ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кремния карботермическим восстановлением в электродуговых печах.
Важным элементом дуговой печи является футеровка, обеспечивающая стабилизацию теплофизических параметров процесса, определяющая срок эксплуатации оборудования. Важным элементом внутреннего пространства электродуговой печи является гарнисаж, образующийся при ведении технологического процесса на внутренней поверхности блоков боковой футеровки. Гарнисаж предохраняет угольные блоки боковой футеровки от прямого термического воздействия и агрессивного действия расплава.
Известно устройство футеровки ванны рудно-термической печи, состоящей из огнеупорных, теплоизоляционных и связующих материалов, углеродных блоков, в которой верхний слой блоков покрыт защитным слоем из подовой массы толщиной 5÷40 мм (патент РФ №2194933, F27D 1/00, 2002 г., [1]).
Защитный слой из подовой массы предохраняет угольные блоки футеровки от окисления только в начальный пусковой период, но не сохраняет своих защитных свойств в послепусковой период и не защищает углеродную футеровку от агрессивного термохимического воздействия рабочей зоны печи.
Известен углеродсодержащий огнеупорный материал, включающий карбид кремния, кремний металлический, графит, который дополнительно содержит окись алюминия, термоантрацит и каменноугольный пек при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Термоантрацит - 43-53
Графит - 23-33
Каменноугольный пек - 17-21
Карбид кремния - 10-20
Кремний металлический - 3-7
Окись алюминия - 1-3
(патент РФ №2214380, С04В 35/52, 2003 г., [2]).
2
Из данного состава изготавливают экструзией блоки при давлении 50 кг/см, затем проводят достаточно длительную двухстадийную термическую обработку блоков при температурах 900-1250°С с выдержками. Полученные блоки имеют достаточно высокую прочность и огнеупорность.
Но высокая пористость блоков значительно снижает эрозионную стойкость при воздействии высоких температур и химически активных реагентов. Кроме того, высокая стоимость блоков, обусловленная значительными энергетическими затратами и использованием дорогостоящего специального оборудования при изготовлении.
Известна электродуговая печь для плавки кремния, включающая корпус печи, выполненный в виде стального кожуха, снабженного внутри футеровкой, выполненной из теплоизоляционного и огнеупорного слоев, боковые и подовые углеродные блоки, электроды, размещенные внутри ванны, образованной футеровкой из боковых и подовых углеродных блоков, защитный слой на наружной поверхности боковых углеродных блоков, для получения которого при пуске печи к угольной футеровке загружают конусом небольшие порции кварцита или кварца, а к электродам печи загружают шихту с недостатком восстановителя (Венгин С.И., Чистяков А.С. Технический кремний, с.155-158, М., Металлургия, 1972 г, [3]).
По назначению, технической сущности и по наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Известный вариант первоначального формирования гарнисажа недостаточно эффективен. Возможно образование на поверхности боковых углеродных блоков неоднородного и недостаточно прочного слоя, что увеличивает время пускового периода и выхода на рабочий технологический режим. Возможно образование настыли на подовых блоках в момент пуска, что может отрицательно сказаться на параметрах процесса.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей процесса и увеличение срока службы оборудования.
Техническими результатами являются: сокращение времени пускового периода и выхода на оптимальный технологический режим, за счет ускоренного формирования гарнисажа и формы рабочего пространства печи, повышение стойкости и срока службы футеровки печи.
Технические результаты достигаются тем, что в электрической дуговой печи для производства кремния, включающей корпус печи, выполненный в виде стального кожуха, снабженного внутри футеровкой, выполненной из теплоизоляционного и огнеупорного слоев, боковые и подовые углеродные блоки, электроды, размещенные внутри ванны, образованной из боковых и подовых углеродных блоков, защитный слой на наружной поверхности боковых углеродных блоков, защитный слой на наружной поверхности боковых углеродных блоков выполнен в виде гарнисажа из затвердевших на поверхности боковых углеродных блоков продуктов, образующихся в процессе электро-тепло-химического взаимодействия компонентов шихты, загружаемой в ванну в предпусковой период, при этом, на подовых блоках, по периметру боковых углеродных блоков предварительно выполнен слой из кремнезем-углеродсодержащих материалов при соотношениях, обеспечивающих образование карбида кремния при ведении технологического процесса.
Кроме того, в предпусковой период на подовых блоках по периметру боковых углеродных блоков может быть выполнен слой из кварцевой крупки и сажи толщиной не менее 70 мм.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Предлагаемая электрическая дуговая печь и электродуговая печь для плавки кремния по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- металлический кожух;
- слой теплоизоляционного материала;
- слой огнеупорного материала;
- боковые и подовые углеродные блоки;
- защитный слой на наружной поверхности боковых углеродных блоков:
- электроды, установленные в ванне, образованной боковыми и подовыми углеродными блоками;
- защитный слой на наружной поверхности боковых углеродных блоков выполнен в виде гарнисажа из затвердевших на поверхности боковых углеродных блоков продуктов, образующихся в процессе электро-тепло-химического взаимодействия компонентов шихты, загружаемой в ванну в предпусковой период.
Предлагаемая электрическая дуговая печь также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих печь по ближайшему аналогу:
- на подовых блоках, по периметру боковых углеродных блоков предварительно выполнен слой из кремнезем-углеродсодержащих материалов;
- слой из кремнезем-углеродсодержащих материалов выполнен при соотношениях, обеспечивающих образование карбида кремния при ведении технологического процесса.
Кроме того, в предпусковой период на подовых блоках по периметру боковых углеродных блоков может быть выполнен слой из кварцевой крупки и сажи толщиной не менее 70 мм.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Срок службы электродуговой печи, стабильность технологических параметров процесса зависит от стойкости футеровки печи и стабилизации формы рабочего пространства печи. Формирование рабочего пространства печи и формирование твердого слоя на внутренней поверхности боковой углеродистой футеровки происходят в процессе пуска и эксплуатации печи из продуктов протекающей реакции. Твердый слой на поверхности боковой углеродистой футеровки образуется в результате кристаллизации продуктов протекающих в рабочем пространстве печи реакций, в основном из карбида кремния. Разница температур в рабочем пространстве и на поверхности боковой углеродистой футеровки обеспечивает затвердевание на этой поверхности (имеющей температуру меньшую, чем температура кристаллизации продукта реакции в виде карбида кремния). Защитный слой из карбида кремния, во-первых, предохраняет боковую углеродистую футеровку от агрессивного воздействия высокотемпературного расплава со стороны рабочей зоны печи, во-вторых, является термосопротивлением, способствующим предотвращению тепловых потерь из рабочей зоны печи и снижающим термическую нагрузку на футеровку. Таким образом, наличие гарнисажа повышает срок службы футеровки (и печи соответственно), обеспечивает стабильный технологический режим и, в целом, повышает технико-экономическую эффективность процесса. При традиционной технологии образование гарнисажа происходит при работе печи в режиме пуска, в послепусковой период и завершается в процессе стабильного технологического режима печи. Толщина гарнисажа увеличивается постепенно, что снижает его защитные функции в начальный период работы печи. Образование гарнисажа зависит от конструктивных особенностей печи, технологических показателей работы печи, компонентного состава шихты.
В предлагаемом решении осуществляется целенаправленное формирование гарнисажа и рабочего пространства печи в пределах допустимых изменений технологических показателей процесса и состава шихты. Для обеспечения необходимых и достаточных условий формирования гарнисажа в начальный период работы печи перед пуском на подовых блоках по периметру боковых углеродных блоков выполнен слой из кремнезем-углеродсодержащих материалов при соотношениях, обеспечивающих образование карбида кремния при ведении технологического процесса. При электрическом включении печи начинается электро-тепло-химического взаимодействие компонентов шихты, загружаемой в ванну в пусковой период. Одним из продуктов реакции является карбид кремния. Промежуточный продукт реакции, образующийся при более низких температурах - карбид кремния в первую очередь затвердевает на стенках боковой футеровки, образуя твердый огнеупорный защитный слой на наружной поверхности боковых углеродных блоков. Выполнение в предпусковой период по периметру наружной поверхности боковых углеродных блоков слоя из кремнезем-углеродсодержащих материалов при соотношениях, обеспечивающих образование карбида кремния значительно ускоряет процесс образования гарнисажа, так как основа гарнисажа появляется сразу же после электрического включения печи и начала процесса. Таким образом образование защитного слоя на поверхности футеровки и формирование формы рабочего пространства печи значительно ускоряется. Такое ускоренное формирование позволяет значительно сократить пусковой период, быстрее вывести печь на стабильный технологический режим, сократить время агрессивного термохимического воздействия на футеровку, а следовательно повысить коэффициент полезного использования печи, технико-экономические показатели процесса и срок службы оборудования.
Загрузка слоя шихтовых углерод-кремнеземсодержащих материалов при соотношениях, обеспечивающих образование карбида кремния является необходимым и достаточным условием для образования слоя твердого гарнисажа в пусковой период. Последующий рост гарнисажа и формирование формы рабочего пространства печи происходит уже на первоначальном твердом слое в процессе эксплуатации печи и может регулироваться изменением электрических параметров печи, изменением положения электродов и загрузкой шихтовых материалов при определенных соотношениях компонентов.
Электрическая дуговая печь включает (фиг.1) металлический кожух, 1, толщиной 5 мм, теплоизоляционный слой футеровки, 2, огнеупорный слой футеровки, 3, боковые углеродные блоки, 4, подовые углеродные блоки, 5, электроды, 6. По периметру наружной поверхности боковых углеродных блоков 4 выполнен слой из кремнезем-углеродсодержащих материалов, 7, и, образующийся при электрическом пуске печи на стенках боковых углеродных блоков 4, слой затвердевших продуктов реакции, 8, в основном из карбида кремния.
Электродуговая печь работает следующим образом.
При электрическом включении печи начинается электро-тепло-химическое взаимодействие компонентов слоя шихты, 7. Одним из продуктов проходящих реакций является карбид кремния, который кристаллизуется на боковых стенках углеродистой футеровки печи и образует твердый прочный слой 8 на поверхности блоков 4 - основу гарнисажа. В процессе работы печи толщина слоя 8 увеличивается за счет затвердевания на основе высокотемпературных продуктов реакции и происходит окончательное формирование гарнисажа и формы рабочего пространства печи.
В послепусковой период возможно регулирование процессов формирование гарнисажа и формы рабочего пространства регулированием электрических параметров печи, изменением положения электродов 6 и загрузкой шихтовых материалов различного компонентного состава. При выходе печи на оптимальный технологический режим тепловой поток из рабочего пространства печи через, образующийся в процессе работы печи гарнисаж 8, через углеродные блоки 4, проходит через огнеупорный 3 и теплоизоляционный слои 2 и достигает металлического кожуха 1. Расчет толщин слоев кирпичной кладки (огнеупорного и теплоизоляционного слоев) обеспечивает температуру на наружной поверхности металлического кожуха ~58°С (по требованиям ТБ не более 60°С), что обеспечивает требования техники безопасности эксплуатации печи.
В то же время гарнисаж 8 защищает наружную поверхность углеродных блоков 4 от агрессивного воздействия расплава жидкого кремния, что обеспечивает целостность футеровки и повышение срока эффективной эксплуатации печи, а также стабилизацию технологических параметров процесса.
Использование предлагаемого технического решения сокращает длительность пускового периода, снижает затраты электроэнергии, обеспечивает сокращение времени выхода печи на оптимальный технологический режим, стабилизацию технологических параметров процесса и повышение технико-экономических показателей. Повышается срок службы печи.
ИНФОРМАЦИЯ
1. Патент РФ №2194933, F27D 1/00, 2002 г.
2. Патент РФ №2214380, С04В 35/52, 2003 г.
3. Венгин С.И., Чистяков А.С. Технический кремний, с.155-158, М., Металлургия, 1972 г