Выплавка кремния в электодуговых печах



Скачать 101.01 Kb.
Дата01.08.2018
Размер101.01 Kb.
#40721

Выплавка кремния в электодуговых печах

Процесс карботермической плавки кремния может быть описан одной основной реакцией [7]:



SiO2 + 2C = Si + 2CO. (3.1)

Теоретическая температура начала реакции составляет 1554 °С. О.А. Есин и П.В. Гельд полагают, что сдвиг равновесия в реакции (2.1) в сторону образования расплава кремния начинается с 1600 °С. По мнению Бруннера взаимодействие SiO2 с углеродом протекает интенсивно при 1670 °С. Однако фактически восстановление кремнезёма углеродом происходит не по вышеприведенной упрощенной реакции, а с образованием целого ряда промежуточных реакций.

Согласно представлениям О.М. Каткова горн РТП по вертикали можно разбить на пять технологических зон, каждая из которых характеризуется своей температурой и вероятностью протекания одной или нескольких реакций в пределах температур, соответствующих началу и окончанию взаимодействия (см. рисунок 3.1).схема восстановления кремнезёма в горне ртп

Рисунок 3.1 – Схема восстановления кремнезёма в горне РТП

Специфические особенности работы технологических зон в порядке их расположения в горне, следующие.

Зона 1. 500 – 1350 °С (фактически до 1710 °С – температуры плавления кварца и стекания остатков шихты вниз). Нагрев шихты, испарение влаги, пиролиз углеводородов, восстановление металлов-примесей (железо и др.), фильтрация и адсорбция газов и паров.

Зона 2. 1350 – 1475 °С. Низкотемпературное восстановление SiO2: и SiC по реакции (3.2). Здесь закладывается основа полноты восстановления и извлечения кремния. Успех последующего восстановления SiO в зоне 5 по гетерогенным реакциям (3.3), (3.4) и (3.5) определяется качеством генерированного по реакции (3.2) SiC, который является метаморфозой структуры углеродистого восстановителя и наследует его реакционную способность. Происходит также фильтрация и адсорбция газов и паров.

SiO2 + 3C = SiC α,β + 2СО (3.2)

SiC α,β + SiO = 2Si + CO (3.3)

SiC α + SiO = 2Siг + CO (3.4)

SiC α + SiO = 2Si + CO (3.5)

Зона 3. 1625 – 1850 °C. Низкотемпературное замедленное восстановление кремнезёма по реакции (3.6) при зависании шихты с образованием SiO, часть которого может находиться в газообразном состоянии и выдуваться из зоны реакционными газами. Фильтрация и адсорбция газов и паров. Плавление и стекание вниз кварцита, смывание остатков С и SiC.

2SOi2 + SiC α,β = 3SiO + СО (3.6)

Зона 4. 1710 – 1900°С. Диспропорционирование SiO по реакции (3.7) при выдувании реакционного газа из высокотемпературной зоны нижней части горна и его охлаждении. Продукты реакции (3.7) - Si и SiO2 – дисперсии. Степень их выноса и потерь определяется фильтрующей и адсорбирующей способностью колошника.

2SiO = Si + SiO2. (3.7)

Зона 5. 1900 – 2670 °С. Высокотемпературное ускоренное восстановление SiO, выдуваемого из горна, по однотипным реакциям (3.5) и (3.3) до 2300 °С в противотоке с SiC, смываемым вниз расплавленным кварцитом, и по реакции (3.4) – продолжением предыдущего этапа взаимодействия с получением Siгаз при повышении температуры до 2670 °С.

В нижней части зоны при 2300 – 2670 °С происходит высокотемпературное довосстановление кремнезёма из провалившейся при опиковке в глубину горна шихты и стёкших вниз по стенкам расплавленных остатков кварца и восстановителя. Возможно протекание двух реакций: (3.6) – ускоренное восстановлении SiО2 из провалившейся шихты; (3.8) - при недостатке твёрдого восстановителя возможно металлотермическое довосстановление SiО2 из шлака при температур ре более 1861 °С жидким кремнием и газификация кремнезёма до SiOгаз:



SiO2 + Si = 2SiO (3.8)

В нижнем придонном слое реакция (3.8), по-видимому, тормозится снижением температуры кремния ниже указанного предела из-за высокой теплопроводности углеродистой футеровки пода печи. Газообразный продукт реакций (3.6) и (3.8) – SiO – быстро довосстанавливается сразу же после образования по реакциям (3.4), (3.5) и (3.3) в высокотемпературной зоне 5. Здесь образуется основное количество кремния, который стекает под электрод. В кремнии запутываются остатки недовосстановленного шлака. При подъёме газов вверх и охлаждении ниже 2300 °С из них конденсируется Siж.

Таким образом, получение кремния возможно только при высокой температуре в глубине горна, и образование промежуточного летучего продукта – SiO начинается при недостаточной для полного восстановления температуре в верхней части горна, в связи, с чем ощутимая часть SiO может выдуваться реакционными газами и снижать извлечение кремния в конечный продукт на 15 – 30%.

Полное восстановление кремнезёма зависит, прежде всего, от скорости нагрева шихты и температурных условий. Практически это определяется режимом протекания реакций (3.8) и (3.6) и условиями образования летучего монооксида кремния:



SiО2 m + Ст = SiOгаз + СОгаз. (3.9)

Протекание реакций (3.9) и (3.6) при зависании шихты на колошнике в технологической зоне 3 может быть мерилом величины потерь SiO с реакционными газами. В этом случае снижение потерь SiO может обеспечить только фильтрация газов через колошниковый слой шихты (зона 1 и 2), что будет зависеть от фильтрующих и адсорбирующих свойств шихтовых материалов, в первую очередь восстановителя.

Протекание реакции (3.6) при высокой температуре, осадке шихты и стекании остатков жидкого кварцита в технологическую зону 5 обеспечивает быстрое восстановление кремния, а также газификацию кремнезёма из остатков шихты и шлака до SiO и его последующее довосстановление.

Главные реакции получения кремния – (3.3 – 3.5) – протекают в технологической зоне 5 при температуре выше 2000 °С.

Причина образования SiO как неизбежного промежуточного продукта реагирования – реакции (3.6) и (3.9). При правильной загрузке шихты и нормальном ходе плавке решающее значение имеет непрерывный сход шихты и быстрое протекание в глубине горна реакции (3.6) и основных реакций довосстановления SiO до Si – (3.3 – 3.5). При недостатке восстановителя в балансе получения кремния начинает возрастать значение реакции (1.8). Эта реакция в зоне 5 является, по-видимому, фактором, приводящим к снижению содержания шлака в кремнии до 1 – 3 % при выпуске его из горна.

Таким образом, степень восстановления SiО2 до Si в процессе плавки определяется следующими факторами:



  1. условиями восстановления SiО2: чем больше SiО2 будет восстанавливаться в нижней высокотемпературной зоне горна, тем выше будет извлечение кремния, лучше проплав и сортность, ниже расход энергии;

  2. чем выше будет реакционная способность УВ, тем больше SiO восстановится до Si и меньше вынесено газами;

  3. чем выше фильтрационная и адсорбционная способности шихты (восстановителя) на колошнике, тем большая часть SiO, Si и SiО2, полученных по реакции (3.7), будет уловлена и возвращена в высокотемпературную зону на довосстановление.

Извлечение кремния при плавке определяется комбинацией всех трёх факторов. Очевидно, что решающее значение будет иметь первый – условия восстановления и высокая температура. Велико значение и остальных двух факторов. Оно возрастает в случае плохого схода шихты в горне при её зависании и развитии реакции (3.6) в верхней части печи, сопровождающимся выносом SiO с газами.

Исходя из вышеперечисленного, может сделать вывод о том, что наибольшее значение для плавки имеет равномерный сход шихты в высокотемпературную зону, т.е. режим загрузки горна печи. Следовательно, в целях улучшения технологии плавки необходимо:



  • оптимизировать сход шихты в высокотемпературную зону горна для быстрого и полного восстановления промежуточного продукта реагирования – SiO;

  • применять восстановители только с высокой р.с.;

  • увеличить температуру в горне за счёт оптимизации электрического режима, концентрации в центре печи разделённого на три части электрического и теплового полей печи, что обеспечит восстановление большей части шихты в высокотемпературной зоне и улучшение технологических показателей.

Конструкции руднотермических печей

Первая в нашей стране печь для выплавки кремния – двухэлектродная однофазная электропечь мощностью 5500 кВ.А – появилась на наших заводах в 1938 г., затем была реконструирована (до 7000 кВ.А) и до недавнего времени действовала на Запорожском алюмокремниевом заводе (Украина, ранее Днепровский алюминиевый завод (ДАЗ) в СССР) и действует на ОАО «Кремний – Урал» (ранее электротермический цех на Уральском алюминиевом заводе (УАЗ) и характеризуется достаточно высокими технологическими показателями (рисунок 3.2).

За рассматриваемый период времени полная мощность данных электропечей возросла с 3 до 25 МВ.А (в 8,3 раза); активная мощность с 2,8 до 15,5 МВт (в 5,4 раза). Рост производительности по кремнию – в 4,1 раза; рост удельного расхода электроэнергии – в 1,8 раза. Извлечение кремния снизилось с 84 – 89% до 76 – 78% и ниже. В целом произошло отставание качества от количества.

1 ванна печи; 2 кожух; 3 устройство для прожига летки; 4 футеровка; 5 электроды; 6 система охлаждения; 7 механизм перемещения и перепуска электродов; 8 ошиновка.однофазная двухэлектродная рвп для выплавки кремния



Рисунок 3.2 – Однофазная двухэлектродная РВП для выплавки кремния мощностью 6,5 МВ.А
Рассматривалась возможность использования однофазных печей. Для них отмечено более благоприятное распределение тока, более легкое регулирование хода печи, сохранение создавшейся зоны восстановления с высокой концентрацией энергии и температуры. Такие печи имеют минимальное реактивное сопротивление и электрические потери.

В связи со строительством новых цехов кремния на Братском алюминиевом (БрАЗ) и Иркутском алюминиевом заводах (ИркАЗ) были начаты испытания и промышленная эксплуатация трехфазных трехэлектродных открытых вращающихся печей мощностью 16,5 МВ.А с угольными электродами импортного и отечественного производства d = 1205 мм (рисунок 3.3). Первые печи такой конструкции и мощности в электротермическом цехе ИркАЗа были пущены поочередно в 1981, 1982 г.г. и две в 1984 г.

1 – ленточный прожиговый аппарат; 2 – футеровка; 3 – кожух; 4 – зонт;5 – токопровод; 6 – гидросистема прижима контактных плит; 7 – механизм перепуска электродов; 8 – гидроподъемник; 9 – трубопровод; 10 – короткая сеть; 11 – трансформатор; 12 – система водоохлаждения.16,5


Рисунок 3.3 – Трехфазная трехэлектродная РВП с вращающейся ванной мощностью16,5МВ.А
В 1988 г. начата эксплуатация первых открытой вращающейся трехфазной печи мощностью 25 МВ.А с теми же электродами d = 1205 мм, но теперь загруженными до оптимальной мощности на ИркАЗе и БрАЗе (рисунок 3.4).
1 – механизм перепуска электродов; 2 – гидроподъемник; 3 – труботечка; 4 – мантель; 5 – печной трансформатор; 6 – короткая сеть; 7 – газоход; 8 – подвесные щитки; 9 – зонт; 10 – ленточный прожиговый аппарат; 11 – кожух; 12 – футеровка; 13 – плита вращения; 14 – механизм вращения; 15 – электрод.трехфазная трехэлектродная открытая рвп копия1


Рисунок 3.4 – Трехфазная трехэлектродная открытая РВП для выплавки кремния с вращающейся ванной мощностью 25 МВ∙А
Применение печей, работающих на постоянном токе. В 1997 г. в Запорожье пущена в промышленную эксплуатацию электропечь для выплавки кремния на постоянном токе РПО – 9 КрВТ мощностью 6,4 МВт.

Основная особенность агрегата – электропроводная подина печи, имеющая узел токоподвода, рассчитанный на ток, равный сумме токов двух верхних печных электродов. Силовая схема и конструкция агрегата обеспечивают его работу на выпрямленном токе как по схеме питания «электрод – подина», так и при замыкании тока, между верхними электродами минуя подину, что удобно использовать при пусковых и переходных режимах эксплуатации печи (см. таблицу 3.1).

Таблица 3.1

Параметры печи кремния РВП – 9 КрВТ


Параметр

Значение

Активная мощность, МВт

6,4

Питающее напряжение, кВ

10

Диаметр электродов, мм

710

Тип электродов

графитированные

Годовая производительность, т/год

4500


Известен проект кремниевой печи постоянного тока мощностью 22 МВт для замены электропечей мощностью 25 МВ·А (рисунок 3.5).

1 – перепуска электродов; 2 – гидроподъемник; 3 – труботечка; 4 – мантель; 5 – силовой блок; 6 – короткая сеть; 7 – газоход; 8 – подвесные щитки; 9 – зонт; 10 – леточный прожиговы аппарат; 11 – кожух; 12 – футеровка; 13 – плита вращения; 14 – механизм вращения; 15 – электрод.


Рисунок 3.5 – Двухэлектродная РВП для выплавки кремния на постоянном токе мощностью 22 МВт

Предполагалось создать печь, используя два существующих электрода диаметром 1205 мм печи РКО – 25 – КрИ1 с их подвеской, системой вертикального перепуска и наращивания. Третий электрод подлежит демонтажу.

Старая круглая ванна печи демонтируется и сооружается новая прямоугольная с внутренними размерами в плане 7700 х 4400 мм и глубиной 3300 мм. Старые печные трансформаторы ЭОЦНК – 21000 / 10 демонтируются. Для новой печи разрабатываются и создаются новые трансформаторные агрегаты, оснащенные реверсивными тиристорными выпрямителями, их работа предусматривается с нулевым углом фазового управления, т.е. по принципу диодных выпрямителей, а управление тиристорами по управляющему электроду производится только для осуществления реверсивного переключения, т.е. перемены полярности электрод – подина.

Новые трансформаторные агрегаты размещаются на нулевой отметке цеха в специально проектируемых для них помещениях.

Токоподвод к печи осуществляется по схеме электрод – подина, т.е. кожух и ванна печи проектируются с токоподводом к подине.

Параметры печи:

  • ток электрода – 75 кА;

  • рабочее напряжение электрод-подина – 120 В;

  • диапазон ступенчатого регулирования вторичного напряжения трансформаторного агрегата по выпрямленному току 70 – 160 В;

  • активная мощность печи – 22 МВт (по 11 МВт на электрод);

  • удельный расход электроэнергии 13 – 14 тыс. кВт∙ч / т кремния;

  • производительность печи до 1330 кг / ч.;

  • извлечение 90 % и более;

  • снижение выбросов пыли с колошника по сравнению с печью переменного тока в 5 – 6 раз;

  • снижение расхода электродов примерно на 50 %;

  • годовая производительность до 10 тыс. тонн, что более чем в два раза выше производительности печи ДАЗа РПО – 9 – КрВТ.

Таким образом, переход с трехфазного переменного тока к постоянному на 2-х электродной печи, где при работе по схеме «электрод – под» полностью исключаются отрицательные взаимодействия между фазами, возникновение шихтовой междуэлектродной проводимости и общей трехфазной нестабильности дает возможность получить стабильный электрический, тепловой, температурный режимы, обеспечить устойчивое равновесие балансов тепловыделения и теплопотребления при постоянной оптимальной температуре, что является залогом обеспечения оптимального режима восстановления и высоких технологических показателей.

В заключение обзора вопроса перевода электропечей кремния на постоянный ток следует отметить ее актуальность, техническую возможность и экономическую целесообразность. После испытания печей мощностью 9 и 22 МВт откроется перспектива реконструкции РВП 16,5 и 25 МВ·А.

Скачать 101.01 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница