Возврат в процесс пыли кремниевого производства | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Экология

Опубликовано в Молодой учёный №7 (87) апрель-1 2015 г.

Дата публикации: 06.04.2015

Статья просмотрена: 480 раз

Библиографическое описание:

Леонова М. С. Возврат в процесс пыли кремниевого производства // Молодой ученый. — 2015. — №7. — С. 1068-1071. — URL https://moluch.ru/archive/87/16984/ (дата обращения: 15.08.2018).

Технический кремний — один из немногих видов промышленной продукции, который до рецессии мирового производства имел тенденции к росту производства и потребления. Кризисные явления в мировой экономике последних лет и связанное с этим снижение потребления алюминия, и соответственно, кремния металлургического качества увеличили потребление кремния химической промышленностью с 40 до 60 % мирового производства, в том числе и для получения особо чистого кремния, пригодного для получения солнечных элементов [1, с. 180].

Для производства чистого кремния пригодны минералы с высоким содержанием кремнезема, практически не содержащие вредных примесей и хорошо восстанавливающиеся в электропечи. Сырьем, наиболее пригодным для выплавки технического кремния в электропечи, является кварцит — разновидность горной породы, состоящей из плотно упакованных кварцевых зерен (кварцевого песка), сцементированных глинистым или кремневым цементом [2, с 2].

Для выплавки кремния используются также крупно кристаллический кварц с плотностью 2,59–2,65 г/см3 и температурой плавления 1750–1760 °С. В настоящее время он применяется редко из-за его дефицитности. Содержание SiO2 в кварците должно быть не менее 98 %.

Некоторое облегчение сырьевого вопроса для производства кремния следует ожидать в связи с перспективой использования кварцевых песков в виде брикетированной или гранулированной шихты, что в настоящее время прорабатывается в опытном порядке [3, 18 с.].

Технический кремний получают в руднотермических печах при плавке шихты, состоящей из кремнеземсодержащего сырья и углеродистого восстановителя (УВ).

Технология выплавки кремния может быть описана одной основной реакцией [1]

 [1]

В левой приходной части — кремнезём и углерод, представляющий шихту плавки, в правой расходной части — продукты восстановления: жидкий кремний и газообразный монооксид углерода — СО, технологический газ. Температура плавки более 2000 ºС.

Основными преимуществами руднотермических печей, обусловившими их широкое применение, являются:

–           нагрев шихты не зависит от внешних факторов, например, качество и вид топлива;

–           высокая температура, создаваемая электрической дугой, обеспечивает разрушение даже самых прочных оксидов;

–           условия нагрева, определяемые мощностью подводимого электрического тока, легко поддаются управлению и автоматическому регулированию;

–           при восстановлении оксидов углеродом выделяемый высококалорийный газ может быть использован как источник тепла или для других целей;

–           электрические руднотермические печи, особенно эффективны в районах с дешевой электроэнергией при дефиците других видов топлива [3, 27 с.].

Производство технического кремния сопровождается большим количеством пылевых выбросов. Пыль — это унос из горна электропечи трех видов продуктов. Во-первых, дисперсных продуктов химического реагирования в шихте (типа Si и SiO2), полученных по реакции диспропорционирования: SiO2- продукт окисления паров Si и SiO; CaO — продукт окисления паров кальция; Al2O3- продукт дипропорционирования и окисления Al2O, AlO.

Во-вторых, мелких частиц компонентов шихты из колошникового слоя, образованных после контрольного грохочения и отделения мелочи. В результате переизмельчения при дозировке, транспортировке и загрузке шихты в печь.

В-третьих, продуктов измельчения компонентов шихты в горне кварцита и особенно углеродистых материалов в ходе восстановления и разукрупнения реагирующих частиц при осадке и опиковке шихты.

Все эти дисперсные и мелкие частицы выдуваются реакционными газами в момент их попадания в горн или их образования и в виде запыленных газов выносятся на колошник, где разбавляются подсасываемым воздухом, при этом бесполезно сгорают CO,CH4,H2 и др. углеводороды и, наконец, эта смесь вытягивается из газосборного зонда по системе газоходов на газоочистку.

Выход пыли колеблется в широких пределах (от 300 до 1 000 кг на 1 тонну товарного металла) и представляет сложную проблему для цехов кремния. До настоящего времени плохо решены вопросы эффективного выделения пыли из газов, сортировки пыли по каким-то полезным признакам, ее хранения, ликвидации и реализации как товарного продукта, не говоря о разработке мер по снижению ее выхода при плавке. Печная пыль сильно осложняет цехам кремния проблему сохранения окружающей среды, которая обостряется и может явиться решающей в процессе снижения мощностей цехов по этому признаку [3, 179 с.].

В результате изучения свойств пыли производства кремния выявлено, что на 85 % она представлена сфероидизированными частицами SiO2, а образующиеся объемы делают пыль перспективным источником для производства продукции.

Усредненный состав пыли кремниевого производства ЗАО «Кремний» приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав пыли кремниевого производства

Хим. ком.

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Cсв.

Na2O

SO3

P2O5

K2O

TiO2

SiC

Сод, %

85,41

0,46

0,30

1,50

1,24

6,09

0,08

0,16

0,12

0,31

0,02

5,03

 

Объяснение факта образования сфероидизированных частиц диоксида кремния, как попутного продукта в производстве металлургического кремния, может быть достигнуто на базе всестороннего исследования физико-химических закономерностей высокотемпературных процессов карботермического восстановления кремния из кремнезема. Детальное изучение термодинамических характеристик системы Si-O-C, механизма взаимодействий, реализующихся в кремнеплавильной электропечи, особенностей кинетики отдельных реакций в рассматриваемой системе может дать понимание процессов, а также позволит разработать эффективные способы извлечения и использования попутного продукта, который в настоящее время является отходом [4, 43 с.].

                

Рис. 1. Электронное изображение сфероидизированных частиц SiO2 различного размера и связок углеродных нанотрубок

 

Утилизация пыли и шламов производится преимущественно на крупных металлургических предприятиях в агломерационном производстве. Для вторичного использования в металлургии применимы только предварительно специально подготовленные данные отходы.

Окускование мелкодисперсных пылей и шламов позволяет не только обеспечить предприятия дополнительными ресурсами, но и уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду, но стабилизировать работу основных переделов — подготовки сырья и доменного производства.

Отличительной особенностью процесса окомкования является возможность изготовления брикетов из шихтовых смесей, эффективных для основных типов агрегатов металлургического передела.

Созданная технология брикетирования показала, что основная роль в прочности брикета отведена связующему. Оно должно обладать достаточными адгезионными свойствами для образования механически прочных, водо- и термостойких брикетов; иметь низкую стоимость; не вносить вредные примеси, ухудшающие качество выплавляемого металла; не снижать качества брикетов под воздействием высоких температур и реакционной способности шихтовых компонентов; не ухудшать условий выплавки кремния; отвечать санитарно-гигиеническим нормам. При выборе связующего необходимо учитывать их полезность при дальнейшем использовании брикетов, экологическую чистоту и недефицитность.

Изучаемый способ окомкования шихтовых материалов предусматривает использование щелочных сред для получения силикатов натрия как связующего. В основе данной методики лежит реакция образования метасиликата натрия, который использовался в качестве связующего. [2].

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2                                                         [2]

Метасиликат натрия является реагентной средой, обладающей и хорошими адгезионными свойствами, и высокой щелочностью. Он широко применяется в строительстве благодаря великолепной клеющей способности. Окомкованные композиции, полученные при использовании жидкого стекла обладали высокой механической прочностью, сопротивление сбрасыванию составляло 89–99 % [5, 16 с.].

Вкачестве добавки в шихту для данной методики использовальзуется пыль газоочистки кремниевого производства, нефтекокс, а также мелкокристаллический кремний, т.к было очевидно, что крупность материала влияет на процесс окомкования, поэтому был выбран для опытов измельченный кремний одной крупности.

Окомкование используемых материалов проводилось при температуре 50°С на лабораторной плите. В проводимых экспериментах в качестве параметров варьирования (факторов варьирования) были выбраны: продолжительность процесса спекания, содержание связующего и крупность частиц кремния.

После загрузки в печь окомкованные композиции должны обладать достаточной прочностью. Для этого готовые образцы необходимо проверить на этот показатель. Поэтому полученные композиции испытываются на сопротивление сбрасыванию (Rсбр).

В ходе испытания образец определенного размера сбрасывается на стальную плиту с предварительно заданной высоты. После этого полученные осколки сортируется по размеру и определяется масса каждой группы. Доля от изначального образца, которая припадает на каждую размерную группу осколков, указывает прочность на испытуемого образца (ГОСТ 21289–75).

 

Литература:

 

1.         Елкин К. С. Производство металлического кремния в России — состояние и перспективы// «Цветные металлы и минералы 2014»: материалы шестого междунар.конгресса (16–19 сентября 2014 г.). — Красноярск, 2014. — 2с.

2.         Немчинова Н. В., Клец В. Э., Черняховский Л. В. Силикаты натрия как связующее для образования брикетов при выплавке кремния //Изв. вузов. Цветная металлургия. — М., 1999. — № 2. — С. 14–18.

3.         Тютрин А. А. Кремний — основа для производства солнечных элементов [электронный ресурс] // Молодежный Вестник ИрГТУ. Иркутск, 2011. № 1.

4.         Катков О. М. Выплавка технического кремния: учеб. пособие: Изд-е –2, Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. — 243 с.

5.         Кондратьев В. В. Способы улавливания и характеристика пылевой фазы производства кремния: монография — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. — 77 с.

Основные термины (генерируются автоматически): технический кремний, вид топлива, кремниевое производство, мировое производство, окружающая среда, попутный продукт, цех кремния, частица, чистый кремний.


Похожие статьи

Оптимизация технологического процесса производства карбида...

Рассмотрим процесс производства карбида кремния (SiC). Электрическая печь для производства карбида кремния относится к типу электропечи сопротивления.

Пары кремния затем реагируют с углеродом с образованием конечного продукта

Экологические аспекты применения возобновляемых источников...

Кремний является стабильным материалом и по существу не представляет опасности для окружающей среды. В производстве кремниевых солнечных элементов вредные вещества выделяются также как и в электронной промышленности...

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

РШ содержит 90–98 % диоксида кремния, но почти не содержит тяжелые металлы, что очень важно при создании медицинских препаратов. В Кыргызской Республике каждый год накапливается 60–70 тыс. т. отходов производства риса в виде РШ и соломы. До сих пор в...

Получение пористого кремния для применения в адресной...

Вид агрегатов существенно зависит от типа проводимости исходного Si и состава дисперсионной среды.

Обоснование применения кремния для изготовления термоэлектрических источников энергии.

Разработка системы управления процессом дробления карбида...

В рассматриваемом процессе дробления карбида кремния в газоструйной мельнице основными рабочими продуктами являются: природный газ и

Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом производства уплотнителей дверей.

Научно-технологический анализ вторичной переработки...

Производство керамики, рубероида, химических удобрений, ферросилиция и обезжелезненного гранулированного шлака, алюмосиликатного сплава, карбида кремния

Поэтому необходимо создание базы данных по экологически чистым технологиям обращения с отходами в стране.

Использования солнечных батарей с учетом рециклинга

Солнечные батареи состоят из кремния.

Экологическое воздействие производства фотоэлектрических систем зависит от типа

- вначале модули разделяются на куски, затем перерабатываются в специальной мельнице до фракции с частицами размером менее 5 мм

Обзор методов нанесения кремниевых покрытий

Также нитрид кремния часто используют как изолятор и химический барьер при производстве интегральных микросхем и обеспечивают защиту от коррозии во влагосодержащих средах [1]. Нитрид кремния является более устойчивыми к воздействию окружающей среды...

Освоение технологии производства высокоуглеродистого...

Освоение технологии производства высокоуглеродистого феррохрома с содержанием кремния 1–2%.

III международная научная конференция «Актуальные вопросы технических наук» (Пермь, апрель 2015). Дата публикации: 18.02.2015.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Оптимизация технологического процесса производства карбида...

Рассмотрим процесс производства карбида кремния (SiC). Электрическая печь для производства карбида кремния относится к типу электропечи сопротивления.

Пары кремния затем реагируют с углеродом с образованием конечного продукта

Экологические аспекты применения возобновляемых источников...

Кремний является стабильным материалом и по существу не представляет опасности для окружающей среды. В производстве кремниевых солнечных элементов вредные вещества выделяются также как и в электронной промышленности...

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

РШ содержит 90–98 % диоксида кремния, но почти не содержит тяжелые металлы, что очень важно при создании медицинских препаратов. В Кыргызской Республике каждый год накапливается 60–70 тыс. т. отходов производства риса в виде РШ и соломы. До сих пор в...

Получение пористого кремния для применения в адресной...

Вид агрегатов существенно зависит от типа проводимости исходного Si и состава дисперсионной среды.

Обоснование применения кремния для изготовления термоэлектрических источников энергии.

Разработка системы управления процессом дробления карбида...

В рассматриваемом процессе дробления карбида кремния в газоструйной мельнице основными рабочими продуктами являются: природный газ и

Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом производства уплотнителей дверей.

Научно-технологический анализ вторичной переработки...

Производство керамики, рубероида, химических удобрений, ферросилиция и обезжелезненного гранулированного шлака, алюмосиликатного сплава, карбида кремния

Поэтому необходимо создание базы данных по экологически чистым технологиям обращения с отходами в стране.

Использования солнечных батарей с учетом рециклинга

Солнечные батареи состоят из кремния.

Экологическое воздействие производства фотоэлектрических систем зависит от типа

- вначале модули разделяются на куски, затем перерабатываются в специальной мельнице до фракции с частицами размером менее 5 мм

Обзор методов нанесения кремниевых покрытий

Также нитрид кремния часто используют как изолятор и химический барьер при производстве интегральных микросхем и обеспечивают защиту от коррозии во влагосодержащих средах [1]. Нитрид кремния является более устойчивыми к воздействию окружающей среды...

Освоение технологии производства высокоуглеродистого...

Освоение технологии производства высокоуглеродистого феррохрома с содержанием кремния 1–2%.

III международная научная конференция «Актуальные вопросы технических наук» (Пермь, апрель 2015). Дата публикации: 18.02.2015.

Задать вопрос