• Електротермических агрегати в технології кремнію
  • Розрахунок шихти на технічний кремній


  • Дата конвертації25.03.2017
    Розмір27.84 Kb.
    Типне встановлено

    Скачати 27.84 Kb.

    Отримання технічного кремнію в електропечах

    МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

    ГОУ ВПО Уральського державного технічного університету

    Кафедра металургії важких кольорових металів

    оцінка проекту

    члена комісії

    Отримання технічного кремнію в електропечах

    Курсова робота

    Пояснювальна записка

    080502 000000 0 ПЗ

    керівник:

    Кандидат технічних наук, доцент

    Спітченко В.С.

    Нормо-контролер:

    Кандидат технічних наук, доцент

    Спітченко В.С.

    Студент ЕУМет-2 прискорена

    Ігнатьєв А.В.

    2007


    завдання

    1. Виконати металургійні розрахунки процесу одержання технічного кремнію з складанням матеріального балансу

    2. Зробити ескіз електротермічного агрегату в одній проекції


    зміст

    Завдання. 2

    Зміст. 3

    Вступ. 4

    I.Опісаніе процесу виплавки технічного кремнію. 5

    Властивості кремнію. 5

    Шихтові матеріали .. 5

    Електротермических агрегати в технології кремнію. 8

    Опис процесу. 9

    II.Расчети складу шихти і матеріального балансу. 10

    Задані умови. 10

    Розрахунок шихти на технічний кремній. 10

    Висновок. 17

    Список використаної літератури .. 18

    Додаток 1. Ескіз електропечі типу РКО-25. 19


    Вступ

    В ході роботи будуть проведені металургійні розрахунки процесу одержання технічного кремнію з шихтових матеріалів із заданими характеристиками (таблиця 1). Частки використовуваних відновників, використовуваних в процесі плавки наведені в таблиці 4. Розподіл компонентів в метал, в шлак, в гази задані в таблицях 2 і 3. Прийнята частка чаду (окислення) вуглецю на колошнике дорівнює 10%.


    I.Опісаніе процесу виплавки технічного кремнію

    властивості кремнію


    Кремній (z = 14, атомна маса 28.0855) відноситься до IV групи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Атом кремнію проявляє ступінь окислення -4, +2 і +4. За поширеністю в земній корі (27.6%) кремній посідає друге місце після кисню, зустрічається головним чином у вигляді кисневих сполук (кварц, силікати, алюмосилікати, гідрати і.т.д.). Кремній високої чистоти використовується в напівпровідниковій техніці, а технічної чистоти (96 - 99% Si) - у чорній і кольоровій металургії для отримання сплавів на нежелезной основі (силуміну, АК12М2МгН і ін.), Легування (крем'янисті стали і сплави, що застосовуються в електрообладнанні) і розкислення сталі і сплавів (видалення кисню), виробництва силіцидів і.т.д.

    Температура плавлення кремнію дорівнює 1687К, кипіння 3522К, а теплота плавлення становить 39.55 кДж / моль.


    шихтові матеріали


    Балансова реакція, яка характеризує процес відновлення кремнію з кремнезему вуглецем при отриманні кристалічного кремнію, може бути представлена ​​в наступному вигляді:

    ,

    (1)

    де - Зміна вільної енергії (енергії Гіббса), T - рівноважна температурі реакції, К.

    кремнезем ( ) Вноситься до складу шихти у вигляді кварциту, що містить не менше 98% . Кварцит і кварци і широко поширені в природі [1, табл. 7.6 стр. 219].

    Вуглець вноситься в складі вуглецевих відновників. До них пред'являються високі вимоги по чистоті. Чим вищий вміст твердого вуглецю і нижче зміст золи, тим вище якість відновлювача.

    До основних типів відновників відносяться:

    1. Деревне вугілля (березовий, сосновий). Містить на суху масу (зневоднений) до 80% відсотків твердого вуглецю, не більше 4% золи і «летюча» інше.

    2. Нефтекокс. Твердий залишок піролізу нафти, що містить до 96% твердого вуглецю, не більше 0.6% золи, решта «летюча».

    3. Кам'яне вугілля (почав застосовуватися в останні роки на сибірських заводах виробництва технічного кремнію - цехи Братського, Шелехівська алюмінієвих комбінатів [1]). Вугілля відрізняється відносно високою зольністю (до 6%) і високим вмістом летких речовин (до 40%). Такі вугілля називають «Довгополуменеве» або «газовими». Вони володіють високою реакційною здатністю і значним коефіцієнтом електроопору.

    4. Деревна тріска. Використовується в шихту, що містять до 40% газового вугілля (для збільшення газопроникності печі).


    Зведені дані про хімічний склад мінеральної частини відновників представлені в таблиці 1.


    Хімічний склад шихтових матеріалів

    Таблиця 1

    шихтової матеріал

    Хімічний склад кварциту і мінеральної частини відновників,%

    Кварцит

    98,3

    0,5

    0,2

    0,9

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    Деревне вугілля

    17,3

    1,5

    57,0

    4,4

    6,3

    -

    70

    9,5

    1,5

    19

    нафтовий кокс

    55,0

    11,2

    17,0

    3,6

    6,0

    -

    85

    3,0

    0,5

    11,5

    Кам'яне вугілля

    40,9

    15,9

    1,8

    32,3

    0,44

    -

    55

    4,5

    4,22

    36,3

    деревна тріска

    17,3

    1,5

    57,0

    4,4

    6,3

    -

    10

    36,9

    1,7

    54,1


    де - Вміст вологи в робочій масі, - Зола на суху масу, - Зміст летючих компонентів.


    Електротермических агрегати в технології кремнію

    Основним агрегатом для виплавки технічного кремнію є дугова рудотермічних одно-трифазна електропіч потужністю від 8 до 25 МВА. Піч являє собою круглий сталевий кожух з днищем, футеровані вогнетривкою кладкою. Подина (днище) і частина висоти стін футеруются графітовими блоками, наступний шар магнезитовим цеглою і зовнішній шар - шамотом (пориста цегла зі спеціальної вогнетривкої глини).

    Подача енергії в робочий простір печі здійснюється за допомогою одного, двох або трьох електродів, виконаних з графіту. Самоспекающіеся електроди в технології кремнію не застосовуються через можливе забруднення продукту компонентами кожуха електрода і електродної маси (залізо, кальцій, алюміній).

    Електричні параметри відновного процесу забезпечуються за допомогою пічного трансформатора, сполученого з електродами високоамперной короткою мережею, в якій сила струму становить 40-80 кА, при цьому напруга електрод-нуль складає 60-90В. У міру торцевого витрати електродів вони періодично подовжуються за допомогою механізмів перепуску. Регулювання заданої сили струму в електроді здійснюється шляхом перещенія електрода по вертикальній осі. Для підвищення струму електрод опускають, для зниження струму електрод розуміють.

    Випуск кремнію здійснюється через льодку (отвір в футеровці) практично безперервно в сталеву футерованную изложницу.

    Завалка шихти на колошником проводиться через труботечкі, у верхній частині яких знаходяться приймальні бункера шихти.

    Схема електропечі РКО-25 представлена ​​в додатку 1.

    опис процесу


    У печі з шунтуватися дугою відбувається відновлення кремнію з кремнезему кварциту вуглецем відновлювача. Теоретична температура початку процесу за формулою 1: . Ступінь вилучення кремнію визначається головним чином реакційною здатністю відновників по відношенню до моноокиси (SiO) кремнію.У свою чергу реакційна здатність визначається величиною питомої поверхні відновлювача, доступною для проникнення газу (SiO). Іншими словами реакція йде на поверхні відновлювача. На початку з утворенням карбіду кремнію:

    (2)


    У міру занурення шихти в зону дуги при температурах вище 1750 o C реалізується лімітуючим (визначальна швидкість процесу) стадія реакції:

    (3)

    з утворенням цільового продукту - кремнію. Попутно з кремнієм утворюється шлак, в якому концентруються , , і . Кратність шлаку (відношення маси шлаку до маси металу) становить 3-5%. Частина кремнію у вигляді моноокиси ( ) Втрачається разом з газами, що відходять, що складаються в основному з , і . У газах над колошником конденсується і розкладається по реакції:

    (4)

    наслідком чого є збільшення вмісту пилу в газах. Сучасні печі обладнуються системами сухої газоочистки. Втрати кремнію з газами при нормальній роботі печі не перевищують 3-5%.

    Температура струменя кремнію на випуску становить 1600-1750 o C.


    II.Расчети складу шихти і матеріального балансу

    задані умови

    Склад шихти для виробництва технічного кремнію розраховують, виходячи з наступних заданих умов: змісту в кварц; прийнятого надлишку твердого вуглецю проти теоретично необхідного; кількості твердого вуглецю, що вноситься вугільними електродами; кількості твердого вуглецю, що вноситься кожним видом відновлювача; вмістом вологи, золи та летких речовин в вуглецевих відновників. Для розрахунку шихти велике значення має правильне кількісне уявлення про розподіл оксидів і відновлених хімічних елементів між товарним продуктом, шлаком і газовою фазою, яке приймається на підставі експериментальних даних.


    Розрахунок шихти на технічний кремній


    Вихідні дані розрахунку представлені в таблицях: хімічний склад шихтових матеріалів - таблиця 1, розподіл оксидів кварциту і золи відновників між готовим продуктом і шлакової фазою - таблиця 2.


    Розподіл оксидів між продуктами плавки,%

    Таблиця 2

    оксид

    Відновлюється і переходить в метал

    98

    100

    40

    50

    -

    100

    Переходить в шлак

    2

    -

    60

    50

    100

    -





    Приймемо наступний розподіл відновлених елементів,%:

    Розподіл відновлення елементів,%

    Таблиця 3

    елемент

    Переходить в сплав

    96

    95

    85

    85

    100

    випаровується

    4

    5

    15

    15

    -


    Кількість вуглецю, необхідне для відновлення оксидів кварциту, розраховується за кількістю кисню, яке зв'язується в монооксид вуглецю при протіканні відновних реакцій (табл.4):


    1. Для виробництва 1т технічного кремнію буде потрібно пропорційно реакції (виходячи з стехіометрії реакції і молекулярних мас речовин):

    +

    Si

    +

    60


    24


    28


    56

    2. чистого

    3. Вуглецю

    4. З огляду на зміст в кварц (таблиці 1) розраховуємо необхідну кількість кварциту

    5. З урахуванням пиловиносу кварциту необхідно


    6. Приймаємо, що відновник (вуглець) буде подаватися в піч в складі шихти відповідно до пропорції, зазначеної в таблиці 4 (стовпці матеріал і масова частка вуглецю). Тоді ми можемо розраховувати лі масу матеріалу за формулою:

    Подача вуглецю в піч в складі відновників

    Таблиця 4

    матеріал

    Масова частка вуглецю,%

    Буде потрібно

    Нефтекокс

    40

    Деревне вугілля

    30

    Кам'яне вугілля

    30

    Разом:

    100

    1 237


    7. З урахуванням чаду (окислення на колошнике 10%) буде потрібно відновників:

    Подача вуглецю в піч c урахуванням чаду на колошнике

    Таблиця 5

    матеріал

    Буде потрібно

    Нефтекокс

    Деревне вугілля

    Кам'яне вугілля

    Разом відновників:

    1375 кг


    8. До складу шлаку перейдуть оксиди (Дані таблиці 1):

    Перехід оксидів в шлак з шихтових компонентів

    Таблиця 6


    з кварциту

    -

    -

    з нефтекокса

    -

    з древ.угля

    з кам.угля

    -

    сума:

    11кг

    28.95кг

    9кг

    0.39кг


    9. Сума оксидів заліза у вигляді :

    a. з кварциту:

    b. з золи нефтекокса:

    c. з золи деревного вугілля:

    d. з золи кам'яного вугілля:

    Разом: 15.84кг


    10. Розрахуємо розподіл компонентів з оксидів і відновленого кремнію в сплав і шлак (на підставі даних таблиці 3):

    Розподіл в сплав і в шлак

    Таблиця 7


    сплав

    Шлаки

    Маса оксиду, метал з якого перейшов в сплав

    Маса металу в складі сплаву, що перейшла з оксиду

    Маса оксиду в шлаку

    Частка оксиду в шлаку

    -

    -

    0.39кг

    Разом:



    7.31кг

    100%


    11. Розраховуємо складу сплаву

    Склад отриманого сплаву

    Таблиця 8

    елемент

    маса, кг

    Склад,%

    97%

    11кг

    1.1%

    13кг

    1.3%

    5.46кг

    0.55%

    Разом:

    994.46

    100%


    ГОСТом определелени наступні марки технічного кремнію:

    Марки технічного кремнію

    Таблиця 9

    Марка кремнію

    Зміст кремнію,% не менше

    Зміст домішок,% не більше

    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 чином, отриманий продукт відповідає марці Кр3.

    12. Розраховуємо кратність шлаку:

    13. Розраховуємо освіту СО в реакції: ,

    14. Розраховуємо масу «летючих» компонентів, що утворюються з компонентів шихти і виносяться разом з газами:

    a. З нефтекокса:

    b. З деревного вугілля:

    c. З кам'яного вугілля:

    d. Разом «летючих»: 317.44кг

    15. Розраховуємо вміст вологи в шихтових матеріалах:

    a. В кварцит: 0кг

    b. У нефтекокс:

    c. У деревному вугіллі:

    d. У кам'яному вугіллі:

    Разом волога: 75.56кг

    16. Повна маса газів становить:

    17. Складаємо матеріальний баланс в розрахунку на 1т готового сплаву:

    матеріальний баланс

    Таблиця 10

    Визнач

    отримано

    Кварцит

    2400кг

    63.58%

    Тех.кремній (сплав)

    994.46кг

    26.34%

    Нефтекокс

    448кг

    11.87%

    Шлаки

    7.31кг

    0.19%

    Деревне вугілля

    408кг

    10.8%

    гази

    2393кг

    63.4%

    Кам'яне вугілля

    519кг

    13.75







    Мех. винос

    6.8%




    Втрати з пилом ( )

    1.27%




    проблема

    75.23кг

    2%

    Разом:

    3775кг

    100%

    Разом:

    3775кг

    100%







    висновок

    В результаті роботи проведені розрахунки процесу одержання технічного кремнію, складений матеріальний баланс, розраховано, що в результаті плавки c використанням шихтових матеріалів заданого складу буде отримано технічний кремній марки Кр3.


    Список використаної літератури

    1. Черних А.Є., Зельберг Б.І. Виробництво кремнію, изд. «МАНЕБ», Іркутськ, 2004

    2. Гасик М.І., Лякишев Н.П. Теорія і технологія електрометалургії феросплавів. Підручник для вузів. СП «Інтермет Інжиніринг», Москва, 1999



    Додаток 1. Ескіз електропечі типу РКО-25

    1. Кожух

    2. Футеровка

    3. Водоохолодження

    4. Огорожа короткої мережі

    5. Коротка мережу

    6. Установка екранів

    7. Гідропідйомники

    8. Пристрій перепуску електродів

    9. Електродотримачі