УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ ИЗ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ И РИСОВОЙ СОЛОМЫ И/ИЛИ КРЕМНЕСОДЕРЖАЩИХ КОМПОНЕНТОВ

Полезная модель относится к оборудованию для получения карбида кремния (SiC) из отходов риса для использования его при производстве абразивного инструмента и SiC высокой чистоты, пригодного для электронной промышленности и в других областях.
Имеются данные по оборудованию для производства SiC из кремнезема и из рисовой шелухи восстановлением их молотым коксом или термически обработанным бурым углем [1-3].
2
Восстановление проходит обычно при высокой температуре в вакуумных печах или в печах с контролируемой атмосферой, что необходимо для предотвращения окисления полученного SiC в оксид кремния (SiO).
Основными недостатками применяемого оборудования для производства SiC из рисовой шелухи (РШ) или рисовой соломы (PC) являются.
1. Применяемое оборудование для размола кокса или бурого угля очень энерго- и материалоемко, имеет низкую производительность, и занимает большие производственные площади. Крупность частиц после помола остается очень высокой, что определяет длительность процесса, так как реакции взаимодействия приобретают явно выраженный диффузионный характер.
2. Использование вакуумных печей и печей с контролируемой атмосферой определяет цикличность процесса.
3. Печи имеют низкую производительность, высокий удельный расход энергии, сложность конструкции и дорогостоящее обслуживание. Их рабочая зона не велика и приспособлена для обработки порошкообразных смесей.
4. Рисовая шелуха (РШ) и рисовая солома (PC) перед синтезом подвергают термической обработке и переводят кремний шелухи в «аморфный» кремнезем, что требует дополнительного, оборудования и расхода энергии для восстановления. Увеличенный расход энергии определяется тем, что «аморфный» кремнезем является термодинамически прочным соединением со скомпенсированными связями.
5. Все примеси из коксика и угля переходят в SiC, ухудшая его качество.
Задача стоит в том, чтобы улучшить качество SiC, увеличить выход годного, сократить расход энергии и создать оборудование для рентабельного производства.
Техническим результатом полезной модели является повышение качества SiC, обеспечение возможности введения в него различных добавок, снижение энергетических затрат, значительное увеличение выхода годного и уменьшение экологической напряженности в рисосеющем регионе.
Технический результат достигается за счет того, что установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов содержит последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, при этом она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на вале стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь снабжена холодильником конусного типа.
Установка активации процессов снабжена оснасткой для транспортировки порошка внутри рабочей зоны.
Установка выполнена с возможностью работать в непрерывном режиме.
Кроме того технический результат достигается за счет того, что установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов содержит последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, при этом она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на вале стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь выполнена в виде реактора непрерывного действия, который разделен на три зоны с различными температурными режимами и снабжен системой отсоса дымовых газов и холодильником конусного типа для охлаждения полученного порошка карбида кремния.
Нижнюю зону реактора собирают из пустотелого графитового цилиндра, опирающегося на графитовый поддон и «разбойника», который центрируется в выточке поддона, имеющего в центре сквозное отверстие, существенно меньшее по диаметру относительно «разбойника».
Верхняя часть «разбойника» выполнена в виде конуса, под углом равным 45-60° относительно оси «разбойника», а в нижней трети «разбойника» прорезаны 4-8 каналов под углом 45-60° к его оси, обеспечивая сход порошка карбида кремния в холодильник.
Между пустотелым цилиндром и «разбойником» выполнена кольцевая реакционная зона, размеры которой определяются диаметром внутреннего отверстия цилиндра и диаметром «разбойника».
Средняя зона реактора оборудована генератором сверхвысоких частот, а нижняя зона - генератором высокой частоты.
Установка выполнена с возможностью работать в непрерывном режиме.
Основным узлом оборудования для утилизации РШ (PC) является установка для непрерывного производства SiC без использования вакуумных печей.
Для обеспечения ее успешной эксплуатации созданы и испытаны высокопроизводительные измельчители типа ИУ-1(2) по ТУ 3618-002-78332832-2008 [5], обеспечивающие тонину помола порошков до 44 мкм независимо от вида измельчаемого материала.
Для достижения практически идеального смешивания и домола установка снабжена установкой активации процессов типа УАП-1В-2 по ТУ 3614-001-78332832-2006, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в рабочей зоне установки [4].
Для предотвращения расслоения после смешивания порошки прессуют на быстроходном прессе в брикеты (таблетки) с относительной плотностью 50-60%. Брикеты (таблетки) должны обладать достаточной прочностью и выдерживать транспортировку. Предусматривается транспортировка РШ и PC из других районов в виде брикетов.
Брикеты транспортируют к реактору при помощи шнека, выходная часть которого герметично подсоединяется к кожуху. Реактор представляет собой шахтную печь непрерывного действия, состоящую из трех зон.
В верхней зоне реактора при температуре плюс 100 - плюс 200°С брикеты подсушиваются. При постепенном их опускании температура в шахте растет и начинается диссоциация целлюлозы и лигнина. В результате вначале возникают реакции взаимодействия ионов углерода и кремния, входящих в состав органических компонентов шелухи. Одновременно растет объем газов, формирующихся при диссоциации и взаимодействии компонентов. Нагретые газы поднимаются вверх и нагревают выше лежащие слои брикетов. В верхней части средней зоны объем брикетов уменьшается.
2
При дальнейшем опускании шихты ее температура продолжает расти, что приводит к интенсификации реакций восстановления добавленного SiO углеродом или металлическим кремнием.
Наиболее высокие температуры (до 1700-1750°С) достигаются в нижней части реактора. При этом полученный карбид γ-SiC переходит в другую модификацию - α-SiC.
Нижняя часть реактора представляет собой шахту в виде пустотелого цилиндра, который опирается на поддон с отверстием в центре. При помощи цилиндрической выточки в поддоне центрируется «разбойник», определяющий конфигурацию этой части реактора. Причем поддон имеет в центре сквозное отверстие для схода SiC. «Разбойник» в нижней части имеет каналы, сходящиеся к его центральной оси и предназначенные для схода SiC.
Ширина кольцевой зоны определяется диаметром и высотой установленного в центре «разбойника». Полученный продукт в виде тонкого порошка как бы «стекает» вниз к зоне охлаждения, которая представляет собой кольцевой холодильник, соединенный со шнеком.
Материал реактора: верхняя и средняя зоны выполнены в виде стальных цилиндров, футерованных изнутри кольцами из графита, средняя зона снаружи покрыта слоем изоляционного материала; нижняя - представляет собой пустотелый графитовый цилиндр с графитовым «разбойником». Цилиндр и «разбойник» опираются на графитовый поддон.
Нижняя часть реактора заключена в корпус из асбоцементных плит, который заполнен теплоизолирующим материалом.
Тип нагрева выбирают в зависимости от размеров шахтной установки и хода процесса. При этом следует учитывать коренные изменения физико-химических свойств исходных и конечных продуктов.
Так, брикетированная шихта обладает свойствами диэлектрика, а полученный карбид - это высокотемпературный полупроводник. Материалом высокотемпературной части реактора является графит, обладающий свойствами проводника с высоким электросопротивлением. Наличие графита определяет восстановительные свойства атмосферы рабочего пространства установки.
Поэтому в средней зоне для ускорения прогрева можно устанавливать генератор сверхвысокой частоты, способный нагревать диэлектрики и полупроводники, а в нижней части - высокочастотный генератор (преобразователь) для нагрева графита.
Выбор типа нагрева и генератора определяется по месту в зависимости от производительности, состава и вида исходного и конечного продуктов.
Следует иметь ввиду, что в случае использования генератора сверхвысокой частоты слой теплоизоляции, а это обычно керамика, ставить не требуется.
На фиг.1 представлена общая схема установки.
На фиг.2 показан общий вид реактора.
Установка для утилизации РШ и PC содержит (фиг.1) узлы измельчения РШ и PC 1, отходов металлического кремния, кремнезема 2, которые соединены шнеками 3 и 4 с емкостью 5 (в ряде случаев емкость 5 может отсутствовать). Из емкости 5 шнеком 6 смесь порошков подают в смеситель (активатор) 7 и далее в пресс 8. Пресс 8 соединен шнеком 9 с реактором 10, из которого готовый порошок карбида поступает для охлаждения в емкость 11 и затем в фасовочный автомат 13. Фасованный продукт 14 по конвейеру 15 отправляют на склад. Готовый порошок может транспортироваться непосредственно от холодильника 12 водоохлождаемым шнеком 19 к участку фасовки.
Реактор (фиг.2) представляет собой шахтную печь, состоящую из верхней 16, средней 17 и нижней 18 рабочих зон. Верхняя 16 и средняя 17 зоны заключены в стальной корпус 19, защищенный изнутри графитовыми кольцами (блоками) 21, средняя зона 17 снаружи закрыта слоем теплоизоляционного материала 20. Нижняя зона заключена в корпус 22 из плит асбоцемента. Средняя зона прогревается СВЧ генератором (на фигуре 2 не показан) с рабочим органом - конденсатором 29 и токоподводом 30. Нижнюю зону обогревают ВЧ - генератором (на фиг.2 не показан) с индуктором 32 и токоподводом 31. Промежуток между индуктором 32, корпусом 22 заполнен порошком магнезита 28. На дне корпуса 22 уложен слой кирпичей из магнезита или магнезито-хромита 23, на котором установлена нижняя рабочая зона 18, состоящая из пустотелого графитового цилиндра (толщина стенки не менее 50 мм) 25, опирающегося на графитовый поддон 24 и на слой огнеупорного кирпича 23. Поддон 24 имеет выточку для центровки «разбойника» 26 с отверстием в центре для схода готового порошка SiC.
Углы выточки и отверстия поддона 24 должны быть скруглены радиусом 10-15 мм. Разбойник 26 представляет собой графитовый цилиндр, наружный диаметр которого определяет размеры рабочей зоны (кольцевой щели) 37. Верхняя и нижняя части «разбойника» 26 выполнены виде конусов (угол 45°), причем верхняя точка конуса достигает верхней кромки нижней зоны 18, а нижний конус входит в кольцевой холодильник 27. Нижняя цилиндрическая часть «разбойника» 26 образует со стенкой отверстия в поддоне 24 кольцевую щель 38 для схода порошка SiC в холодильник 27. В нижней цилиндрической части «разбойника» прорезаны по радиусу каналы (течки) 36 под углом 45-60°. Число каналов (течек) составляет от 4 до 8 штук. Начало течек на 20-30 мм выше верхней кромки поддона 24, конец находится у основания нижнего цилиндра «разбойника».
Реактор работает следующим образом.
Предварительно измельченные, смешанные и спрессованные в брикеты компоненты подают шнеком 34 в верхнюю зону 16 реактора, где они при движении вниз нагреваются и просушиваются. На входе в среднюю зону 17 температура шихты достигает 300-500°С. В этой части реактора формируется основное количество газов: пары воды, и азот которые выходят в атмосферу через верхнее строение 35.
По мере опускания шихты температура растет и в средней зоне 17 проходит первый этап карбидообразования: вначале проходит диссоциация целлюлозы (общее количество целлюлозы в РШ и PC составляет 10-25% [1]) и лигнина с образованием ионов кремния и углерода. Причем углерода образуется значительно больше, чем кремния из-за различия в их содержании в исходных целлюлозе и лигнине [1, 2]. Образовавшиеся ионы кремния и углерода взаимодействуют между собой с образованием карбида кремния:
Si+С=SiC,
причем кремний из органики полностью связывается в карбид.
2
В более низких горизонтах 3 реактора температура поднимается выше, и начинают развиваться реакции восстановления SiO оставшимся углеродом:
2
2
SiO+С->SiC+СO
2
2
причем СO диссоциирует на СО и О. Возможно, СO вообще не образуется, чему способствует защитная атмосфера, которая формируется за счет углерода стенок реактора.
2
В нижней части реактора 18, где температура достигает 1700°С и выше, заканчиваются реакции восстановления SiO и модификация γ-SiC переходит в модификацию α-SiC.
Полученный тонкий порошок SiC, нагретый до 1700°С и выше, ведет себя подобно жидкости и «стекает» по течкам 36 в конусный холодильник 27 и далее в водоохлаждаемый шнек 33, который транспортирует его в накопитель и на фасовочные автоматы.
2
Важной особенностью установки является то, что ее можно использовать для получения SiC в межсезонье восстановлением SiO металлическим кремнием, молотым коксом или другим углеродосодержащим материалом, притом в непрерывном режиме.
Использованная литература
3
1. Ташполотов Ы., Масантов И.И., Омурдекова Т.К. М. Кл С01 33/02. УДК 4882034.26 «Способ получения высокочистого кремния из отходов рисового производства (рисовой шелухи)». Государственное агентство по интеллектуальной собственности при правительстве КР. Бишкек, 2007.
2. Белая А.А. и др. Исследование процесса химической подготовки рисовой шелухи для синтеза карбида кремния. Украинский государственный химико-технологический университет, г.Днепропетровск / Журнал «Вопросы химии и химической технологии», 2008, №1.
3. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. - М.: Металлургия, 1977.
4. Вершинин Н.П., Вершинин И.Н. Патент на полезную модель №50876 «Установка активации процессов».
5. Вершинин Н.П., Вершинин И.Н. Патент на полезную модель №87643 «Измельчитель».