотехнологичной промышленности. Кремний — это и фотоэлементы для солнечных батарей, и полупроводники для компьютеров, и многое, многое другое.

Кстати, производство металлургического кремния абсолютно безотходно. Над печью стоят воздуховоды, и вся пыль уходит в газоочистку, где улавливаются микрочастицы. Эта кремниевая пыль является полезным продуктом в другой части производства. Например, раньше в Европе кварц переплавляли только для того, чтобы его потом размолоть и добавить в бетон, в растворы, которые обладают очень большим укрепляющим свойством. Кварцевая кристаллическая решетка очень прочная. И 900-ю марку бетона можно получить только с помощью кремния. А есть еще гидроизоляционные замазки, ударопрочные полы, эта продукция используется для укрепления тоннелей метро.

После остывания кремний дробят на мелкие куски гидромолотом

Затем готовая продукция упаковывается в бигбэги — пластиковые мешки, вмещающие 1000 килограмм металлургического кремния и отправляется заказчикам.

Что можно сделать с техническим кремнием? Технологическая цепочка в производстве кремния продолжается: металлургический кремний — поликремний — монокристаллический кремний — кремниевые пластины. Для дальнейшей очистки металлургический кремний перегоняют, превращая в экологически вредные соединения хлора: дихлорсилан или трихлорсилан. После очистки последних в больших ректификационных колоннах и процессов осаждения получается поликремний, где концентрация примесей не превышает десятитысячной доли процента. После этого его переплавляют в монокристаллический материал, а монокристаллы режут на пластины. Так получают до 80% монокристаллического кремния, используемого в электронике.

Таблица 1

Физико-химическая характеристика каменного угля

Таблица 2

Химический состав золы каменного угля

Произведем перерасчет компонентов на золу каменного угля:

Поскольку золы в каменном угле 11.5%. значит 100% - 11.5% = 88.5%. тогда:

Приведем состав золы к 11.5%:

100 — 11.5

61.7 — SiO2SiO2 = 7.096%

100 — 11.5

1.2 — TiO2 TiO2 = 0.138%

100 — 11.5

21.5 — Al2O3 Al2O3 = 2.473%

100 — 11.5

7.6 — Fe2O3 Fe2O3 = 0.874%

100 — 11.5

3.2 — CaO CaO= 0.368%

100 — 11.5

2.2 — MgO MgO= 0.253%

100 — 11.5

1.7 — K2O K2O= 0.195%

100 — 11.5

0.9 — Na2ONa2O= 0.103%

Всего: 11.5% (А)

Ниже приведена таблица состава каменного угля. %

Таблица 3

Состав каменного угля

Таблица 4

Количество молей компонентов в 1 кг каменного угля

УО = 7.136+2.366+0.034+0.741+0.165+0.066+0.063+0.021+0.017=10.609 моль

Тогда состав каменного угля будет записан в следующем виде:

S0.111C57.894H49.56N1.643O7.136Si1.183Ti0.017Al4.946Fe1.748Ca0.066 Mg0.063K0.39Na0.206

Нефтяной кокс

Таблица 5

Физико-химическая характеристика нефтяного кокса

Таблица 6

Химический состав золы нефтяного кокса

Произведем перерасчет компонентов на золу нефтяного кокса:

Поскольку золы в нефтяном коксе 0.15%. значит 100% - 0.15% = 99.85%. тогда:

Приведем состав золы к 0.15%:

100 — 0.15

36.241 — SiO2SiO2 = 0.543 615%

100 — 0.15

1.412- TiO2 TiO2 = 0.2 120%

100 — 0.15

5.454- Al2O3 Al2O3 = 0.8 181%

100 — 0.15

45.344- Fe2O3 Fe2O3 = 0.68 016%

100 — 0.15

8.255- CaO CaO= 0.123 825%

100 — 0.15

0.533 — MgO MgO= 0.7 995%

100 — 0.15

0.278 -Na2O Na2O= 0.420%

100 — 0.15

0.583 — P2O5 P2O5 = 0.8 745%

100 — 0.15

1.880 — B2O3 B2O3 = 0.282%

Всего: 0.15% (A)

Ниже приведена таблица состава нефтяного кокса. %

Таблица 7

Состав нефтяного кокса

Таблица 8

Количество молей компонентов в 1 кг нефтяного кокса

УО=6.13+0.1 812+0.53+0.2 455+0.012+0.002+0.0002+0.6+0.0003+0.0012=

=6.18 моль

Тогда состав нефтяного кокса будет записан в следующем виде:

S0.55C71.86H12.98N0.54O6.13Si0.9060Ti0.265Al0.1636Fe0.008 Ca0.002 Mg0.0002Na0.00012P0.00012B0.0008

Древесный уголь

Таблица 9

Физико-химическая характеристика древесного угля

Таблица 10

Химический состав золы древесного угля

Произведем перерасчет компонентов на золу древесного угля:

Поскольку золы в древесном угле 3.4%. значит 100% - 3.4% = 96.6%. тогда:

Приведем состав золы к 3.4%:

100 — 3.4

1.9- SiO2SiO2 = 0.065%

100 — 3.4

0.4 — TiO2 TiO2 = 0.013%

100 — 3.4

1.4- Al2O3 Al2O3 = 0.048%

100 — 3.4

4.36 — Fe2O3 Fe2O3 = 0.148%

100 — 3.4

86.5 — CaO CaO= 2.941%

100 — 3.4

5.44 — P2O5 P2O5 = 0.185%

Всего: 3.4% (A)

Ниже приведена таблица состава древесного угля. %

Таблица 11

Состав древесного угля

Таблица 12

Количество молей компонентов в 1 кг древесного угля

УО=8.211+0.022+0.0032+0.144+0.027+0.525+0.065=8.99 моль

Тогда состав древесного угля будет записан в следующем виде:

S0.211C65.922H33.81N0.214O8.211Si0.011Ti0.0016Al0.0096Fe0.018Ca0.525 P0.026

Древесная щепа

Таблица 13

Физико-химическая характеристика древесной щепы

Таблица 14

Химический состав золы древесной щепы

Произведем перерасчет компонентов на золу древесной щепы:

Поскольку золы в древесной щепе 0.5%. значит 100% - 0.5% = 99.5%. тогда:

Приведем состав золы к 0.5%:

100 — 0.5

22.046 — SiO2 SiO2 = 0.11 023%

100 — 0.5

0.168 — TiO2 TiO2 = 0.83%

100 — 0.5

36.878 — Al2O3 Al2O3 = 0.0344%

100 — 0.5

3.168 — Fe2O3 Fe2O3 = 0.1 584%

100 — 0.5

65.4 — CaO CaO= 0.327%

100 — 0.5

2.34 — P2O5 P2O5 = 0.117%

Всего: 0.5% (A)

Ниже приведена таблица состава древесной щепы. %

Таблица 15

Состав древесной щепы

Таблица 16

Количество молей компонентов в 1 кг древесной щепы

УО= 26.865+0.036+0.0002+0.0102+0.297+0.058+0.004= 26.98 моль

Тогда состав древесной щепы будет записан в следующем виде:

C41.17H61.9885N0.65O26.865Si0.018Ti0.0001Al0.0068Fe0.00198Ca0.058 P0.0016

Кварцит

Таблица 17

Состав кварцита

Таблица 18

Количество молей компонентов в 1 кг кварцита

УО= 32.82+0.108+0.131+0.087+0.0002+0.0115 = 33.16 моль

Тогда состав кварцита будет записан в следующем виде:

O33,16Si16.41 Fe0.072Al0.087Ca0.087Ti0.0001Mg0.0115

Составкаменногоугля:

S0.111C57.894H49.56N1.643O7.136Si1.183Ti0.017Al4.946Fe1.748Ca0.066 Mg0.063K0.39Na0.206

Составнефтяногококса:

S0.55C71.86H12.98N0.54O6.13Si0.9060Ti0.265Al0.1636Fe0.008 Ca0.002 Mg0.0002Na0.00012P0.00012B0.0008

Составдревесногоугля:

S0.211C65.922H33.81N0.214O8.211Si0.011Ti0.0016Al0.0096Fe0.018Ca0.525 P0.026

Составдревеснойщепы:

C41.17H61.9885N0.65O26.865Si0.018Ti0.0001Al0.0068Fe0.00198Ca0.058 P0.0016

Составкварцита: Si16.41 Fe.072Al.087Ca.087Ti.0001Mg.0115

По заводским данным на получение 1 т рафинированного кремния в среднем расходуется:

— Кварцита — 2974 кг;

— Древесного угля — 614 кг;

— Нефтяного кокса — 378 кг;

— Древесной щепы — 1172 кг;

— Каменного угля — 773 кг.

Тогда с учетом расходных коэффициентов на 1 тонну кварцита необходимо загрузить в печь:

2974 — 1000

206.46 кг древесного угля;

614 — др. уголь

2974 — 1000

127.1 кг нефтяного кокса;

378 — нефтекокс

2974 — 1000

394.08 кг древесной щепы;

1172 — щепа

2974 — 1000

259.92 кг каменного угля;

773 — кам. уголь

Древесный уголь:

Количество молей компонентов в 1 кг древесного угля

Состав древесного угля: S0.44C137.08H69.8N0.44O16.95Si0.02Ti0.0025Al0.0018Fe0.02Ca1.08P0.054

Нефтяной кокс:

Количество молей компонентов в 1 кг нефтяного кокса

Состав нефтяного кокса:

S0.7C91,33H16,5N0.68O7,8Si0.01Ti0.0003Al0.002Fe0.01Ca0.002Mg0.0002

Na0.00016P0.156B0,001

Древесная щепа:

Количество молей компонентов в 1 кг древесной щепы

Состав древесной щепы:

C162,23H244,28N2,576O105,87Si0.06Ti0.003Al0.02Fe0.009Ca0.22P0.004

Каменный уголь:

Количество молей компонентов в 1 кг каменного угля

Каменныйуголь:

S0.29C150.48H128.8N4.27O18.27Si3.08Ti0.045Al1.286Fe0.28Ca0.171 Mg0.165K0.010Na0.08

Древесныйуголь:

S0.44C137.08H69.8N0.44O16.95Si0.02Ti0.0025Al0.0018Fe0.02Ca1.08P0.054

Нефтянойкокс:

S0.7C91,33H16,5N0.68O7,8Si0.01Ti0.0003Al0.002Fe0.01Ca0.002Mg0.0002

Na0.00016P0.156B0,001

Древесная щепа:

C162,23H244,28N2,576O105,87Si0.06Ti0.003Al0.02Fe0.009Ca0.22P0.004

Каменныйуголь:

S0.29C150.48H128.8N4.27O18.27Si3.08Ti0.045Al1.286Fe0.28Ca0.171 Mg0.165K0.010Na0.08

Кварцит:

O331.6Si164.1 Fe0.72Al0.87Ca0.87Ti0.001Mg0.115

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Температуры резервуаров:

1) 410°С

2) 1520°С

3) 2222°С

4) 2000°С

Химический составкремниевого расплава, полученного в результате моделирования

Динамика поступления и распределения кремния по резервуарам (в модели) в зависимости от продолжительности процесса восстановления

Расчет извлечения кремния:

= Количество Si (1 резервуар) + Количество Si (2 резервуар) + Количество Si (3 резервуар) + Количество Si (4 резервуар) = 109,315+182,234+6,613+723,453=1021,615

?=[Количество Si (4 резервуар)/) • 100%=(723,453/1021,615) • 100%=70,81%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы были рассмотрены теоретические основы руднотермических печей, применяемые при производстве кремния. В практической части работы представлен расчет химического состава сырья и углеродистых восстановителей, применяемых при производстве кремния. В ходе работы была построена физико-химическая модель получения кремния, на основе полученных расчетов в программе «Селектор» .Был произведен расчет извлечения кремния, которое составило70,81%.

На основе проведенной работы была получена графическая зависимость, отражающая поступление и распределение кремния по резервуарам (в модели) в зависимости от продолжительности процесса восстановления. По полученной зависимости можно сделать вывод о том, что в четвертом резервуаре находится основное количество кремния.

1. Печи цветной металлургии. Под научной редакцией Д. А Диомедовского, Л. М Шалыгина, А. А Галинберк, И. А Южанин. — М.: Металлургия, 1963. — 640 с.

2. Кривандин В. А. Металлургическая теплотехника — 2 том / В. А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. — М.: Металлургия,. — 590 с.

3. Басов, Ельцев Справочник механика заводов цветной металлургии.

4. Немчинова Н. В., Бельский С. С. Производство тугоплавких металлов и кремния и проектирование цехов. — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007.