5.1 Особенности процесса карботермического восстановления кремния в горне электропечи
5.1.1 Общие положения
Технология выплавки кремния может быть описана одной реакцией - это главная реакция технологии:
Si02 + 2С = Si + 2СО. (1)
В левой приходной части мы видим кремнезем и углерод, представляющий шихту плавки, в правой расходной части продукты восстановления: жидкий кремний и газообразный монооксид углерода - СО, технологический газ. Фактически химизм технологии более сложный. Вместо одной главной реакции в горне печи последовательно протекает цепочка восстановительных реакций, валентность кремния в которых уменьшается до нуля в соответствии с принципом Байкова. Простейшая схема последовательных превращений выглядит следующим образом:
Валентность: 4 2 0.
Характерной особенностью реакций восстановления кремнезема является образование газообразного промежуточного оксида - Si0, который вызывает отрицательные последствия в процессе плавки. Газообразное состояние Si0 при температуре процесса, вплоть до 1700oС. является причиной его выдувания в виде газа и пыли из горна электропечи до его восстановления. Это снижает извлечение и создает проблему очистки реакционных газов, поскольку вынос кремневой пыли крайне отрицательно влияет на окружающую среду.
Восстановление кремнезема в электропечи протекает в противотоке. Вниз движется шихта, состоящая из кварцита и углеродистого восстановителя. По мере опускания в зону высокой температуры в шихте в результате протекания реакции образуется карбид кремния. Вместе с недовосстановленным, размягченным или даже расплавленным кварцитом, смесь твердых и жидких продуктов в виде шлака стекает вниз в зону максимальных температур. Вверх навстречу шихте движется поток реакционных газов, состоящих в основном из СО, Н2, СН4 и SiO. Летучий оксид SiO может восстановиться в контакте с шихтой или будет вынесен из горна технологическими газами.
Восстановление SiO2 происходит несколькими восстановителями. В верхней зоне углеродом, в средней и нижней зоне карбидом кремния - промежуточным продуктом. И наконец, в нижней зоне горна установлена возможность восстановления SiO2 и SiO элементарным кремнием, полученным ранее.
В процессе противотока при подъеме к верху технологических газов и их охлаждением протекает реакция диспропорционирования монооксида кремния.
2Si0 = Si + Si02. (2)
Продукты данной реакции, протекающей в газовой среде, крайне дисперсны и могут легко выноситься из горна печи технологическими газами.
Расход углерода на восстановление кремнезема определяется стехиометрией реакции восстановления (1). Если учесть молекулярные массы приходной и расходной частей реакции и рассчитать расходные коэффициенты, то мы можем определить расход углерода:
|
Приход
|
Расход
|
||||
|
|
кг
|
%
|
|
кг
|
%
|
|
Si02 С
|
100 40
|
71.4 28.6
|
Si CO
|
46.7 93.3
|
33.3 66.7
|
|
|
140
|
100
|
|
140
|
100
|
Структура расходных коэффициентов, приведенных выше показывает, что главным продуктом плавки по массе 67 % является СО - реакционный газ и только 33 % по массе - кремний. В связи с этим необходимо учитывать, что большое количество раскаленного до 2000 oC и более реакционного газа будет постоянно проходить через слой шихты в верхней части горна. Таким образом, создаются условия выдувания не только дисперсных продуктов и полупродуктов, но и мелких фракций восстановителя и даже кварцита.
Технология восстановления кремния привязана к устройству горна печи. Это определяется необходимостью создания очага с высокой температурой, а, следовательно, очага с высокой концентрацией энергии. Таковым является очаг тепловыделения с мощной вольтовой дугой, которая горит между концом угольного электрода и подом печи.
Рассмотрим строение горна печи и его специфические особенности, которые определяют своеобразие плавильного механизма и связь с процессом восстановления шихты.