СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ В ТРЕХФАЗНЫХ РУДОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ Российский патент 1998 года по МПК C22C33/04 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к электротермическому производству технического кремния, и касается способа его производства в трехфазных рудовосстановительных электропечах с погруженной дугой.

Суммарный процесс углетермического восстановления кремния описывается реакцией
SiO₂ + 2C → Si + 2CO,
протекающей в несколько стадий с промежуточным образованием карбида кремния (SiC) и с газообразной моноокиси кремния (SiO₂).

Ванну электропечей при производстве кремния условно можно разделить на две зоны - внешнюю, по высоте загруженной шихты в ванну печей, и внутреннюю, соприкасающуюся непосредственно с участками действия (горения) электрических дуг на электродах.

Процессы образования кремния и моноокиси SiO происходят преимущественно во внутренней зоне ванны печей, характеризующейся повышенной концентрацией электроэнергии. При этом, получаемый кремний непрерывно, или периодически, удаляется из печей для последующей разделки в товарный вид, а моноокись SiO возгоняется и улавливается во внешней зоне ванны печей углеродом шихты за счет реакции образования карбида кремния
SiO + 2C → SiO + CO.

В соответствии с приведенной моделью процесса для снижения потерь кремния в виде SiO во внешней зоне ванны представляется особенно важным наряду с повышением реакционной способности углеродистых восстановителей в составе расходуемых шихт поддерживать необходимую высоту слоя загруженной шихты в ванне от уровня подины, зависящую от мощности печей и величин полезного фазного напряжения U_пф на электродах.

Для интенсификации процесса образования кремния во внутренней зоне печей важна организация надлежащего токораспределения и мощностей по участкам ванны, характеризующимся дуговой и шихтовой проводимостью
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства технического кремния в трехфазных рудовосстановительных печах разной мощности [1]. Известный способ включает непрерывную загрузку шихты, ее плавление и поддержание заданной высоты слоя шихты в ванне печей разной мощности.

Однако при производстве кремния недостаточно учитывают технологические особенности осуществляемого процесса. В частности, загрузку шихты и поддержание заданной высоты слоя расходуемой шихты в ванне печей над уровнем подины производят зачастую без учета реализуемого электрического режима эксплуатации печей, что уменьшает степень улавливания монооксида SiO во внешней зоне ванны печей и приводит к возрастанию потерь тепла и SiO с отходящими печными газами.

Существующие методы расчета электрорежимов печей, принимаемые в качестве основы для управления электрическими режимами эксплуатации печей, не учитывают особенности токораспределения по участкам ванны, присущих электропечам с явно выраженным дуговым режимом работы.

Согласно расчетной методике для всех бесшлаковых рудовосстановительных процессов, к каким относится производство кремния, взаимосвязь полезного фазного напряжения на электродах (U_пф, B) с полезной фазной мощностью P_пф, Bt) оценивается расчетной формулой (1)
U_пф = C₁ • P_пф)^1/3, B
где
C₁ - константа уравнения, определяемая по статическим данным работы печей, принятых за "образцовые",
1/3 - показатель степени, отражающий объемное выделение энергии в ванне печей.

Приведенная формула противоречит тезису о том, что каждому рудовосстановительному процессу в электропечах должны соответствовать свои конкретные, но различные для разных процессов, соотношения между дуговой и шлаковой (или шихтовой) проводимостью в ванне печей.

Расчетная формула (1) не учитывает, кроме того, существенного влияния на электрорежимы печей кремния конструктивных размеров ванны - диаметра электродов, распада электродов и других параметров.

В зарубежной и отечественной литературе по электропечам широко применяется для оценки электрических режимов эксплуатации печей, аналитическая зависимость (2).

R_в • d_э = ρ_эф • ЭП = K, Ом • см,
где
R_в - U_пф/I - фазное электросопротивление ванны печей, мОм;
d_э - диаметр электрода, см;
ρ_эф - среднее эффективное электросопротивление шихты, Ом • см;
ЭП - критерий электрического подобия печей.

При соответствующем преобразовании формула (1) может быть приведена к виду
U_пф= C3/2I

•(I_э)^0,5,B (1 а)
в котором показатель степени при токовой нагрузке в электродах (I_Э, A) равен 0,5, а величина константы (C₁)^3/2, полученная путем статической обработки анализируемых режимных параметров печей по выплавке кремния, составляет (C₁)^3/2 = 0,3.

Что касается взаимосвязи U_пф= f(I_э) согласно зависимости (2), то последняя оценивается формулой (2a):
U_пф=K•(I_э/d_э)^1,0, B,
с показателем степени при (I_э) равным 1,0, и при статической величине константы "K" для печей кремния равной K = 0,135 Ом • см.

Технической задачей изобретения является повышение извлечения кремния из сырья и снижение расхода электроэнергии при его производстве.

Произведенный анализ и обобщение режимных параметров более двух десятков промышленных электропечей при выплавке кремния указывает на то, что на изменение величин фазного электросопротивления ванны в электропечах одновременное влияние оказывают рабочий ток в электродах (I_э), диаметр электродов ((d_э) и расстояние между осями электродов (S) в ванне печей.

Установлено также, что режимные параметры печей, включая величины фазных электросопротивлений ванны (R_в), существенно зависят от степени интенсификации печей, оцениваемой по соотношениям фактически достигнутых плотностей тока в ванне, рассчитанных согласно формуле (3)
,
к усредненной для большинства зарубежных печей кремния величине.

i_в ≈ 1,8 А/см²
Что касается поддержания высоты слоя шихты в ванне печей, необходимой для более полного улавливания возгонов монооксида SiO во внешней зоне ванны печей, то величина последней зависит от величин полезного фазного напряжения на электродах (U_пф) и допустимых градиентов напряжений по высоте ванны ( ΔU_н ), изменяющихся согласно расчетной зависимости (4):
ΔU_н = 0,2 + 0,05 (ib), В/см,
Решение поставленной технической задачи заключается в том, что величина полезного фазного напряжения в ванне печей поддерживают в пределах, определяемых формулой
U_пф= (0,36÷0,40)•i-0,39B

•(I_э/d_э)^0,87,B ,
при этом, высоту слоя загруженной шихты в ванне печей от уровня подины непрерывно поддерживают в пределах, определяемых формулой:
H_к=(1,05^oC1,15)•U_пф•(0,2+ 0,05(ib))^-1,0, см,
где
U_пф - полезное фазное напряжение на электродах, В;
I_э - сила тока в электродах, А;
d_э - диаметр электродов, см;
i_в - плотность тока в ванне по отношению величин (I_э) к площади сечения реакционных зон в ванне, определяемой фактическими расстояниями между осями электродов (S) и диаметром электродов (d_э) согласно формуле

H_к - высота слоя шихты в ванне от уровня подины печей, см.

Известно, что за последние годы накоплен большой производственный опыт по промышленной эксплуатации отечественных трехфазных печей кремния мощностью 25 МВА.

Указанные электропечи оснащены угольными электродами диаметром d_э = 1205 мм, расположенными в ванне по вершинам равностороннего треугольника с расстояниями между осями электродов S = 2771 мм (при диаметре окружности их распада в ванне d_р = 3200 мм).

Освоение и промышленная эксплуатация печей сопровождались испытаниями различных электрорежимов, в результате чего активная мощность печей из года в год постепенно возрастала от ≈ 15 до ≈ 18 МВТ при соответствующем увеличении токовой нагрузки в электродах от 55 ^oC 60 до ≈ 70 кА.

В качестве примеров применения предложенного способа определения режимных параметров электропечей в нижеследующей таблице приведены расчетные и фактические электрорежимы рассматриваемых электропечей при токовой нагрузке I_э = 60 и 68 кА, а также соответствующие им фактические показатели печей, полученных за двух- трехнедельные периоды их непрерывной работы на расчетных режимах.

Как следует из данных таблицы, предложенный способ определения режимных параметров печей в зависимости от заданной токовой нагрузки в электродах обеспечивает получение более высоких величин (U_пф) по сравнению с ранее известными на основе расчетных формулы (1а) и (2а) / методами их определения, что способствует существенному повышению активности мощности печей, их производительности и улучшению других показателей работы печей, включая снижение расхода электроэнергии и повышение извлечения кремния из сырья.

Приведенные в таблице данные свидетельствуют о преимуществах предложенного способа определения режимных параметров процесса выплавки кремния в трехфазных электропечах по сравнению с ранее известными способами. Они позволяют оптимизировать процесс производства кремния с учетом конструктивных параметров печей и технологических особенностей осуществляемого процесса.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к электротермическому производству технического кремния. При производстве технического кремния непрерывно загружают шихту в электропечь и поддерживают высоту слоя шихты над подиной в ванне печи в зависимости от полезного фазного напряжения на электродах и плотности тока в ванне печи. Снижается расход электроэнергии и повышается извлечение кремния из сырья. 1 табл.

Способ производства технического кремния в трехфазных рудовосстановительных электропечах разной мощности, включающий непрерывную загрузку шихты и поддержание заданной высоты слоя шихты в ванне печи, отличающийся тем, что определяют в ванне печи плотность тока i_В и величину полезного фазного напряжения на электродах U_п ф по соответствующим выражениям

U_пф= (0,36÷0,40)•i-0,39в

•(I_э/d_э)^0,87, B,
где I_э - сила тока в электродах, А;
d_э - диаметр электродов, см;
S - фактическое расстояние между осями электродов, см,
и заданную высоту слоя шихты в ванне печи от уровня подины Нк поддерживают в пределах, определяемых соотношением
0