ФУТЕРОВКА ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кремния карботермическим восстановлением в электродуговых печах.
Футеровка печи является одним из определяющих факторов технологического процесса получения кремния, обеспечивающих высокое качество получаемого продукта и длительную безаварийную эксплуатацию оборудования.
Известна футеровка ванны руднотермической электропечи, включающая в себя металлический корпус, теплоизоляционный слой из сыпучего материала, огнеупорную кладку стен из кирпичей и угольных блоков, в которой вертикальные швы между угольными блоками и кирпичной кладкой по всему периметру стен выполнены из мелкодисперсного глинозема (патент РФ №2115874, F27D 1/00, 1998 г., [1]). Использование слоя мелкодисперсного глинозема предотвращает окисление угольных блоков, повышает срок службы футеровки. Однако, данное конструктивное выполнение футеровки не обеспечивает в полной мере теплоизоляционных свойств и требований по технике безопасности эксплуатации печи, в частности - температуру на наружной поверхности металлического кожуха не более 60°С.
Известна футеровка рудовосстановительной печи, содержащая металлический кожух, теплоизоляционную засыпку, кирпичную кладку, угольные боковые и подовые блоки, которая дополнительно снабжена вертикальными слоями - заполнителями из углеродистой массы и кокса крупностью 15-25 мм, размещенными между кирпичной кладкой и боковыми угольными блоками (А.с. СССР №1504476, F27D 1/00, 1989 г., [2]).
По назначению, технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостаток известного решения - нестабильность состава заполнителей при высокотемпературных нагрузках, обеспечение не в полной мере теплоизоляционных свойств, предотвращение проникновения в расплав примесей из футеровки и требований техники безопасности по температуре наружной поверхности кожуха.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение качества получаемого кремния, повышение срока службы футеровки печи и соответствие требованиям техники безопасности по температуре наружной поверхности металлического кожуха.
Техническими результатами являются повышение теплоизоляционных свойств футеровки, предотвращение диффузии примесей элементов из футеровки в жидкий кремний, предохранение нарушение целостности угольных блоков.
Технические результаты достигаются тем, что в футеровке электродуговой печи для производства кремния, содержащей металлический кожух, слой теплоизоляционного материала, кирпичную кладку, слой заполнителя из углеродистого материала, боковые и подовые углеродные блоки, слой теплоизоляционного материала выполнен из листового асбеста, кирпичная кладка выполнена из слоев теплоизоляционного и огнеупорного кирпича, а слой углеродистого материала между слоем огнеупорного кирпича и углеродными блоками выполнен из слоя сажи толщиной не менее 1,4 толщины бокового углеродного блока.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Предлагаемая футеровка и футеровка по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- металлический кожух;
- слой теплоизоляционного материала;
- кирпичная кладка;
- слой заполнителя из углеродистого материала;
- боковые и подовые углеродные блоки.
Предлагаемая футеровка также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих футеровку по ближайшему аналогу:
- слой теплоизоляционного материала выполнен из листового асбеста;
- кирпичная кладка выполнена из слоев теплоизоляционного и огнеупорного кирпича;
- слой углеродистого материала между слоем огнеупорного кирпича и углеродными блоками выполнен из слоя сажи;
- слой сажи выполнен толщиной не менее 1,4 толщины бокового углеродного блока.
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.
При производстве кремния высокого качества, например для солнечных батарей, карботермическим способом возникает вопрос защиты восстановленного продукта (Si) от влияния футеровки печи. Процесс восстановления ведут при условии, когда температура внутренняя стенка шахты печи из углеродных блоков достигает 2000°С. При этом из огнеупорной футеровки в кремний активно диффундирует бор. Установлено, что при снижении температуры шамотной футеровки до температуры не более 800°С, диффузия бора прекращается (г.Грабмайер, фирма Сименс, Черняховский Л.В., Россия). Цель достигается путем создания теплоизоляционного слоя между графитовыми блоками и шамотом, предотвращающего диффузию бора из футеровки в расплав. Таким материалом может служить сажа, графитовый войлок и другие углеродистые материалы. В предлагаемом решении используется слой сажи, как материал, имеющий высокое термическое сопротивление и более технологичный при монтаже футеровки.
Толщина этого слоя определяется расчетным путем и зависит от толщины углеродной футеровки, мощности печи, технологической температуры процесса. Варьирование толщиной слоя сажи позволяет изменять как вид материалов, используемых для изготовления футеровки, так и регламентировать их расход, в зависимости от конструктивных особенностей печи, от технологических потребностей и с учетом снижения стоимости футеровки, упрощения и сокращения времени монтажа и повышения срока эффективной эксплуатации футеровки. Кроме того, при использовании слоя сажи необходимой толщины позволяет выполнить требование безопасного ведения процесса по температуре наружной поверхности металлического кожуха - не более 60°С.
Результаты экспериментов по определению необходимой и достаточной толщины слоя сажи приведены в таблице 1.
Таблица 1
№п\п
Толщина бокового углеродного блока, мм.
Толщина слоя сажи, мм
Температура внутренней поверхности шамота, °С
Содержание бора в кремнии, ppm.
Температура наружной поверхности. °С
1
50
65
826
1,30
68
2
50
70
800,6
1,005
60
3
50
78
780
1,0003
58
4
50
100
732,0
1,0003
57
5
50
120
700,0
1,0002
56,3
6
50
150
650
следы
53.4
Для печей большой мощности с технологической температурой ≈2000°С толщина слоя сажи должна быть не менее 1,4 толщины бокового углеродного блока. При толщине слоя менее 1,4 толщины бокового углеродного блока не обеспечивается предотвращения диффузии бора в жидкий кремний. Использование слоя сажи более 1,4 толщины бокового углеродного блока обеспечивает необходимую степень чистоты получаемого кремния по примесям, но повышение толщины слоя сажи более чем в два раза толщины бокового углеродного блока целесообразно при конструктивном изменении футеровки: изменение толщины слоев материалов, применение других материалов. При этом требуется проводить дополнительный тепловой расчет с учетом теплофизических свойств материалов.
Футеровка электродуговой печи содержит (фиг.1) металлический кожух, 1, толщиной 5 мм, слой теплоизоляционного материала из листового асбеста, 2, толщиной 5 мм, кирпичную кладку из слоя диатомитового кирпича, 3, толщиной 130 мм, из слоя огнеупорного кирпича, 4, толщиной 130 мм, слой заполнителя из сажи, 5, толщиной 78 мм, боковые углеродные блоки, 6, толщиной 50 мм, и подовые углеродные блоки, 7.
Футеровка электродуговой печи работает следующим образом. Тепловой поток из рабочего пространства печи через образующийся в процессе работы печи гарнисаж (не показан), через углеродные блоки 6, проходит через слой пористого углеродистого заполнителя из сажи 5, а затем через слои огнеупорного кирпича 4, диатомитового кирпича 3, слой теплоизоляционного материала из листового асбеста 2 и достигает металлического кожуха 1. При этом, при нагреве слоев футеровки происходит диффузия элементов из материалов футеровки в сторону расплава кремния в печи. Наличие слоя углеродистого заполнителя из сажи, 5, толщиной 78 мм (1,56 толщины бокового углеродного блока), обеспечивает температуру на внутренней поверхности шамотной футеровки ~780°С, что предотвращает диффузионный процесс. Расчет толщин слоев кирпичной кладки (огнеупорного и теплоизоляционного), толщины слоя из листового асбеста, обеспечивает также температуру на наружной поверхности металлического кожуха ~58°С (по требованиям ТБ не более 60°С), что обеспечивает требования техники безопасности эксплуатации печи.
ИНФОРМАЦИЯ
1. Патент РФ №2115874, F27D 1/00, 1998 г.
2. А.с. СССР №1504476, F27D 1/00, 1989 г.