ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Техническое решение относится к технологии восстановления кремния посредством нагрева электрической дугой шихтового материала, содержащего кремнеземсодержащий материал и углеродистый восстановитель, и может быть использовано при производстве кремния в руднотермической печи.
В технологии восстановления кремния из кремнеземсодержащего материала с использованием углеродистого восстановителя, важное значение имеет выбор сырьевых материалов, компонентный состав шихты, вид подаваемого кремнеземсодержащего материала и углеродистого восстановителя, вид подаваемого в печь шихтового материала.
Выбор шихтовых материалов должен обеспечивать эффективное ведение процесса и в то же время шихтовые материалы должны быть недефицитными и недорогими. Подаваемая шихта должна обеспечивать эффективное взаимодействие реакционных компонентов и необходимые условия для получения качественного продукта.
Необходимые и достаточные условия для достижения вышеуказанных результатов обеспечиваются выбором требуемого оборудования и оптимальной его компоновкой.
Известна «Линия подготовки шихты для выплавки кремния в руднотермической электропечи» (патент РФ на ПМ №73865, С01В 33/025, 2008 г. [1]), включающая приемные бункера для кварцита и различных углеродистых материалов, включая нефтекокс и древесную щепу, весовые дозаторы с вибрационными питателями, установленными под каждым приемным бункером, и расположенным под ними ленточный конвейер, в которой по ходу движения приемный бункер с отходами нефтекокса расположен после приемного бункера для древесной щепы. Данная компоновка бункеров позволяет часть отходов нефтекокса (мелочь фракции 0,12-12 мм влажностью 6-8%) подавать на древесную щепу влажностью до 40% и таким образом за счет налипания нефтекокса подавать некондиционный материал в реакционную зону печи.
Подача мелочи нефтекокса таким образом не обеспечивает должным образом использование углеродистого восстановителя, так как при поступлении щепы в высокотемпературную зону значительная часть нефтекокса выносится из зоны реакции и сгорает.
Известна технологическая схема производства кристаллического кремния, включающая участок подготовки шихтовых материалов, снабженный устройствами для дробления и разделения на фракции кремнеземсодержащего и углеродсодержащего материала, линиями транспортировки материалов, дозирующими и загрузочными устройствами, руднотермическую печь, снабженную газоочистным устройством, устройства для заливки, кристаллизации, дробления кремния и разделения на фракции (Рагулина Р.И., Емлин Б.И, Электрометаллургия кремния и силумина, с.111, M., Металлургия, 1972 г., [2]).
По технической сущности, наличию сходных признаков - применяемое оборудование, компоновка оборудования, данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Известная технологическая схема широко применяется в промышленности и позволяет получать технический кремний достаточно высокого качества. Основной недостаток применяемой технологии получения кристаллического кремния, реализуемой известной схемой, заключается в том, что значительная часть используемых в процессе сырьевых материалов и получаемого продукта, в виде мелких фракций, не используется в основном технологическом процессе, а направляется в отвалы или используется, в лучшем случае, во вспомогательных операциях технологического процесса. Наличие таких потерь, в значительной мере, снижает технико-экономические показатели процесса. Кроме того, использование насыпной смешанной шихты не обеспечивает в полной мере высоких технико-экономических показателей технологического процесса и высокой эффективности использования оборудования и электроэнергии.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей процесса производства кремния в руднотемической печи.
Техническими результатами являются расширение сырьевой базы и повышение эффективности использования шихтовых материалов, повышение эффективности процесса восстановления кремния, снижение энергетических затрат, повышение извлечения кремния и его качества.
Технические результаты достигаются тем, что в технологической линии по производству металлургического кремния карботермическим способом, включающей участок подготовки шихтовых материалов, снабженный устройствами для дробления и разделения на фракции кремнеземсодержащего и углеродсодержащего материала, линиями транспортировки материалов, дозирующие и загрузочное устройства, руднотермическую печь, снабженную газоочистным устройством, устройства для заливки, кристаллизации, дробления кремния и разделения на фракции, участок подготовки шихтовых материалов дополнительно снабжен участком приготовления скомпонованной шихты, включающем устройство смешивания шихтовых материалов и связующего, устройства для дозирования и компонования смешанной шихты, устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала.
При этом, участок приготовления скомпонованной шихты может быть дополнительно снабжен устройством для измельчения кремнеземсодержащего материала, устройством для измельчения углеродсодержащего материала, а устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала может быть выполнено в виде сушилки, участок приготовления скомпонованной шихты дополнительно снабжен бункерами кремнеземсодержащего и углеродсодержащего материалов, и дозирующими устройствами, соединенными с устройство смешивания шихтовых материалов и связующего. Линия может быть снабжена дозирующим и загрузочными устройствами скомпонованной шихты, бункером для отходов дробления кремния, который установлен на площадке с устройством для заливки и кристаллизации кремния, линией транспортировки пыли газоочистки, соединяющей газоочистное устройство с бункером кремнеземсодержащего материала, линией транспортировки отходов дробления кремния, соединяющей устройство разделения дробленого кремния на фракции с устройством для тонкого измельчения кремнеземсодержащего материала, линией транспортировки отходов дробления кремния, соединяющей устройство разделения дробленого кремния на фракции с бункером для отходов дробления кремния.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками.
Технологические линии по известному решению и по предлагаемому включают:
- участок подготовки шихтовых материалов, на котором расположены:
- - устройства для дробления кремнеземсодержащего и углеродсодержащего материала;
- - устройства для разделения на фракции кремнеземсодержащего и углеродсодержащего материала;
- - линии транспортировки материалов;
- дозирующее устройства;
- загрузочное устройства;
- руднотермическую печь, снабженную газоочистным устройством;
- устройство для заливки жидкого кремния;
- устройства кристаллизации, дробления кремния и разделения на фракции дробленного кремния.
Предлагаемая технологическая линия также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:
- участок подготовки шихтовых материалов дополнительно снабжен участком приготовления скомпонованной шихты, включающем:
- - устройство для дозирования смешанной шихты;
- - устройство смешивания шихтовых материалов и связующего;
- - устройство для компонования смешанной шихты;
- - устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала.
Кроме того, участок приготовления скомпонованной шихты может быть дополнительно снабжен устройством для измельчения кремнеземсодержащего материала, устройством для измельчения углеродсодержащего материала, а устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала может быть выполнено в виде сушилки. Линия может быть снабжена дозирующим и загрузочными устройствами скомпонованной шихты, бункером для отходов дробления кремния, который установлен на площадке с устройством для заливки и кристаллизации кремния, линией транспортировки пыли газоочистки, соединяющей газоочистное устройство с бункером кремнеземсодержащего материала, линией транспортировки отходов дробления кремния, соединяющей устройство разделения дробленого кремния на фракции с устройством для тонкого измельчения кремнеземсодержащего материала, линией транспортировки отходов дробления кремния, соединяющей устройство разделения дробленого кремния на фракции с бункером для отходов дробления кремния.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
В предлагаемой технологической линии по производству металлического кремния участок подготовки шихтовых материалов дополнительно снабжен участком приготовления скомпонованной шихты, включающем: устройство смешивания шихтовых материалов и связующего, устройство для дозирования смешанной шихты, устройство для компонования смешанной шихты, устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала.
При этом, участок приготовления скомпонованной шихты может быть дополнительно снабжен устройством для измельчения кремнеземсодержащего материала, устройством для измельчения углеродсодержащего материала, а устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала может быть выполнено в виде сушилки. Кроме того, предлагаемая технологическая линия может быть снабжена линиями возврата отходов производства в технологический процесс и оборудованием для использования нетрадиционных видов сырья.
Установка на участке подготовки шихтовых материалов участка приготовления скомпонованной шихты позволяет расширить сырьевую базу за счет использования нетрадиционных видов сырья, например, кварцевого песка, практически полностью использовать в процессе исходные шихтовые материалы. Причем не только использовать мелкодисперсные материалы, но и за счет их компоновки получать более эффективную для данного процесса шихту. При этом, возможно получать скомпонованную шихту, как из дробленных шихтовых материалов без отсева мелкодисперсных фракций - брикетирование, окомкование с использованием известного оборудования и технологий, так и с дополнительным измельчением материалов и получением скомпонованной шихты по иным технологиям.
Предлагаемая технологическая линия и реализуемая на этой линии технология производства кремния в руднотермической печи позволяют расширить сырьевую базу, достигать высокой степени использования сырья и высоких технико-экономических показателей процесса при использовании скомпонованного шихтового материала. Практически отсутствуют в технологической цепочке отходы, что в значительной мере повышает эффективность процесса в целом. Расширяются технологические возможности производства кремния, как по сырьевой базе, так и по применению шихты в процессе: возможно использование как традиционной шихты и скомпонованной, так и одной скомпонованной шихты. Варьирование загрузкой шихты, в зависимости от технологических потребностей и возможностей оборудования, позволяет более эффективно использовать оборудование, электроэнергию, получать товарную продукцию с различными потребительскими свойствами, в зависимости от требований потребителей.
Затраты на приобретение, установку и эксплуатацию дополнительного оборудования окупаются в кратчайшие сроки.
Предлагаемая технологическая линия по производству по производству кристаллического кремния карботермическим способом представлена на Фиг.1. Технологическая линия включает участок подготовки шихтовых материалов, соединенный линиями транспортировки кремнеземсодержащего 1 и углеродсодержащего материалов 2 от склада к устройствам для дробления 3, 4, линии транспортировки 5, 6 для подачи дробленых материалов на устройства для разделения на фракции кремнеземсодержащего 7 и углеродсодержащего материала 8, линии транспортировки 9а, 10а для подачи дробленых кондиционных материалов на дозирующие устройства 25, 26, устройство для загрузки шихты 27 в печь 28, линии транспортировки 9, 10 для подачи дробленых материалов с устройств для разделения на фракции кремнеземсодержащего 7 и углеродсодержащего материала 8, на устройство для тонкого измельчения кремнеземсодержащего материала 11 и на устройство для тонкого измельчения углеродсодержащего материала 12, бункера для мелкодисперсных кремнеземсодержащего 13 и углеродсодержащего материала 14, с дозирующими устройствами 15, 16, дозирующие устройства измельченных кремнеземсодержащего 17 и углеродсодержащего материала 18, дозирующее устройство для связующего 19, устройство смешивания шихтовых материалов и связующего 20, устройство для компонования смешанной шихты 21, устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала 22 в виде сушилки, линию транспортировки скомпонованной шихты 22а, дозирующее устройство скомпонованной шихты 23, загрузочное устройство скомпонованной шихты 24 в печь 28, снабженную газоочистным устройством 29, 30, устройство для заливки жидкого кремния и кристаллизации 31, устройство для дробления кремния 32, устройство для разделения на фракции дробленого кремния 33, бункер для отходов дробления кремния 34, линия транспортировки отходов дробления кремния 35 в бункер 34, линия транспортировки отходов дробления кремния 36 в устройство для тонкого измельчения кремнеземсодержащего материала 11, линия транспортировки отходов в виде пыли газоочистки 37 от газоочистных устройств 29, 30 в бункера для мелкодисперсного кремнеземсодержащего 13.
Технологическая линия работает следующим образом.
Кремнеземсодержащий материал в виде кварцита и углеродсодержащий материал в виде угля со склада по линиям транспортировки 1, 2 поступает от склада к устройствам для дробления 3, 4, а затем по линиям транспортировки 5, 6 дробленые материалы поступают на устройства для разделения на фракции кремнеземсодержащего 7 и углерод содержащего материала 8. Дробленые кондиционные шихтовые материалы по линиям транспортировки 9а, 10а поступают на дозирующие устройства 25, 26, затем шихта поступает в устройство для загрузки 27 и загружается в печь 28, снабженную газоочистным устройством 29, 30. Оставшуюся часть шихтовых дробленых материалов (при необходимости вся дробленая шихта) после устройств для разделения на фракции кремнеземсодержащего 7 и углеродсодержащего материала 8 по линиям транспортировки 9, 10 подают на устройство для тонкого измельчения кремнеземсодержащего материала 11 и на устройство для тонкого измельчения углеродсодержащего материала 12. После измельчения материалы подают через дозирующие устройства измельченных кремнеземсодержащего 17 и углеродсодержащего материала 18, в устройство смешивания 20 шихтовых материалов и связующего, поступающего из дозирующего устройства для связующего 19. Смесь поступает в устройство для компонования смешанной шихты 21, а затем в устройство для термообработки скомпонованного шихтового материала 22 в виде сушилки. Полученный термообработанный скомпонованный материал по линии транспортировки скомпонованной шихты 22а поступает на дозирующее устройство скомпонованной шихты 23, затем шихта поступает в загрузочное устройство скомпонованной шихты 24 и загружается в печь 28, снабженную газоочистным устройством 29, 30. Линия приготовления скомпонованной шихты также снабжена бункерами для мелкодисперсных кремнеземсодержащего 13 и углеродсодержащего материала 14, с дозирующими устройствами 15, 16, которые соединены с устройством смешивания 20 шихтовых материалов и связующего. Наличие такой параллельной шихтовой нитки в технологической линии позволяет ввести в технологический процесс как нетрадиционные виды сырьевых материалов в виде кварцевого песка, сажи, так и использовать отходы производства в виде пыли газоочистки. Шихтовые материалы из бункеров 13, 14, подают в общую линию компонования шихты совместно, или раздельно, с потоками тонкоизмельченных шихтовых материалов. Полученный в печи 28 жидкий кремнии поступает в устройство для заливки жидкого кремния и кристаллизации 31, затем в устройстве 32 производится дробление кремния, а в устройстве 33 разделение на фракции дробленого кремния. Товарную продукцию (после упаковки при необходимости) отправляют потребителям. Отходы дробления кремния частично по линии транспортировки 35 поступают в бункер 34 и затем используют на подсыпку изложниц в устройстве для заливки жидкого кремния и кристаллизации 31, а частично по линии транспортировки 36 поступают в устройство для тонкого измельчения кремнеземсодержащего материала 11 и затем используются в составе скомпонованного шихтового материала. Отходы в виде пыли газоочистки по линии транспортировки отходов 37 от газоочистных устройств 29, 30 поступают в бункер для мелкодисперсного кремнеземсодержащего 13 и затем используются в составе скомпонованного шихтового материала.
По всем технологическим переделам подготовки скомпонованной шихты и по ее использованию в процессе проведены опытно-промышленные испытания, подтверждающие эффективность предлагаемой технологической линии в целом.
Использование предлагаемой технологической линии по получению металлургического кремния и реализуемой с ее использованием технологии позволяет расширить сырьевую базу, использование нетрадиционных видов сырья, значительно повысить технологические возможности процесса, повысить технико-экономические показатели технологии в целом.
Информация
1. Патент РФ на ПМ №73865, С01В 33/025, 2008 г.
2. Рагулина Р.И., Емлин Б.И, Электрометаллургия кремния и силумина, с.111, M., Металлургия, 1972 г.