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
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
K2O
|
Na2O
|
61.7
|
1.2
|
21,5
|
7.6
|
3.2
|
2.2
|
1.7
|
0.9
|
Таблица 2
Химический состав золы нефтяного кокса
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
Na2O
|
P2O5
|
B2O3
|
36.241
|
1.412
|
5.454
|
45.344
|
8.255
|
0.553
|
0.278
|
0.583
|
1.880
|
Таблица 3
Химический состав золы древесного угля
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
P2O5
|
1.9
|
0.4
|
1.4
|
4.36
|
86.5
|
5.44
|
руднотермический печь
кремний
Таблица 4
Химический состав золы древесной щепы
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
P2O5
|
22.046
|
0.168
|
6.878
|
3.168
|
65.4
|
2.34
|
Таблица 5
Химический состав кварцита
Компоненты
|
SiO2
|
Fe2O3
|
Al2O3
|
CaO
|
TiO2
|
MgO
|
% вес
|
98.451
|
0.582
|
0.435
|
0.485
|
0.001
|
0.046
|
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ
. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
.1 РУДНОТЕРМИЧЕСКИЕ
ПЕЧИ
.2 ВАННА ПЕЧИ
.3 ФУТЕРОВКА ПЕЧЕЙ
.4 ПРОИЗВОДСТВО
КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РУДОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
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
- 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
- кожух ванны; 2 - асбест листовой; 3 - крупка алюмосиликатная;
- кирпич высокоглинозёмистый; 5 - кирпич силикатный; 6 - угольные блоки;
7 - медные водоохлаждаемые трубы; 8 - лёточная плита; 9 - лётка;
- набивка из подовой массы;11 - кирпич кремнезёмистый.
Рисунок 4 - Футеровка подвижной печи
- 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
Aс.%
|
Sг.%
|
Cг.%
|
Hг.%
|
Nг.%
|
Oг.%
|
11.5
|
0.4
|
78.5
|
5.6
|
2.6
|
12.9
|
Таблица 2
Химический состав золы каменного угля
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
K2O
|
Na2O
|
61.7
|
1.2
|
21.5
|
7.6
|
3.2
|
2.2
|
1.7
|
0.9
|
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%:
- 11.5
.7 - SiO2ÞSiO2 = 7.096%
100 - 11.5
.2 - TiO2Þ TiO2 = 0.138%
- 11.5
.5 - Al2O3Þ Al2O3 = 2.473%
- 11.5
.6 - Fe2O3Þ Fe2O3 = 0.874%
- 11.5
.2 - CaO Þ CaO= 0.368%
- 11.5
.2 - MgO Þ MgO= 0.253%
- 11.5
.7 - K2O Þ K2O= 0.195%
100 - 11.5
.9 - Na2OÞNa2O= 0.103%
Всего: 11.5% (А)
Ниже приведена таблица состава каменного угля. %
Таблица 3
Состав каменного угля
S
|
0.354
|
C
|
69.473
|
H
|
4.956
|
N
|
2.3
|
O
|
11.417
|
SiO2
|
7.096
|
TiO2
|
0.138
|
Al2O3
|
2.473
|
Fe2O3
|
0.874
|
CaO
|
0.368
|
MgO
|
0.253
|
K2O
|
0.195
|
Na2O
|
0.103
|
Всего. %
|
100
|
Таблица 4
Количество молей компонентов в 1кг каменного угля
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг.
|
Кислород
|
S
|
32
|
0.354
|
0.111
|
-
|
C
|
12
|
69.473
|
57.894
|
-
|
H
|
1
|
4.956
|
49.560
|
-
|
N
|
14
|
2.3
|
1.643
|
-
|
O
|
16
|
11.417
|
7.136
|
7.136
|
SiO2
|
60
|
7.096
|
1.183
|
2.366
|
TiO2
|
80
|
0.138
|
0.017
|
0.034
|
Al2O3
|
100
|
2.473
|
0.247
|
0.741
|
Fe2O3
|
160
|
0.874
|
0.055
|
0.165
|
CaO
|
56
|
0.368
|
0.066
|
0.066
|
MgO
|
40
|
0.253
|
0.063
|
0.063
|
K2O
|
94
|
0.195
|
0.021
|
0.021
|
Na2O
|
62
|
0.103
|
0.017
|
0.017
|
ΣО =
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
Aс.%
|
Sг.%
|
Cг.%
|
Hг.%
|
Nг.%
|
Oг.%
|
0.15
|
1.76
|
86.36
|
1.3
|
0.75
|
9.83
|
Таблица 6
Химический состав золы нефтяного кокса
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
Na2O
|
P2O5
|
B2O3
|
36.241
|
1.412
|
5.454
|
45.344
|
8.255
|
0.533
|
0.278
|
0.583
|
1.880
|
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%:
- 0.15
.241 - SiO2ÞSiO2 = 0.0543615%
100 - 0.15
.412- TiO2Þ TiO2 = 0.002120%
- 0.15
.454- Al2O3Þ Al2O3 = 0.008181%
- 0.15
.344- Fe2O3Þ Fe2O3 = 0.068016%
- 0.15
- 0.15
.533 - MgO Þ MgO= 0.0007995%
- 0.15
.278 -Na2O Þ Na2O= 0.000420%
- 0.15
.583 - P2O5Þ P2O5 = 0.0008745%
- 0.15
.880 - B2O3Þ B2O3 = 0.00282%
Всего:
0.15% (A)
Ниже приведена таблица состава нефтяного кокса. %
Таблица 7
Состав нефтяного кокса
S
|
1.757
|
C
|
86.23
|
H
|
1.298
|
N
|
0.75
|
O
|
9.815
|
SiO2
|
0.0543615
|
TiO2
|
0.002120
|
Al2O3
|
0.008181
|
Fe2O3
|
0.068016
|
CaO
|
0.0123825
|
MgO
|
0.0007995
|
Na2O
|
0.000420
|
P2O5
|
0.0008745
|
B2O3
|
0.00282
|
Всего. %
|
100
|
Таблица 8
Количество молей компонентов в 1 кг нефтяного кокса
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг.
|
Кислород
|
S
|
32
|
1.757
|
0.55
|
-
|
C
|
12
|
86.23
|
71.86
|
-
|
H
|
1
|
1.298
|
12.98
|
-
|
N
|
14
|
0.75
|
0.54
|
-
|
O
|
16
|
9.815
|
6.13
|
6.13
|
SiO2
|
60
|
0.0543615
|
0.009060
|
0.01812
|
TiO2
|
80
|
0.002120
|
0.000265
|
0.00053
|
Al2O3
|
100
|
0.008181
|
0.000818
|
0.002455
|
Fe2O3
|
160
|
0.068016
|
0.004
|
0.012
|
CaO
|
56
|
0.0123825
|
0.002
|
0.002
|
MgO
|
40
|
0.0007995
|
0.0002
|
0.0002
|
Na2O
|
62
|
0.000420
|
0.00006
|
0.00006
|
P2O5
|
142
|
0.0008745
|
0.00006
|
0.0003
|
B2O3
|
68
|
0.00282
|
0.0004
|
0.0012
|
ΣО=6.13+0.01812+0.00053+0.002455+0.012+0.002+0.0002+0.00006+0.0003+0.0012=
=6.18 моль
Тогда состав нефтяного кокса будет записан в следующем виде:
S0.55C71.86H12.98N0.54O6.13Si0.009060Ti0.000265Al0.001636Fe0.008
Ca0.002 Mg0.0002Na0.00012P0.00012B0.0008
Древесный уголь
Таблица 9
Физико-химическая характеристика древесного угля
Aс.%
|
Sг.%
|
Cг.%
|
Hг.%
|
Nг.%
|
Oг.%
|
3.4
|
0.7
|
81.89
|
3.5
|
0.31
|
13.6
|
Таблица 10
Химический состав золы древесного угля
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
P2O5
|
1.9
|
0.4
|
1.4
|
4.36
|
86.5
|
5.44
|
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%:
- 3.4
.9- SiO2ÞSiO2 = 0.065%
100 - 3.4
.4 - TiO2Þ TiO2 = 0.013%
- 3.4
.4- Al2O3Þ Al2O3 = 0.048%
- 3.4
.36 - Fe2O3Þ Fe2O3 = 0.148%
- 3.4
.5 - CaO Þ CaO= 2.941%
- 3.4
.44 - P2O5Þ P2O5 = 0.185%
Всего:
3.4% (A)
Ниже приведена таблица состава древесного угля. %
Таблица 11
Состав древесного угля
S
|
0.676
|
C
|
79.106
|
H
|
3.381
|
N
|
0.299
|
O
|
13.138
|
SiO2
|
0.065
|
TiO2
|
0.013
|
Al2O3
|
0.048
|
Fe2O3
|
0.148
|
CaO
|
2.941
|
P2O5
|
0.185
|
Всего. %
|
100
|
Таблица 12
Количество молей компонентов в 1 кг древесного угля
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг
|
Кислород
|
S
|
32
|
0.676
|
0.211
|
-
|
C
|
12
|
79.106
|
65.922
|
-
|
H
|
1
|
3.381
|
33.81
|
-
|
N
|
14
|
0.299
|
0.214
|
-
|
O
|
16
|
13.138
|
8.211
|
8.211
|
SiO2
|
60
|
0.065
|
0.011
|
0.022
|
TiO2
|
80
|
0.013
|
0.0016
|
0.0032
|
Al2O3
|
100
|
0.048
|
0.0048
|
0.144
|
Fe2O3
|
160
|
0.148
|
0.009
|
0.027
|
CaO
|
56
|
2.941
|
0.525
|
0.525
|
P2O5
|
142
|
0.185
|
0.013
|
0.065
|
ΣО=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
Ас.%
|
Cг.%
|
Hг.%
|
Nг.%
|
Oг.%
|
0.5
|
49.65
|
6.23
|
0.92
|
43.2
|
Таблица 14
Химический состав золы древесной щепы
SiO2
|
TiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
P2O5
|
22.046
|
0.168
|
6.878
|
3.168
|
65.4
|
2.34
|
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
.046 - SiO2Þ SiO2 = 0.11023%
- 0.5
.168 - TiO2Þ TiO2 = 0.00083%
- 0.5
.878 - Al2O3Þ Al2O3 = 0.0344%
- 0.5
.168 - Fe2O3Þ Fe2O3 = 0.01584%
- 0.5
.4 - CaO Þ CaO= 0.327%
- 0.5
.34 - P2O5Þ P2O5 = 0.00117%
Всего: 0.5% (A)
Ниже приведена таблица состава древесной щепы. %
Таблица 15
Состав древесной щепы
C
|
49.40175
|
H
|
6.19885
|
N
|
0.9154
|
O
|
42.984
|
SiO2
|
0.11023
|
TiO2
|
0.00083
|
Al2O3
|
0.0344
|
Fe2O3
|
0.01584
|
CaO
|
0.327
|
P2O5
|
0.00117
|
Всего. %
|
100
|
Таблица 16
Количество молей компонентов в 1 кг древесной щепы
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг
|
Кислород
|
C
|
12
|
49.40175
|
41.17
|
-
|
H
|
1
|
6.19885
|
61.9885
|
-
|
N
|
14
|
0.9154
|
-
|
O
|
16
|
42.984
|
26.865
|
26.865
|
SiO2
|
60
|
0.11023
|
0.018
|
0.036
|
TiO2
|
80
|
0.00083
|
0.0001
|
0.0002
|
Al2O3
|
100
|
0.0344
|
0.0034
|
0.0102
|
Fe2O3
|
160
|
0.01584
|
0.00099
|
0.00297
|
CaO
|
56
|
0.327
|
0.058
|
0.058
|
P2O5
|
142
|
0.00117
|
0.0008
|
0.004
|
ΣО= 26.865+0.036+0.0002+0.0102+0.00297+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
Компоненты
|
SiO2
|
Fe2O3
|
Al2O3
|
CaO
|
TiO2
|
MgO
|
% вес
|
98.451
|
0.582
|
0.435
|
0.485
|
0.001
|
0.046
|
Таблица 18
Количество молей компонентов в 1 кг кварцита
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг
|
Кислород
|
SiO2
|
60
|
98.451
|
16.41
|
32.82
|
Fe2O3
|
160
|
0.582
|
0.036
|
0.108
|
Al2O3
|
100
|
0.435
|
0.0435
|
0.131
|
CaO
|
56
|
0.485
|
0.087
|
0.087
|
TiO2
|
80
|
0.001
|
0.0001
|
0.0002
|
MgO
|
40
|
0.046
|
0.0115
|
0.0115
|
ΣО=
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:.111C57.894H49.56N1.643O7.136Si1.183Ti0.017Al4.946Fe1.748Ca0.066
Mg0.063K0.39Na0.206
Составнефтяногококса:.55C71.86H12.98N0.54O6.13Si0.009060Ti0.000265Al0.001636Fe0.008
Ca0.002 Mg0.0002Na0.00012P0.00012B0.0008
Составдревесногоугля:.211C65.922H33.81N0.214O8.211Si0.011Ti0.0016Al0.0096Fe0.018Ca0.525
P0.026
Составдревеснойщепы:.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:
- 1000
Þ 206.46 кг древесного угля;
- др.уголь
- 1000
Þ 127.1 кг нефтяного кокса;
- нефтекокс
- 1000
Þ 394.08 кг древесной щепы;
- щепа
- 1000
Þ 259.92 кг каменного угля;
- кам.уголь
Древесный уголь:
Количество молей компонентов в 1 кг древесного угля
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг
|
Кислород
|
S
|
32
|
1.396
|
0.44
|
-
|
C
|
12
|
164.499
|
137.08
|
-
|
H
|
1
|
6.98
|
69.8
|
-
|
N
|
14
|
0.62
|
0.44
|
-
|
O
|
16
|
27.12
|
16.95
|
16.95
|
SiO2
|
60
|
0.13
|
0.02
|
0.04
|
TiO2
|
80
|
0.02
|
0.0025
|
0.005
|
Al2O3
|
100
|
0.09
|
0.009
|
0.027
|
Fe2O3
|
160
|
0.3
|
0.01
|
0.03
|
CaO
|
56
|
6.07
|
1.08
|
1.08
|
P2O5
|
142
|
0.382
|
0.027
|
0.135
|
Всего:
|
-
|
207.607
|
-
|
18.267
|
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
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг.
|
Кислород
|
S
|
32
|
2.233147
|
0.7
|
-
|
C
|
12
|
109.59833
|
91.33
|
-
|
H
|
1
|
1.649758
|
16.5
|
-
|
N
|
14
|
0.95325
|
0.68
|
-
|
O
|
16
|
12.474865
|
7.8
|
7.8
|
SiO2
|
60
|
0.06909347
|
0.01
|
0.02
|
TiO2
|
80
|
0.00269452
|
0.0003
|
0.0006
|
Al2O3
|
100
|
0.01039805
|
0.001
|
0.003
|
Fe2O3
|
160
|
0.08644834
|
0.005
|
0.015
|
CaO
|
56
|
0.01573816
|
0.002
|
0.002
|
MgO
|
40
|
0.00101616
|
0.0002
|
0.0002
|
Na2O
|
62
|
0.00053382
|
0.00008
|
0.00008
|
P2O5
|
142
|
0.00111149
|
0.000078
|
0.00039
|
B2O3
|
68
|
0.00358422
|
0.0005
|
0.0015
|
Всего:
|
-
|
127.1
|
-
|
7.84
|
Состав нефтяного кокса:
S0.7C91,33H16,5N0.68O7,8Si0.01Ti0.0003Al0.002Fe0.01Ca0.002Mg0.0002
Na0.00016P0.000156B0,001
Древесная щепа:
Количество молей компонентов в 1 кг древесной щепы
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг
|
Кислород
|
C
|
12
|
194,682416
|
162,23
|
-
|
H
|
1
|
24,4284281
|
244,28
|
-
|
N
|
14
|
3,60740832
|
2,576
|
-
|
O
|
16
|
169,391347
|
105,87
|
105.87
|
SiO2
|
60
|
0.4
|
0.06
|
0.012
|
TiO2
|
80
|
0.003
|
0.003
|
0.006
|
Al2O3
|
100
|
0.1
|
0.01
|
0.03
|
Fe2O3
|
160
|
0.06
|
0.003
|
0.009
|
CaO
|
56
|
1.28
|
0.22
|
0.22
|
P2O5
|
142
|
0.04
|
0.002
|
0.01
|
Всего:
|
-
|
|
-
|
106,16
|
Состав древесной щепы:
C162,23H244,28N2,576O105,87Si0.06Ti0.003Al0.02Fe0.009Ca0.22P0.004
Каменный уголь:
Количество молей компонентов в 1кг каменного угля
Компоненты
|
мол. вес
|
Вес. %
|
Число молей в 1 кг.
|
Кислород
|
S
|
32
|
0.92
|
0.29
|
-
|
C
|
12
|
150.48
|
-
|
H
|
1
|
12.88
|
128.8
|
-
|
N
|
14
|
5.98
|
4.27
|
-
|
O
|
16
|
29.68
|
18.55
|
18.55
|
SiO2
|
60
|
18.44
|
3.08
|
6.16
|
TiO2
|
80
|
0.36
|
0.045
|
0.09
|
Al2O3
|
100
|
6.43
|
0.643
|
1.929
|
Fe2O3
|
160
|
2.27
|
0.14
|
0.42
|
CaO
|
56
|
0.96
|
0.171
|
0.171
|
MgO
|
40
|
0.66
|
0.165
|
0.165
|
K2O
|
94
|
0.5
|
0.05
|
0.05
|
Na2O
|
62
|
0.27
|
0.04
|
0.04
|
Всего:
|
-
|
259.92
|
-
|
27.575
|
Каменныйуголь:.29C150.48H128.8N4.27O18.27Si3.08Ti0.045Al1.286Fe0.28Ca0.171
Mg0.165K0.010Na0.08
Древесныйуголь:.44C137.08H69.8N0.44O16.95Si0.02Ti0.0025Al0.0018Fe0.02Ca1.08P0.054
Нефтянойкокс:.7C91,33H16,5N0.68O7,8Si0.01Ti0.0003Al0.002Fe0.01Ca0.002Mg0.00020.00016P0.000156B0,001
Древесная щепа:
C162,23H244,28N2,576O105,87Si0.06Ti0.003Al0.02Fe0.009Ca0.22P0.004
Каменныйуголь:.29C150.48H128.8N4.27O18.27Si3.08Ti0.045Al1.286Fe0.28Ca0.171
Mg0.165K0.010Na0.08
Кварцит:.6Si164.1
Fe0.72Al0.87Ca0.87Ti0.001Mg0.115
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Температуры резервуаров:
) 410°С
) 1520°С
) 2222°С
) 2000°С
Химический составкремниевого расплава, полученного
в результате моделирования
Компоненты расплава
|
Содержание, %
|
Si
|
69,465
|
FeSi
|
3,051
|
TiC
|
0,367
|
P
|
0,046
|
Mg2Si
|
0,023
|
Na2O
|
0,025
|
FeS
|
0,010
|
Fe
|
0,004
|
TiS2
|
0,006
|
Ti
|
0,003
|
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
Ɛ=[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.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Печи цветной металлургии. Под научной редакцией Д.А
Диомедовского, Л.М Шалыгина, А.А Галинберк, И.А Южанин. - М.: Металлургия,
1963. - 640 с.
. Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника - 2 том / В.А.
Кривандин; профессор, доктор техн. наук. - М.: Металлургия, . - 590 с.
. Басов, Ельцев Справочник механика заводов цветной
металлургии.
. Немчинова Н.В., Бельский С.С. Производство тугоплавких
металлов и кремния и проектирование цехов. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007.