Изложница для разливки кремния

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к электротермическому производству кристаллического кремния, и может быть использовано при разливке кремния в изложницы. Сущность изобретения: периферийная футеровка по продольным сторонам изложницы от подины до верха продольных стенок металлического кожуха выполнена ступенчатообразной и из материала, обладающего низкой смачиваемостью расплавом кремния и обеспечивающего высокую химическую стойкость этой части футеровки. Внутри металлического кожуха вмонтированы дополнительные ступенчатообразные металлические перегородки, которые одновременно образуют между ними и металлическим кожухом замкнутые пространства и несут на себе кладку периферийной футеровки. Эти пространства заполнены порошкообразным теплоизоляционным материалом, например диатомом, перлитом и т. п. Ступенчатообразная периферийная футеровка выполнена из шамотного кирпича, пропитанного составом, содержащим, мас.%: угольную пыль 5-15; измельченный кремний 10-30; и связующее, например алюмохромофосфатную связку. Срок службы футеровки изложницы увеличивается в 1,2 раза. Удельный расход угольной продукции сокращается на 50%. 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермическому производству кристаллического кремния и может быть использовано при разливке кремния в изложницы.

Известна изложница из чугуна (см. Л. С. Кохан и др. Механическое оборудование заводов цветной металлургии, М. "Металлургия", 1988, ч. 2, с. 256).

Недостатком данной изложницы является ее низкий срок службы из-за низкой химической стойкости чугуна по отношению к расплаву кремния, а также невысокое качество разливаемого кремния от засорения его примесью железа. Эти недостатки в меньше степени проявляются при нанесении защитных покрытий, но срок службы изложницы все-таки остается невысоким. Кроме того, малая емкость таких изложниц отрицательно сказывается на ведении технологии производства кремния, т.к. при этом требуется более частный выпуск кремния из руднотермической печи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является изложница, включающая металлический кожух и футеровку его днища и боковых стенок (скосов) из угольных плит (Технологическая Инструкция АООТ "БрАЗ" 25204.00001 "Электротермическое производство кристаллического кремния", 1993, с.30-31, п. 5.3.8.2).

Использование таких изложниц позволяет разливать кремний за один выпуск из печи в значительных объемах, что способствует поддержанию технологического режима плавки при оптимальных параметрах.

Недостатком известной изложницы является недостаточно высокий срок футеровки из-за того, что подсыпка из мелочи кремния, наносимая перед заливкой расплава (используется для отбора тепла от заливаемого расплава в результате подплавления данной подсыпки) покрывает лишь горизонтальную часть подины, а на плоских скосах она не удерживается, в результате чего происходит преждевременный износ футеровки в этой части изложницы. Усугубляется разрушающее действие высоким перепадом температур центра и периферии футеровки из-за слабой тепловой изоляции по бортам изложницы, что приводит к трещинообразованию в футеровке.

Целью изобретения является увеличение срока службы футеровки изложницы за счет снижения температуры ее после заливки расплава, уменьшения перепада температур центра и периферии футеровки и повышения стойкости последней от воздействия расплава с одновременным понижением смачиваемости футеровки этим расплавом.

На чертеже изображена изложница для разливки кремния, разрез.

Изложница состоит из металлического кожуха 1, который может быть разборного типа, шамотного цоколя 2, подовой футеровки 3 из угольных блоков, ступенчатообразной футеровки 4, выложенной из шамотного кирпича, пропитанного составом 5, обеспечивающим низкую смачиваемость и высокую химическую стойкость по отношению к расплаву кремния, металлических ступенчатообразных перегородок 6, засыпки 7 из теплоизоляционного порошкообразного материала (диатомит, перлит и т.п.). Перед заливкой кремния на поверхность подины 3 и ступенчатообразной футеровки 4 нанесен слой подсыпки 3 из мелочи кремния.

В процессе разливки кремния после выпуска его из руднотермической печи типа РКО-25КрИ с температурой 1600-1700^oC расплав контактирует с подсыпкой из мелочи кремния, далее с поверхностью футеровки и кристаллизуется по мере его охлаждения. Поскольку конструкция изложницы обеспечивает создание слоя подсыпки из мелочи кремния по всей контактирующей с расплавом поверхности футеровки, то отбор тепла от расплава увеличивается, в результате чего термический удар на футеровку уменьшается, что ведет к уменьшению износа футеровки от скалывания верхних слоев футеровки.

Выполнение периферийной футеровки по продольным сторонам изложницы от подины до верха продольных стенок металлического кожуха в виде ступенек и в заданных размерах позволяет осуществить подсыпку из мелочи кремния не только на центральную часть подины, но и на наклонную периферийную футеровку, что расширяет зону контактирования заливаемого расплава с подсыпкой, в результате чего температура расплавленного кремния на границе расплав-футеровка снижается, что ведет к уменьшению износа футеровки изложницы.

Наличие пространств, образованных при помощи дополнительных металлических перегородок и заполненных порошкообразным огнеупорным теплоизоляционным материалом, например диатомитом, перлитом и т.п. способствует снижению перепада температур центра и периферии футеровки, что ведет к уменьшению трещинообразования в футеровке. Указанные перегородки одновременно способствуют упрощению и облегчению монтажа ступенчатообразной периферийной футеровки.

Пропитка шамотного кирпича, из которого выполнена ступенчатообразная футеровка, составом, содержащим угольную пыль, измельченный кремний (являются отходами производства соответственно алюминия и кремния) и связующее, например АХФС в заданных соотношениях, обеспечивает повышение химической стойкости и снижение смачиваемости периферийной футеровки расплавом, что снижает износ поверхности последней. Пылевидное и измельченное состояние соответственно углерода и кремния позволяет эффективно осуществить процесс пропитки шамотного кирпича, используемого для кладки периферийно ступенчатообразной футеровки.

Выбранные условия лимитируются следующими факторами: уменьшение толщины ступенчатообразной футеровки менее 1,1 толщины подовой футеровки 3 ведет к уменьшению механической прочности футеровки, а увеличение более 1,2 снижает периферийную теплоизоляцию, что приводит к увеличению перепада температур центра и периферии футеровки; уменьшение ширины в ступенчатообразной футеровки менее 0,2 ширины изложницы ведет к снижению теплоизоляции периферии футеровки, а увеличение более 0,3 ведет к чрезмерному уменьшению емкости изложницы; уменьшение содержания угольной пыли менее 5 мас. или из мельченного кремния менее 10 мас. ведет к повышению смачиваемости и за счет этого - приварке слитка к поверхности периферийной футеровки, а увеличение соответственно более 15 мас. или 30 мас. снижает степень пропитки шамотного кирпича (за счет снижения жидкотекучести пропиточного состава), а значит, и химстойкость периферийной футеровки.

Перед заливкой кремния в изложнице установлены термопары для определения перепада температур в центре и периферии футеровки. После удаления слитка и охлаждения изложницы фиксируют состояние футеровки (скалывание верхних слоев и трещинообразование). С целью определения срока службы футеровки фиксируют число заливок кремния в изложницы.

Реализация исполнения предложенной изложницы осуществляется следующим образом.

Пример 1 На днище металлического кожуха шириной 1350 мм и длиной 2650 мм - уложен цоколь из одного ряда шамотного кирпича, на котором по центру уложены угольные блоки толщиной 200 мм и длиной 810 мм. Внутри металлического кожуха по продольным сторонам от низа подины до верха продольных стенок металлического кожуха выполнены ступенчатообразные металлические перегородки, образующие между ними и кожухом пространства, которые через отверстия на горизонтальных площадках ступеней заполнены порошкообразным теплоизоляционным материалом, например диатомитом. На металлических перегородках, имеющих ступени, выложена ступенчатообразная футеровка из шамотного кирпича, предварительно пропитанного составом, придающим футеровке низкую смачиваемость и высокую химическую стойкость по отношению к расплавленному кремнию.

Ширина ступенчатообразной футеровки составляет 270 мм или 0,2 ширины изложницы.

Толщина ступенчатообразной футеровки составляет 220 мм или 1,1 толщины подины.

Состав для пропитки шамотного кирпича содержит, мас.

Угольную пыль 5 Кремний измельченный 10 АХФС 85 В примерах 2 и 3 изложница смонтирована и испытана аналогично примеру 1 при следующих параметрах.

Пример 2 1. Ширина ступенчатообразной футеровки 350 мм или 0,26 ширины изложницы.

2. Толщина ступенчатообразной футеровки 230 мм или 1,15 толщины подины.

3. Состав для пропитки содержит, мас.

Угольную пыль 10 Кремний измельченный 20
АХФС 70
Пример 3
1. Ширина ступенчатообразной футеровки 405 мм или 0,3 ширины изложницы.

2. Толщина ступенчатообразной футеровки 240 мм или 1,2 толщины подины
3. Состав для пропитки содержит, мас.

Угольную пыль 20
Кремний измельченный 30
АХФС 50
В примерах 4-11 изложница смонтирована и испытана аналогично примерам 1-3 за пределами заявленных интервалов.

Выполнена и испытана изложница по известному решению.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Из данных таблицы видно, что использование изложницы для разливки кремния (по примерам 1-3) обеспечивает сохранение целостности футеровки изложницы на более длительный срок за счет снижения температуры футеровки после заливки расплавленного кремния в изложницу, уменьшения перепада температур центра и периферии футеровки, снижения смачиваемости и повышения химической стойкости последней по отношению к расплавленному кремнию, что способствует снижению степени износа футеровки и уменьшению трещинообразования в ней. Срок службы футеровки увеличивается в 1,2 раза. Расход огнеупорных материалов на одну тонну разливаемого кремния уменьшается на 20% Удельный расход дорогостоящей и дефицитной угольной продукции сокращается на 50%

Формула изобретения

1. Изложница для разливки кремния, включающая металлический кожух и футеровку из огнеупоров, отличающаяся тем, что периферийная футеровка по продольным сторонам изложницы от подины до верха продольных стенок металлического кожуха выполнена ступенчатообразной.

2. Изложница по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена ступенчатообразными перегородками, расположенными внутри металлического кожуха для образования между ними и кожухом замкнутых полостей и несущими на себе кладку периферийной футеровки.

3. Изложница по п.1, отличающаяся тем, что замкнутые полости заполнены порошкообразным огнеупорным теплоизоляционным материалом.

4. Изложница по п.3, отличающаяся тем, что замкнутые полости заполнены диатомитом.

5. Изложница по п.3, отличающаяся тем, что замкнутые полости заполнены перлитом.

6. Изложница по п.3, отличающаяся тем, что замкнутые полости заполнены смесью диатомита и перлита.

7. Изложница по п.1, отличающаяся тем, что ступенчатообразная футеровка выполнена толщиной 1,1 1,2 толщины подовой футеровки и шириной 0,2 0,3 ширины изложницы.

8. Изложница по п.1, отличающаяся тем, что ступенчатообразная футеровка выполнена из шамотного кирпича, пропитанного составом, содержащим угольную пыль, измельченный кремний и связующее при следующем соотношении, мас.

Угольная пыль 5 15
Кремний измельченный 10 30
Связующее Остальное
9. Изложница по п.8, отличающаяся тем, что в качестве связующего использована алюмохромофосфатная связка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2