Способ производства кремния в трехфазной рудовосстановительной электропечи

 

Изобретение относится к электротермическому производству технического кремния. Для повышения производительности процесса, повышения извлечения кремния и снижения удельного расхода электроэнергии в способе производства технического кремния в центральную часть ванны трехфазной рудовосстановительной электропечи загружают шихту с массовым отношением С:SiO₂ = (0,54-0,56) i^-_в^1/2отн.ед., а к электродам - шихту с массовым соотношением: С:SiO₂= (0,27-0,28)·i^-1/2 + 0,2 (отн.ед.), где i_в - плотность тока в ванне, А/см².

J_э сила - тока в электродах, А; S - расстояние между осями электродов в ванне печи, см; d_э - диаметр электродов, см. 1 табл.

Изобретение относится к области электротермического производства технического кремния и касается приемов загрузки шихты в трехфазные электропечи в процессе углетермического восстановления кварцита или кварца углеродсодержащими восстановителями.

Известно, что о электрозагружаемости печей с конкретными конструктивными параметрами ванны можно судить по величинам плотностей тока в ванне (i_в, А/см²), определяемых по формуле где I_э - сила тока в электропечах, А; d_э - диаметр электродов, см; S - расстояния между осями электродов в ванне печей, см.

Отечественные трехфазные печи кремния эксплуатируются, как правило, при заниженных плотностях[ тока в ванне, изменяющихся в пределах i_в = 1,3-1,4 А/см², что обусловливает замедление схода и проплавляемости шихт по различным участкам ванны печей. В то же время, согласно имеющейся информации, при эксплуатации большинства зарубежных трехфазных печей кремния, характеризующихся более высокой степенью интенсивности - при i_в = 1,7-1,9 А/см², вся расходуемая шихта, независимо от подачи в центр ванны или к электродам, имеет практически одинаковую дозировку углерода, приближающуюся к стехиометрической величине, т. е. при массовом отношении в составе шихт C:SiO = 0,4.

Из изложенного следует, что основным недостатком рассматриваемых способов производства является то, что в них не отражено влияние на соотношение C: SiO₂ в составе расходуемых шихт степени загруженности электропечей по токовой нагрузке в электродах (I_э) и в ванне печей (i_в) с учетом фактических размеров электродов (d_э) и расстояний между осями электродов (S) в ванне.

Кроме того, предусматриваемые величины избытка углерода в расходуемых шихтах представляются весьма завышенными, что приводит к чрезмерному закарбиживанию ванны, ограничению схода и проплавляемости шихт, обусловливающих увеличение потерь тепла и сырья с отходящими печными газами.

Известен способ производства технического кремния по а.с. СССР 162844, согласно которому предусматривается систематическая подача, через каждые 1,5-2 ч плавки, в межэлектродное пространство (в центр ванны) трехфазной печи смеси кварцита и углеродистых восстановителей в соотношениях, обеспечивающих массовое отношение в смеси C:SiO₂ = 0,5-0,75 [2].

С учетом стехиометрического количества углерода 0,4 кгC/кг SiO₂, требующегося по суммарной реакции восстановления кремния из кремнезема SiO₂+2C _→ Si+2CO, коэффициент избытка углерода в шихте, предусматриваемый вышеуказанным способом, поддерживается в пределах: от 0,5/0,4 = 1,25 до 0,75/0,4 = 1,87, т. е. на 25-87% выше, чем это требуется по стехиометрии восстановительного процесса. Для шихт, загружаемых непосредственно к электродам, избыток углерода указанным изобретением не предусматривается, полагая очевидно, что величины коэффициента избытка углерода в шихте, подаваемой к электродам, могут находиться в пределах, как меньше, так и больше единицы, соответствующей стехиометрическому количеству углерода.

Наряду с неопределенностью состава шихт, загружаемых непосредственно к электродам, недостатком указанного изобретения является то, что предусматриваемые массовые соотношения C:SiO₂ = 0,5-0,75 в составе шихт, загружаемых в центральные участки ванны печей (между электродами), не увязаны с фактическими конструктивными и электрическими параметрами ванны печей. Более того, рекомендуемые массовые соотношения C:SiO₂ = 0,5-0,75 в составе таких шихт представляются явно завышенными, т.к. приводят к чрезмерному закарбиживанию центра ванны и к ограничениям скоростей проплава и схода шихт в центральных участках ванны печей, приводящих к снижению производительности печей и к увеличению удельного расхода электроэнергии при выплавке кремния.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение производительности печей, извлечение кремния из сырья и снижение удельного расхода электроэнергии в процессе выплавки кремния при работе печей с различными по величине плотностями тока в ванне (i_в, А/см²).

Решение поставленной задачи достигается тем, что в центральную часть ванны печей загружают шихту с массовым соотношением C:SiO₂= (0,54-0,56)×i^-_в^1/2, отн.ед.
а к электродам - шихту с массовым соотношением
C:SiO₂= (0,27-0,28)×i^-_в^1/2+0,2,отн.ед.
где
- плотность тока в ванне, А/см²;
I_э - сила тока в электродах, А;
d_э - диаметр электродов, см;
S - расстояние между осями электродов в ванне печи.

В качестве примера применения настоящего изобретения в нижеследующей таблице приведены показатели трехфазной печи кремния за двух-трехнедельные периоды непрерывной ее эксплуатации на мощности ≈ 17,0 МВт при загрузке шихт в ванну согласно известным способам и по способу, предложенному настоящим изобретением. Фактические параметры ванны указанной электропечи составляли: диаметр электродов d_э = 1,2 м; расстояние между осями электродов в ванне S = 2,77 м (при диаметре окружности распада электродов d_р = 3,2 м).

При поддержании средней токовой нагрузки в электродах, равной I_э = 65 кА, фактическая плотность тока в ванне составляла i_в = 1,33 А/см².

Приведенные в таблице данные со всей очевидностью указывают на преимущества предложенного способа производства кремния в трехфазной печи, обеспечивающего при заданной мощности печи снижение удельного расхода электроэнергии, повышение производительности печи и извлечения кремния из сырья в готовый продукт.

Источники информации
1. Никольский Л.Е. и др. Промышленные установки электродугового нагрева и их параметры. - М.: Энергия, 1971, с. 48-50.

Формула изобретения

Способ производства кремния в трехфазной рудовосстановительной электропечи, включающий загрузку шихты, содержащей кварцит и углеродистый восстановитель, в центре ванны и к электродам с различным соотношением C:SiO, отличающийся тем, что в центральную часть загружают шихту с массовым отношением, отн. ед:
C:SiO₂= (0,54-0,56)·i^-_в^1/2,
а к электродам - шихту с массовым отношением, отн. ед.

C:SiO₂= (0,27-0,28)·i^-_в^1/2+0,2,
где i_в - плотность тока в ванне, А/см²,

I_э - сила тока в электродах, А;
S - расстояние между осями электродов в ванне печи, см;
d_э - диаметр электродов, см.

РИСУНКИ

Рисунок 1