Программа расчета материального баланса процесса карботермического восстановления кремния Н. П. Соловеенко 1



Дата26.09.2018
Размер362 Kb.
#50072
ТипПрограмма

УДК 669.782

Программа расчета материального баланса процесса

карботермического восстановления кремния
Н.П. Соловеенко1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведено краткое описание производства кремния электротермическим способом, устройства руднотермической печи. Показано значение составления материального баланса применительно к процессу карботермического восстановления кремния. Представлен предложенный алгоритм для разработки программы расчета материального баланса процесса карботермического восстановления кремния, ее основные рассчитываемые показатели, исходные данные и метод представления результатов.

Ил. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: кремний; материальный баланс; руднотермическая печь.
PROGRAM OF MATERIAL BALANCE CALCULATIONS OF СARBOTHERMIC SILICON REDUCTION PROCESS

N. Soloveyenko

National Research Irkutsk State Technical University, Chemical and Metallurgical Faculty, Department of Nonferrous Metals,83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The paper briefly describes the silicon production by electrothermal method and an arc electric furnace. It presents the importance of material balance calculation for the silicon carbothermic reduction process.

The author provides the proposed algorithm for development of program of material balance calculation of carbothermic silicon reduction process, its main indicators, source data and methods of results presentation.



Keywords: silicon, the material balance, arc electric furnace

Кремнийэлемент главной подгруппы четвёртой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Кремний – один из самых распространенных в природе элементов (по распространённости в земной коре занимает второе место после кислорода): содержание его в земной коре 27,6 % по массе [1].

По химическим свойствам кремний – металлоид; по электрическим свойствам он относится к полупроводникам, но при 1000 °С становится хорошим проводником тока.

Технический кремний находит применение в следующих областях:



  1. сырьё для металлургических производств: компонент сплава (бронзысилумин); раскислитель (при выплавке чугуна); модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей увеличивает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;

  2. сырьё для производства более чистого поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «UMG-Si»);

  3. сырьё для производства кремнийорганических материалов, силанов;

  4. иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;

  5. для производства солнечных батарей.


В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 углеродистыми восстановителями при температуре свыше 2300 °C в руднотермических печах (РТП, рис. 1).

_________________________



1Соловеенко Надежда Павловна, студентка химико-металлургического факультета кафедры металлургии цветных металлов, e-mail: kafmcm@istu.edu

Soloveenko Nadezhda, student of Department of Metallurgy of nonferrous metals, , e-mail: kafmcm@istu.edu




Рис. 1. Руднотермическая печь для выплавки кремния
В настоящее время для производства кристаллического кремния электротермическим способом используют кварц и кварциты. Углеродистые материалы, применяемые в качестве восстановителя при выплавке кремния, должны обладать высокой реакционной способностью, достаточной механической прочностью, высоким электросопротивлением, содержать минимальное количество золы и быть дешевыми [2, 3].

Технологические операции в производстве кристаллического кремния сводятся к подготовке шихты, плавке ее в руднотермической печи, разливке кремния и измельчению его для удаления шлаковых включений.

В качестве комплексного восстановителя обычно используется смесь из колумбийского угля, нефтяного кокса, каменного угля и древесной щепы [4].

В производстве кремния применяются электрические печи мощностью 15000 - 35000 кВ·А открытого типа. Преимущества электронагрева и особенного дугового способа нагрева позволяют использовать руднотермические печи для производства материалов, получение которых другими методами менее эффективно или невозможно.

Расчёт руднотермических печей носит довольно сложный и неоднозначный характер. При работе РТП происходит наложение множества факторов, сложным образом зависящих друг от друга, от электрических и тепловых полей в ванне печи, от гравитационного поля, полей скоростей, давления и физико-химических процессов [3].

Для осуществления технологических процессов для начала необходимо рассчитать материальный баланс. Что касается процесса руднотермической плавки кремния, то материальный баланс в данном случае является одним из главных показателей точного определения количества расходуемых дорогостоящих материалов с получением конечного продукта.



Материальный баланс имеет большое практическое значение, поскольку в нем отражается степень оптимального проведения технологического процесса: чем он точнее составлен, тем, следовательно, детальнее изучена технология, тем меньше в балансе разного рода потерь, тем правильнее проводится процесс. Как правило, материальный баланс составляют в расчете на единицу массы 100 %-ного готового продукта. Различают теоретический и практический материальные балансы.

Теоретический материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений реакции и известных молекулярных масс реагирующих компонентов. Практический материальный баланс составляют с учетом состава сырья и выхода целевого продукта; при этом учитывают необходимые избытки некоторых компонентов, а также допустимые потери сырья, промежуточных и конечных продуктов, которые неизбежны при периодическом способе организации технологических процессов.

В настоящее время в металлургическом производстве практически все процессы автоматизированы. С увеличением доли обновленных машин и оборудования во всей применяемой их массе не только возрастает объем производимой продукции, но и обеспечивается относительное высвобождение работающих в результате более высокого уровня техники, степени механизации и автоматизации производственных процессов [5]. К этим мероприятиям относится и создание программ для расчета показателей металлургической плавки. В современное время одной из главнейших проблем при проведении процесса карботермического процесса является расчет материального баланса, который обычно проводят вручную на основе практических данных других предприятий, тем самым подбор определенного режима проведения процесса становится очень трудоемкой операцией.



Исходя из этого, нами был предложен алгоритм программы в редакторе Microsoft Excel, позволяющий рассчитать материальный баланс руднотермической выплавки кремния. Также алгоритм позволяет определить состав комплексного восстановителя; количество углерода, необходимого для восстановления оксидов; химический состав технического кремния; количество шлака, воздуха; количество газов, образовавшихся в печи; количество летучих и влаги.

Вводными данными являются:

  • состав комплексного восстановителя;

  • химический состав исходных сырьевых материалов;

  • данные технического анализа восстановителей;

  • расход угольных электродов (рис. 2).



Рис. 2. Программа для расчета материального баланса плавки кремния в РТП

Исходные данные
Р

асчет начинается с определения количества углерода, необходимого для восстановления кремнезема; далее рассчитывается состав шихты на 100 кг кварцита и перераспределение в нем углерода. По заданному распределению восстановленных примесей определяется количество кислорода, выделившегося при восстановлении оксидов составных частей загружаемой шихты. На основе уже полученных данных производится расчет химического состава выплавляемого технического (металлургического) кремния и распределение восстановленных элементов между продуктами плавки. Одной из важнейших задач программы является нахождение количества и состава получаемого шлака, т.к. этот показатель отображает степень извлечения основного металла. Также рассчитывается количество воздуха, азота, необходимого для процесса восстановления углерода и количество газов, образовавшихся в печи.



В результате расчета выводится итоговое окно материального баланса (рис. 3), представленное в виде таблиц прихода и расхода материалов. В приходной части баланса приводятся количества вводимых шихтовых материалов и воздуха, введенных в технологический процесс, а в расходной части – количества получаемых целевого продукта (кремния), потерь и других продуктов плавки.


Рис. 3. Программа для расчета материального баланса плавки кремния в РТП

Конечная таблица материального баланса
Использование указанной программы позволит автоматизировать процесс расчета материального баланса и существенно сократить время его составления.
Библиографический список


  1. Немчинова Н.В., Клец В.Э. Кремний: свойства, получение, применение : учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – 272 с.

  2. Технология выплавки технического кремния / под ред. О.М. Каткова. – Иркутск: ЗАО «Кремний», 1999. – 245 с.

  3. Теория и практика восстановительной электроплавки кремния / Б.И. Зельберг [и др.]. – СПб.: Изд-во МАНЭБ, 2001. – 450 с.

  4. Катков О.М. Выплавка технического кремния: учеб. пособие. – 2-е изд. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. – 243 с.

  5. Шадис В.С., Бычинский В.А. Физико-химическое моделирование металлургических процессов (производство кремния): учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. – 65 с.



Работа выполнена по НИР № 14.В37.21.1064 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.



Каталог: sys -> mod -> attach.php?journals -> 2012
attach.php?journals -> Комплекс историко-культурного наследия на улице декабрьских событий в Иркутске
attach.php?journals -> Историческая усадьба по улице Дзержинского города Иркутска С. А. Шерстова1, М. Г. Захарчук
2012 -> Применение молотого кремния в промышленности
attach.php?journals -> Водяные ворота свидетели героических событий оренбурга
attach.php?journals -> Интенсификация биологической очистки иммобилизованным активным илом
attach.php?journals -> Памятник истории и культуры конца XIX в. «Особняк (дом жилой Полканова)» Е. Э. Леденёва1, М. Г. Захарчук
2012 -> Применение металлографического метода анализа
2012 -> Взаимосвязь копинг-стратегий и толерантности к стрессу в напряженных условиях труда
2012 -> К понятию о русской языковой картине мира Е. И. Игнатьева1, Н. В. Дудина


Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©www.vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница