ЛИНИЯ ПОДГОТОВКИ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ В РУДОТЕРМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

Предлагаемое решение относится к цветной металлургии, в частности, к электротермическому получению технического кремния.
В настоящее время в промышленном масштабе технический кремний получают путем высокотемпературного восстановления кремнезема углеродом в дуговой рудотермической печи прямым карботермическим восстановлением. Кремнезем смешивают с восстановительной смесью, и полученную таким образом шихту, загружают на колошник рудотермической печи, а с него равномерно небольшими порциями погружают в печь.
В печи процесс восстановления кремнезема протекает по следующим стадиям: образование моноокиси кремния за счет испарения кремнезема в восстановительной атмосфере; взаимодействие моноокиси кремния с углеродом с образованием карбида кремния с кремнеземом и моноокисью кремния с образованием элементарного кремния.
При загрузке шихты происходит быстрое спекание шихты в зоне ее активного нагрева (зона между электродами и гарнисажем) и зависание шихты, что ухудшает газопроницаемость шихты и уменьшает ее сход в реакционную зону. Это приводит к тому, что на колошнике образуются прогары и свищи, что ведет к безвозвратным потерям кремния в виде моноокиси кремния с отходящими газами, снижению извлечения кремния и дополнительному расходу электроэнергии.
2
Степень восстановления SiO до Si в плавке определяется несколькими факторами:
2
2
Во-первых, условиями восстановления SiО. Чем большая часть SiО будет восстанавливаться в нижней высокотемпературной зоне горна, тем выше будет извлечение кремния, выше проплав и сортность, ниже расход электрической энергии.
Во-вторых, чем выше будет реакционная способность восстановителя, тем большая часть SiO восстановится до Si и меньшая часть будет вынесена газами в виде моноокиси.
2
В-третьих, чем выше фильтрационная и адсорбционная способность шихты (восстановителя) будут на колошнике, тем большая часть SiO, a также Si и SiO, будут уловлены и возвращены в высокотемпературную зону на довосстановление.
Одним из главных факторов, определяющих эффективное восстановление кремния является использование углеродсодержащих восстановителей:
- пригодность восстановителя к условиям высокотемпературного
процесса - термоустойчивость - с сохранением технологических свойств
до попадания его в более высокотемпературную зону, где процесс восстановления идет непосредственно при температуре >2500°С
- высокая реакционная способность (PC), обеспечивающая быстрое и полное восстановление кремнезема до кремния, что определяет высокое извлечение кремния в товарный продукт;
- минимальное содержание определяющих примесей, регламентируемых спецификациями потребителей на качество технического кремния, определяется трудностями с внедрением процессов рафинирования;
- низкая дефицитность и приемлемая стоимость восстановителя в
условиях современного производства;
Вышеперечисленным требованиям в мировой практике производства кремния, включая Россию, отвечает древесный уголь - продукт пиролиза древесины. Он в наибольшей степени отвечает предъявленным к нему требованиям и прочно удерживает репутацию одного из лучших технологических восстановителей при производстве кремния. Однако, значительный рост производства кремния в последнее время привел к увеличению спроса на древесный уголь, его дефицитности и резкому удорожанию, что отрицательно сказалось на технико-экономических показателях производства кремния и привело к необходимости его частичной или даже полной замены другими углеродистыми материалами
Работая на смесях различных восстановителей - вынужденное решение. Замена не решена окончательно ни в теоретическом, ни в практическом плане и сопряжена со многими трудностями.
В мировом производстве кремния используются в качестве восстановителей следующие углеродистые материалы: древесный уголь, древесная щепа, нефтяной кокс, каменный уголь, торфяные брикеты и торфяной кокс, антрацит, полукокс, пековый, легниновый, целлолигниновый коксы, бурый уголь, кусковую сырую древесину и другие углеродистые материалы.
Снижение доли древесного угля, как наиболее дорогого восстановителя, в шихте при выплавке кремния должно сопровождаться тщательным изучением влияния каждого нового компонента, заменяющего древесный уголь, с учетом взаимоисключающих свойств и оптимальной дозировки каждого.
Одним из заменителей, хотя бы части древесного угля, является нефтяной кокс, который применяется для уменьшения общей стоимости восстановителя и повышения сортности товарного кремния в виде добавки к восстановительной смеси. Это самый низкозольный из всех восстановителей, применяемых в производстве кремния, и содержит наибольшее количество углерода. Его усредненный состав (%): углерода 90-95; золы 0,17-0,6; летучих 3,5-13. Сырьем для получения нефтяного кокса служат тяжелые остатки, образующиеся в результате атмосферной и вакуумной переработки нефти (мазуты, полугудроны, гудроны), крекинг - остатки от термического крекинга мазутов и гудронов, тяжелые газойли
2
каталитического крекинга, остатки масляного производства (асфальт пропановой деасфальтизации гудрона, экстракты фенольной очистки масел и процесса дуосол, их смеси и др.). При коксовании этих тяжелых нефтяных остатков, которые осуществляются при температуре от 450 до 550°С и давлении от атмосферного до 6 кг/см, получается твердый продукт - нефтяной кокс (углеродный остаток).
В настоящее время нефтяной кокс нашел широкое применение (из-за высокого содержания углерода) в производстве технического кремния в качестве одного из составляющих компонентов восстановителей. Это подтверждается значительным количеством авторских свидетельств и патентов, полученных в России, (около 80) по использованию нефтекоксов в качестве одного из компонентов восстановительной смеси.
В тоже время, при всех достоинствах нефтяного кокса, обладающего высоким содержанием углерода 90-95%, низким содержанием золы 0,17-0,6%, летучих 3,5-13% и др. он обладает главным существенным недостатком - низкой реакционной способностью, которая препятствует использованию нефтекокса в значительных количествах взамен древесного угля при производстве технического кремния.
При выплавке кремния требуется тщательная подготовка шихты к плавке. Это определяется тремя специфическими особенностями дуговой кремниевой печи:
- малое живое сечение кольцевого горна для загрузки шихты;
- большая скорость реакционных газов в горне и выдувание пыли и шихтовой мелочи;
- склонность шихты к спеканию и зависанию с последующим ухудшением плавки.
Исходя из требований технологии плавки шихта должна быть достаточно сухой, оптимальной по крупности, хорошо перемешанной, содержать необходимое количество реакционного углерода.
Состав и количество шихты должны удовлетворять при плавке следующим требованиям:
- не гореть на колошнике и не выдуваться;
- обеспечить необходимую газопроницаемость для удаления газов;
- иметь большое удельное сопротивление;
- минимально спекаться на колошнике и непрерывно сходить в нижнюю высокотемпературную зону;
- обеспечить фильтрацию газов от пыли и адсорбцию паров, дисперсий кремния и его оксидов.
Известен «Способ выплавки кремния» по патенту России №2062799, М. кл. С22В 5/10 от 29.06.94 г.
Сущность изобретения заключается в том, что в процессе выплавки кремния в рудотермической печи используется восстановительная смесь, содержащая масс.%:
Древесный уголь 25-35
Каменный уголь 20-25
Нефтяной кокс 30-40
Древесная щепа 10-15
При всех достоинствах данной восстановительной шихты, используемой в данном «Способе...», она обладает главным недостатком.
В процессе подготовки на линии шихты для выплавки кремния все компоненты восстановителей проходят значительное количество перегрузок. Так, например, до дозировки кварцит, нефтекокс, древесный уголь и древесная щепа перегружаются 10-12 раз и после дозировки 8-10 раз. Можно только представить какое количество переизмельченного восстановителя и, в частности, нефтяного кокса поступает на колошник печи, который выносится с колошника или сгорает на нем, приводя к расшихтовке, перерасходу углерода и электроэнергии. Все эти факторы влияют на неустойчивость работы электропечи на шихте неоптимального состава по реакционному углероду.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является «Линия подготовки шихты для выплавки кремния в рудотермической печи» (см. О.М.Катков «Выплавка технического кремния » учебное пособие, издание 2-е, изд-во Иркутский государственный технический университет, 1999 г., стр.120-124).
Данная линия включает в себя приемные бункера для кварцита и различных углеродистых материалов заранее подготовленных фракций, включая нефтекокс и древесную щепу, весовые дозаторы с вибрационными питателями, установленных под каждым приемным бункером, и расположенный под ними ленточный конвейер. Работа дозировочной линии задается так, чтобы каждый последующий вид материала по движению, транспортерной ленты ложился на предыдущий по всей длине транспортерной ленты. В целом образуется слоеный пирог, который ссыпается в один печной карман, обеспечивая тем самым единство состава шихты в одном кармане.
Данная линия обладает теми же недостатками указанными выше. Задачей предлагаемого решения является повышение технико-экономических показателей производства технического кремния.
Техническим результатом данного решения является повышение качества восстановительной шихты за счет вовлечения в производство мелких фракций нефтекокса.
Технический результат достигается тем, что в линии подготовки шихты для выплавки кремния в рудотермической электропечи, включающей приемные бункера для кварцита и различных углеродистых материалов, включая нефтекокс и древесную щепу, весовые дозаторы с вибрационными питателями, которые установлены под каждым приемным бункером и расположенными под ними ленточный конвейер, приемный бункер с отходами нефтекокса расположен после приемного бункера для древесной щепы по ходу движения ленточного конвейера.
Техническая сущность заключается в следующем.
В процессе производства нефтяного кокса, а также в процессе подготовки его для получения восстановительной шихты из различных углеродистых материалов образуется значительное количество коксовой мелочи, которая не могла использоваться в производстве кремния. Главная причина заключается в том, что нефтекоксовая мелочь, как правило, выносилась или сгорала на колошнике, так и не выполнив свою функцию - углеродистого восстановителя.
Было предложено отходы нефтекокса, а это мелочь фракции 0,12-12 мм увлажненной до влажности 6-8% подавать на древесную щепу. Мелочь нефтекокса, попав на древесную щепу, которая сама имеет высокую влажность до 40%, прилипает к ней с достаточно высоким коэффициентом сцепления. Благодаря этому стало возможным доставлять мелочь нефтекокса в реакционную зону рудотермической печи, тем самым снизив потери мелочи от выноса из печи и сгорания ее на колошнике.
Сравнение предлагаемого технического решения и прототипа показывает, что линия по подготовке шихты для плавки кремния в рудотермической печи имеют общие признаки, а именно:
- наличие приемного бункера для кварцита;
- наличие приемных бункеров для различных углеродистых материалов, включая нефтекокс и древесную щепу;
- наличие весовых дозаторов с вибрационными питателями установленных под каждым приемным бункером;
- наличие ленточного конвейера, расположенного под каждым приемным бункером.
Существенные отличительные признаки предлагаемого решения по сравнению с прототипом:
- расположение в линии приемного бункера с отходами нефтекокса, после приемного бункера с древесной щепой по ходу движения ленточного конвейера;
В этом заключается соответствие технического решения критерию полезной модели - «новизна».
Сравнение предлагаемого технического решения не только с прототипом, но и другими решениями в этой области из патентной и научно-технической информации не выявило сходных признаков, заявленных в отличительной части формулы полезной модели.
В тоже время совокупность признаков в предложенном техническом решении, как известных, так и неизвестных, заявленных в формуле объекта защиты, позволяет достичь:
- снижение расходных коэффициентов восстановителей на 0,5-1%;
- вовлечение в производство кремния отходов нефтекокса в виде мелких фракций, ранее неиспользованных, в совокупности с промышленно -применимыми, в настоящее время, фракциями от 5 мм до 12 мм и выше;
- в, конечном счете, повысить технико-экономические показатели производства кремния.
Техническая сущность предлагаемого решения поясняется фигурой, на которой изображена «Линия подготовки шихты для выплавки кремния в рудотермической электропечи». Линия по ходу движения ленточного конвейера 1, включает в себя приемный бункер 2 для кварцита, приемный бункер 3 для каменного угля, приемный бункер 4 для древесного угля, приемный бункер 5 для древесной щепы, приемный бункер 6 для нефтяного кокса, приемный бункер 7 для дополнительного каменного угля (размещение приемных бункеров с углеродистыми материалами - произвольное в линии, кроме размещения приемных бункеров 5 с нефтекоксом и бункером 6 с древесной щепой, и могут зависеть от конкретных технологических инструкций для каждого производства). Кроме того линия включает в себя вибрационные питатели 8, установленные под приемными бункерами 2, 3, 4, 5, 6, 7 и под весовыми дозаторами 9, 10, 11, 12, 13, 14 для каждого углеродистого материала.
Промышленная применимость была подтверждена положительными результатами испытаний на ЗАО «Кремний».