Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ .^^Д... 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ^^!3... 8
Анализ современного состояния процесса карботермического восстановления кремния ; Л^Г 8
Промежуточные оксидные соединения кремния в карботермическом процессе -F. 10
Модель карботермического восстановления кремния на основе экспериментальных данных ..^^Д IS
Механизм взаимодействия кремнеземсодержащего сырья и углеродистого восстановителя 28
Водород и его соединения в процессе карботермического восстановления ?..„Ч. 34
Экологические проблемы заводов по производству кремния и ферросилиция ^^..^^^. 41
Выводы и постановка задач исследования 46
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВОДОРОД
УГЛЕРОДИСТОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ И
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АМОРФНОГО КРЕМНЕЗЕМА 49
Термодинамическая оценка возможности использования аморфного кремнезема в карботермическом процессе 50
Термодинамический расчет реакций восстановления кремнезема углеводородами 52
Термодинамика восстановления окислов кремния водородом 58
Выводы 62
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЗМА ВОДОРОД УГЛЕРОДИСТОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ... 63
Объект исследования 63
Методика эксперимента 64
3.3. Изучение физико-химических превращений микрокремнезема при
нагревании 69
Сравнительный анализ микрокремнезема и кварцита на основании термографического анализа .^^, 69
Изучение поведения микрокремнезема при нагревании 75
Изучение поведения брикетированного микрокремнезема при нагревании 80
3.4. Разработка технологии использования микрокремнезема для
изготовления брикетированной шихты 82
Выбор состава шихты для кремнезем-углеродистых композиций 83
Изготовление опытных кремнезем-углеродистых композиций для высокотемпературного испытания 84
Особенность взаимодействия микрокремиезема с углеродистыми восстановителями в процессе нагревания 91
3.5. Применение электрощелока как связующего при изготовлении
брикетированной шихты 96
Выводы 98
ГЛАВА 4. ОПЫТНО- ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ И ФЕРРОСИЛИЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БРИКЕТИРОВАННОЙ ШИХТЫ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВ. 100
4.1. Испытание брикетированных шихт на синтез карбида кремния в печи
160 кВА при выплавке кремния и ферросилиция 100
Изготовление опытной партии брикетированной шихты па синтез карбида кремния 101
Испытание брикетированной шихты на синтез карбида кремния при выплавке кремния и высококремнистого ферросилиция 104
4.2. Опытно-промышленные испытания выплавки 75 %-го ферросилиция
на печи 25 мВА брикетированной шихтой 111
4.2.1. Изготовление опытной партии брикетированной шихты 112
z
4.2.2. Опытно-промышленные испытания выплавки 75 %-го
ферросилиция на печи 25 мВА 115
Выводы 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ J^b.^^. 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ \^.J. 122
ПРИЛОЖЕНИЯ ЖІ7...Ж.... 130
Введение к работе
При выплавке кремния на отечественных заводах большое количество кремнеземсодержащсго сырья теряется с отходящими газами в виде микрокремнезема, на 1 тонну кремния приходится до 900-1000 кг этого продукта. В России микрокремнезем не имеет постоянного потребителя и является отходом. Общее состояние шламовых полей и растущие платежи за хранение твердых отходов заставляют заниматься этой проблемой. Микрокремнезем в основной массе состоит из ценного компонента -диоксида кремния и не высока сумма вредных примесей, поэтому актуально использовать микрокремиезем в качестве сырья для производства кремния и его сплавов.
11а сегодняшний момент микрокремнезем не используется в технологическом процессе выплавки кремния, его применение осложнено тем, что он находится в тонкодисперсном виде, помимо этого мало изучены его термические свойства и химическая активность в карботермическом процессе. Все это необходимо учитывать при разработке новой ресурсосберегающей технологии выплавки кремния с использованием микрокремнезема, принцип которой заключается в изготовлении шихтовых брикетов из смеси микрокремнезема и углеродистого восстановителя.
При выборе углеродсодержащей части брикетированной шихты необходимо отметить, что в процессе карботермического восстановления кремния углеродистые восстановители с высоким содержанием твердого углерода показывают относительно низкую химическую активность. Напротив, традиционно используются восстановители с меньшим содержанием твердого углерода и высоким содержанием летучих. По некоторым представлениям в составе летучих содержится водород, который каталитически влияет на процесс. В настоящий момент весьма актуально изучить механизм влияния водорода на карботермическое восстановление кремния, что позволит создать новую ресурсосберегающую технологию. Выполнению поставленных задач посвящена данная диссертационная работа.
Цель диссертационной работы заключается в разработке новой ресурсосберегающей технологии производства кремния с использованием микрокремнезема в качестве сырья на основе механизма водород углеродистого восстановления.
Поставленная цель достигается решением следующих задач;
ановлени
изучением химизма и механизма карботсрмического восстановления кремния в рудотермической печи;
изучением роли водорода в процессе восстановления кремния и выявлением основных механизмов влияния;
исследованием физико-химических свойств микрокремнезема в процессе высокотемпературного нагрева и карботсрмического восстановления;
разработкой технологии изготовления брикетированной шихты на основе микрокремнезема с применением связующего;
проведением полупромышленных и промышленных испытаний по выплавке кремния и его сплавов брикетированной шихтой изготовленной по новой ресурсосберегающей технологии.
Научная новизна. В результате проведенных исследований выявлены новые ранее неизвестные закономерности, которые заключаются в следующем:
Практическая значимость.
аморфный микрокремнезем, являясь химически активным материалом, не склонен к процессу низкотемпературной газификации;
температура восстановления кремния и карбида кремния снижается, если в карботермическом процессе увеличивается доля водорода. Водород выполняет функцию транспортного агента, осуществляя контакт между твердыми шихтовыми материалами;
восстановление диоксида кремния водородом возможно, но только атомарным, а не молекулярным;
водород свободно восстанавливает монооксид кремния до кремния, что является причиной образования металла в верхних низкотемпературных горизонтах печи наряду с реакцией диспропорционирования;
водород восстанавливает до гидропероксидных групп пероксилные мостики кварца ^SiOOOSi^, последние образуются в результате механохимического окисления. По этой причине происходит интенсивное химическое разрушение кварцита при нагревании свыше 1100 С.
На основании проведенных исследований и установленных закономерностей разработана технология изготовления брикетированных шихт с использованием микрокремнезема для выплавки кремния и его сплавов. Главным достоинством технологии является возврат твердых отходов в производственный цикл, что позволяет снижать расходы на содержание шламовых нолей и улучшать экологическую обстановку регионов;
На предприятиях Солнечный кремний Сибири и Братский алюминиевый завод при непосредственном участии автора получен кремний и ферросилиций в опытно- промышленных и промышленных установках по данной ресурсосберегающей технологии. Она может быть реализована в процессе получения кремния и ферросилиция в промышленных условиях с экономическим эффектом для высококремнистого ферросилиция 1,44 млн.руб.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной
работы докладывались и обсуждались на конференции: «Металлургия XXI века: шаг в будущее» (Красноярск, 1998 г.); «Научные основы, методы и технологии разделения минеральных компонентов при обогащении техногенного сырья» (Плаксинские чтения, Иркутск, 1999 г.); VI международной конференции - выставке «Алюминий Сибири 2000» (Красноярск, 5-7 сентября 2000 года); «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и ученых алюминиевой, магниевой и электродной промышленности» (Санкт-Петербург, 21-23 ноября 2000 года); международной конференции «Металлургические технологии и экология» (Санкт-Петербург, 12-15 июня 2001 года); международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития производства кремния и алюминиево-кремниевых сплавов» (Каменск -альский, 20-22 декабря 2001 года); «Международной научно-технической конференции молодых специалистов и ученых алюминиевой, магниевой и электродной промышленности» (Санкт-Петербург 27-28 мая 2002 года).
Похожие диссертации на Ресурсосберегающая технология производства кремния на основе механизма водород-углеродистого восстановления
