Построение физико-химической модели получения кремния

Построение физико-химической модели получения кремния

Введение

Кремний - один из самых распространенных в природе элементов. Содержание его в земной коре 27,6 %; атомная масса 28,09. Основные физические свойства: плотность при 20°С 2,33 г/см3; температура плавления 1440 °С; температура кипения 2630°С. По химическим свойствам кремний -металлоид; по электрическим свойствам он относится к полупроводникам, но при 1000 °С становится хорошим проводником тока. Весь кремний в природе находится в виде химических соединений. С кислородом он образует устойчивое химическое соединение оксид кремния SiO- кремнезем. Температура плавления кремнезема 1713°С, плотность 2,65 г/см3. Содержание кремнезема и его соединений в земной коре составляет 58,2 %. Наиболее распространенными минералами в природе являются: кварц, кварцевые пески и кварциты.

Кристаллический кремний применяется в основном для производства различных сплавов, а также в химической, электротехнической промышленности и других областях техники. Кристаллический кремний получают восстановлением SiO2 углеродом в электродуговых печах.

Целью данной курсовой работы является построение физико-химической модели получения кремния в рудотермической печи с помощью программного комплекса «Селектор - W».

Теоретическая часть

Сырьё и углеродистые восстановители, применяемые при производстве кремния

Для производства кристаллического кремния электротермическим способом используют кварц и кварциты. Кварцит - это горная порода, состоящая из зерен кварца, сцементированных между собой в основном кремнеземом. К химическому составу исходного сырья для производства кремния предъявляются более высокие требования, чем к сырью для производства алюминиево-кремниевых сплавов. Это объясняется тем, что электротермическое восстановление кремния - процесс безшлаковый. Присутствующие в сырье оксиды других элементов при рудовосстановительной плавке частично восстанавливаются и переходят в кремний, загрязняя его, а главное - образуют различного состава шлаки. При образовании даже относительно небольших количеств шлаков проведение процесса крайне затрудняется, а технико-экономические показатели его резко ухудшаются. Основной источник поступления примесей в сырье-сопутствующие пустые породы, в которых залегают кварц и кварциты. Большая часть примесей находится на поверхности кусков кварца и кварцита в виде "намазок” и кальцийсодержащих корок. Для удаления таких примесей сырье перед рудовосстановительной плавкой подвергают предварительной обработке, заключающейся в измельчении его и отмывке водой глинистых "намазок”. Кварц или кварцит для плавки на технический кремний поступают в виде кусков размером 20-80 мм, которые должны обладать определенной механической прочностью. Механическая прочность зависит от содержания примесей в сырье. Таким образом, сырье для производства кристаллического кремния должно иметь определенный гранулометрический состав и содержать минимальное количество примесей. В нем должно содержаться не менее 98 % кремнезема (SiО) и не более 0,4 % , 0,6 % , 0,25 % CaO.

Для получения кремния в РТП применяемые углеродистые восстановители должны обладать следующими физико-химическими свойствами:

ü  Низкой зольностью (желательно, чтобы зола содержала максимально высокое количество шлакообразующих элементов);

ü  Высокой реакционной способностью (р.с.);

ü  Слабой склонностью к образованию упорядоченной графитной структуры, влияющей на условия проведения восстановительного процесса в печах;

ü  Оптимальным гранулометрическим составом;

ü  Высоким удельным электрическим сопротивлением (УЭС), обеспечивающем работу печи на более высоком рабочем положении (следовательно, и при стабильных электрических характеристиках); высокое УЭС обеспечивает более глубокую посадку электродов, уменьшение выноса печными газами промежуточного продукта - газообразного низшего оксида кремния - за пределы рабочего пространства электропечи и улучшение тепловой энергии;

ü  Хорошей термостойкостью, проявляющейся в устойчивости к истиранию и раздавливанию в условиях высоких температур колошника печи;

ü  Достаточной механической прочностью (по возможности максимально исключающей образование мелких фракций УВ);

ü  Низкой плотностью, обеспечивающей наилучшее разрыхление колошникового слоя шихты;

ü  Постоянством химического состава;

ü  Достаточно хорошей газопроницаемостью, способствующей равномерному выделению газов на колошнике печи;

ü  Приемлемой стоимостью.

Результаты исследований и заводские испытания свидетельствуют о том, что при выплавке кремния в электропечах ход технологического процесса существенно различается при использовании разных УВ (табл 1.). Влажность (Wp), содержание летучих веществ (Vг), состав и количество золы (Ас) - данные характеристики являются показателями технического анализа - необходимы как средство контроля за постоянством качества сырья и получаемой продукции. Наиболее важными характеристиками являются р.с. и УЭС углеродистого материала для протекания процесса восстановления, а количество золы - на качество получаемого кремния. Последняя характеристика УВ особенно важна в аспекте повышения требований к химическому составу конечного продукта, с точки зрения возможного использования высокочистого рафинированного металлургического кремния как базового материала для выращивания моно-, мультикристаллов кремния для солнечных модулей.

Количество минеральных примесей в термически подготовленных восстановителях обусловлено их содержанием в исходном сырье, используемом для коксования.

Минеральные вещества сплавлены с веществом кокса, поэтому их удаление механическим путем крайне затруднительно. Вместе с тем полукокс, полученный коксованием крупнокускового угля, может быть разделен по классам зольности. При этом в ряде случаев это достигается легче, чем на стадии термически необработанного угля, что объясняется резким увеличением различия в плотности низко- и высокозольных составляющих угля до и после его термической обработки.

Таблица 1

Характеристика углеродистых восстановителей

УВ	Технический анализ, %				Содержание примесей в золе, %			Р.с. по СО2 мл/гс	УЭ С, Ом см
	Wp	Vг	Ac	C	Fe	Al	Ca

Древесный уголь 6-9          20           3,5          76,5        1,9          7,4          22-35,7  0,3-11,1 2,1

106

Нефтяной кокс     3-13       3-6,5      0,16-0,7 92,8        8,4          7-10,6    1,7          0,36-0,42              1

103

Древесная щепа   40           81,5        0,2-1,7   18           0,03        1,5          24,7        11,9        1,2

106
Каменный уголь	10	29	5,5	65,5	5,4	14,8	2,6	4,08-5,5	3-5

Лигнин    15           19,3-70  3             28           5,5          8,6          11,1        10,05     2,1

103
Графит	2	0,9	1,1	98	0,05	0,05	0,05	0,22	5,1

Торфяной кокс     4             12,5        5,7-10,7 80-85     2,7          11,2        4,3          9,03        1

104
Пековый кокс	3,8	0,65-2	0,4-1,5	90-98	12,6	9,5	4,8	0,4	0,03-3,12

Полукокс               11-23     6-10       3-5,3      87           5,5          5,9          0,7          7,1          5-2

103
Ангарский полукокс	17	1,92	22,5	89,7	2,66	3663	1,01

Минеральные примеси в большинстве углеродистых материалов распределены в различных классах крупности неравномерно. Повышенное содержание золы в мелких классах крупности неравномерно. Повышенное содержание золы в мелких классах крупности коксов связано с пониженной механической прочностью более зольных микрокомпонентов угля. Ниже представлены данные о распределении золы, например в кусках ангарского полукокса различной крупности:

Класс крупности, мм

-40

-25

Зольность, %

,9

,6

,3

Содержание золы в УВ должно быть минимальным. Ограничения по содержанию примесей в УВ могут вводиться, исходя из условия лимитирования их содержания в товарных марках металлургического кремния.

К основным примесным элементам углеродистых восстановителей относятся: кремний, алюминий, кальций, магний, железо, фосфор, сера и др. Для некоторых восстановителей характерно повышенное содержание в золе оксидов калия и натрия. Если в кузнецовском коксе и ангарском полукоксе их содержится от 1,5 до 2,5%, то в торфобрикетах и древесном угле - до 19%.

Сера содержится в коксах и углях в основном в виде сульфидов и органической. В небольших количествах в коксе имеется нефтяной кокс, в некоторых сортах которого содержание серы превышает 5%. В восстановителях для выплавки кремния содержание серы не лимитируется, так как последняя в процессе электроплавки практически полностью удаляется в виде летучих кремнистых соединений.

Фосфор в восстановителях находится в виде неорганических соединений и является вредной и трудноудаляемой примесью. Поэтому желательно использовать малофосфористые восстановители.

Опыт промышленного производства кристаллического кремния показывает, что этими качествами обладают древесный уголь, нефтяной кокс, некоторые сорта малозольного каменною угля и древесная щепа. Однако нужно отметить, что полностью всем предъявляемым требованиям к восстановителю не удовлетворяет ни один из названных материалов. Только использование их в различных комбинациях позволяет создать наиболее благоприятные условия для протекания процесса восстановления кремния.

Древесный уголь получается в результате термического разложения (пиролиза) древесины без доступа кислорода при 350-450°С. Качество древесного угля зависит от пород древесины, из которых он изготовлен. Для производства кремния лучшими являются угли, полученные из твердолиственных пород деревьев, таких, как например, береза, дуб, бук, граб. Древесный уголь обладает высокой реакционной способностью. Поры древесного угля увеличивают поверхность контакта кремнезема с восстановителем, что способствует ускорению процесса восстановления. Насыпная масса древесного угля 0,22-0,24 т/ , пористость 79-83 %. Содержание золы составляет 0,5-3,5 % и зависит как от породы деревьев, из которых получен уголь, так и (в значительной степени) от предварительной подготовки древесины к пиролизу. Известно, что основное количество золы содержится в коре древесины. Из очищенной от коры перед пиролизом древесины получается древесный уголь с наименьшим содержанием золы. Кроме того, такой уголь имеет более высокую механическую прочность. Одним из положительных свойств древесного угля как восстановителя является его низкая электропроводность (высокое электросопротивление), которая почти в 10 раз ниже, чем у кокса любых видов. Вместе с тем древесный уголь имеет самую высокую стоимость из всех восстановительных материалов.

Для снижения стоимости восстановителя и улучшения качества получаемого кристаллического кремния в промышленном производстве часть древесного угля заменяют нефтяным коксом. Но один нефтяной кокс в качестве восстановителя не может быть применен, так как он имеет слишком высокую электропроводность и обладает недостаточной реакционной способностью. Количество нефтяного кокса, которым заменяется древесный уголь в шихте, колеблется в широких пределах и может достигать 50 %. Это зависит от типа применяемой электропечи, а также от энергетических параметров ведения процесса. Из всех коксов нефтяной кокс имеет самое низкое содержание золы 0,2-0,6 %, обладает достаточно высокой пористостью (до 46 %) и более высокой реакционной способностью, чем пекоугольные коксы.

В последнее время в связи с использованием электропечей большой мощности при промышленном производстве кремния и с целью снижения затрат на производство восстановительных материалов все шире и шире используют древесную щепу в сочетании с нефтяным коксом. Щепа, выполняя функции древесного угля в составе такого восстановителя, позволяет значительно снизить затраты при производстве кремния. Древесную щепу для процесса производства кремния приготавливают на специальных разделочных машинах большой производительности путем измельчения древесины до кусков размером приблизительно 100х30 мм. Количество щепы и нефтяного кокса в шихте зависит от типа применяемых электропечей и условий технологического процесса. В настоящее время технология процесса производства кремния с применением в качестве восстановителя смеси древесной щепы и нефтяного кокса отработана в промышленном масштабе.

Расчетная часть

Таблица 2

Физико-химическая характеристика каменного угля

Aс.%	Sг.%	Cг.%	Hг.%	Nг.%	Oг.%
11.5	0.4	78.5	5.6	2.6	12.9

Таблица 3

Химический состав золы каменного угля

SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
60.435	0.365	24.65	5.68	3.69	4.365	0.45	0.365

Произведем перерасчет компонентов на золу каменного угля:

Поскольку золы в каменном угле 11.5%. значит 100% - 11.5% = 88.5%. тогда:

- 88.5

.4 - SÞS = 0.354%

- 88.5

.5 - С ÞС = 69.473%

- 88.5

.6 - Н ÞН = 4.956%

- 88.5

.6 - NÞN = 2.3%

- 88.5

.9 - О ÞО = 11.417%

Приведем состав золы к 11.5%:

- 11.5

.435 - SiO2ÞSiO2 = 6.95%

100 - 11.5

.365 - TiO2ÞTiO2 = 0.042%

- 11.5

.65 - Al2O3ÞAl2O3 = 2.835%

- 11.5

.68 - Fe2O3ÞFe2O3 = 0.653%

- 11.5

.69 - CaOÞCaO= 0.424%

- 11.5

.365 - MgOÞMgO= 0.502%

- 11.5

.45 - K2OÞK2O= 0.052%

100 - 11.5

.365 - Na2OÞNa2O= 0.042%

Всего: 11.5% (А)

Нижеприведена таблица состава каменного угля. %

Таблица 4

Состав каменного угля

S	0.354
C	69.473
H	4.956
N	2.3
O	11.417
SiO2	6.95
TiO2	0.042
Al2O3	2.835
Fe2O3	0.653
CaO	0.424
MgO	0.502
K2O	0.052
Na2O	0.042
Всего. %	100

Таблица 5

Количество молей компонентов в 1кг каменного угля

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг.	Кислород
S	32	0.354	0.111	-
C	12	69.473	57.894	-
H	1	4.956	49.560	-
N	14	2.3	1.643	-
O	16	11.417	7.136	7.136
SiO2	60	6.95	1.158	2.316
TiO2	80	0.042	0.005	0.01
Al2O3	100	2.835	0.284	0.852
Fe2O3	160	0.653	0.041	0.123
CaO	56	0.424	0.076	0.076
MgO	40	0.502	0.126	0.126
K2O	94	0.052	0.006	0.006
Na2O	62	0.042	0.007	0.007

ΣО = 7.136+2.316+0.01+0.852+0.123+0.076+0.126+0.006+0.007=10.652 моль

Тогда состав каменного угля будет записан в следующем виде:

S0.111C57.894H49.56N1.643O10.652Si1.158Ti0.005Al0.568Fe0.082Ca0.076Mg0.126K0.012Na0.014

Таблица 6

Физико-химическая характеристика нефтяного кокса

Aс.%	Sг.%	Cг.%	Hг.%	Nг.%	Oг.%
0.15	1.76	86.36	1.3	0.75	9.83

Таблица 7

Химический состав золы нефтяного кокса

SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	P2O5	B2O3
34.2826	0.475	6.365	48.254	7.625	0.0154	0.025	0.594	2.364

Произведем перерасчет компонентов на золу нефтяного кокса:

Поскольку золы в нефтяном коксе 0.15%. значит 100% - 0.15% = 99.85%. тогда:

- 99.85

.76 - SÞS = 1.757%

- 99.85

.36 - С ÞС = 86.23%

- 99.85

.3 - Н ÞН = 1.298%

- 99.85

.75 - NÞN = 0.75%

- 99.85

.83 - О ÞО = 9.815%

Приведем состав золы к 0.15%:

100 - 0.15

.2826- SiO2ÞSiO2 = 0.0514239%

- 0.15

.475 - TiO2Þ TiO2 = 0.0007125%

- 0.15

.365 - Al2O3Þ Al2O3 = 0.0095475%

- 0.15

.254 - Fe2O3Þ Fe2O3 = 0.072381%

- 0.15

.625 - CaOÞCaO= 0.0114375%

- 0.15

.0154- MgOÞMgO= 0.0000231%

- 0.15

.025 -Na2O Þ Na2O= 0.0000375%

- 0.15

.594 - P2O5Þ P2O5 = 0.000891%

- 0.15

.364 - B2O3ÞB2O3 = 0.003546%

Всего: 0.15% (A)

Ниже приведена таблица состава нефтяного кокса. %

Таблица 8

Состав нефтяного кокса

S	1.757
C	86.23
H	1.298
N	0.75
O	9.815	0.0514239
TiO2	0.0007125
Al2O3	0.0095475
Fe2O3	0.072381
CaO	0.0114375
MgO	0.0000231
Na2O	0.0000375
P2O5	0.000891
B2O3	0.003546
Всего. %	100

Таблица 9

Количество молей компонентов в 1 кг нефтяного кокса

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг.	Кислород
S	32	1.757	0.55	-
C	12	86.23	71.86	-
H	1	1.298	12.98	-
N	14	0.75	0.54	-
O	16	9.815	6.13	6.13
SiO2	60	0.0514239	0.0086	0.0172
TiO2	80	0.0007125	0.00009	0.00018
Al2O3	100	0.0095475	0.00095	0.00285
Fe2O3	160	0.072381	0.0045	0.0135
CaO	56	0.0114375	0.002	0.002
MgO	40	0.0000231	0.0000057	0.0000057
Na2O	62	0.0000375	0.000006	0.000006
P2O5	142	0.000891	0.000062	0.00031
B2O3	68	0.003546	0.00052	0.00156

ΣО=6.13+0.0172+0.0003+0.00018+0.00285+0.0135+0.002+0.0000057+0.000006+0.00156=6.17 моль

Тогда состав нефтяного кокса будет записан в следующем виде:

S0.55C71.86H12.98N0.54O6.17Si0.0086Ti0.00009Al0.001914Fe0.009Ca0.002 Mg0.0000057Na0.000012P0.000124B0.00104

Таблица 10

Физико-химическая характеристика древесного угля

Aс.%	Sг.%	Cг.%	Hг.%	Nг.%	Oг.%
3.4	0.7	81.89	3.5	0.31	13.6

Таблица 11

Химический состав золы древесного угля

SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	P2O5
3.68	0.045	0.654	5.283	84.658	5.68

Произведем перерасчет компонентов на золу древесного угля:

Поскольку золы в древесном угле 3.4%. значит 100% - 3.4% = 96.6%. тогда:

- 96.6

.7 - SÞS = 0.676%

- 96.6

.89 - С ÞС = 79.106%

- 96.6

.5 - Н ÞН = 3.381%

- 96.6

.31 - NÞN = 0.299%

- 96.6

.6 - О ÞО = 13.138%

Приведем состав золы к 3.4%:

- 3.4

.68- SiO2ÞSiO2 = 0.125%

100 - 3.4

.045 - TiO2Þ TiO2 = 0.002%

- 3.4

.654 - Al2O3Þ Al2O3 = 0.022%

- 3.4

.283 - Fe2O3ÞFe2O3 = 0.18%

- 3.4

.658- CaOÞCaO= 2.878%

- 3.4

.68 - P2O5ÞP2O5 = 0.193%

Всего: 3.4% (A)

Ниже приведена таблица состава древесного угля. %

Таблица 12

Состав древесного угля

S	0.676
C	79.106
H	3.381
N	0.299
O	13.138
SiO2	0.125
TiO2	0.002
Al2O3	0.022
Fe2O3	0.18
CaO	2.878
P2O5	0.193
Всего. %	100

Таблица 13

Количество молей компонентов в 1 кг древесного угля

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг	Кислород
S	32	0.676	0.211	-
C	12	79.106	65.922	-
H	1	3.381	33.81	-
N	14	0.299	0.214	-
O	16	13.138	8.211	8.211
SiO2	60	0.125	0.021	0.042
TiO2	80	0.002	0.00025	0.0005
Al2O3	100	0.022	0.0022	0.0066
Fe2O3	160	0.18	0.011	0.033
CaO	56	2.878	0.514	0.514
P2O5	142	0.193	0.014	0.07

ΣО=8.211+0.042+0.0005+0.0066+0.033+0.514+0.07=8.87 моль

Тогда состав древесного угля будет записан в следующем виде:

S0.211C65.922H33.81N0.214O8.87Si0.021Ti0.00025Al0.0044Fe0.022Ca0.514 P0.028

Таблица 14

Физико-химическая характеристика древесной щепы

Ас.%	Cг.%	Hг.%	Nг.%	Oг.%
0.5	49.65	6.23	0.92	43.2

Таблица 15

Химический состав золы древесной щепы

SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	P2O5
25.195	0.254	5.65	3.84	64.515	0.546

Произведем перерасчет компонентов на золу древесной щепы:

Поскольку золы в древесной щепе 0.5%. значит 100% - 0.5% = 99.5%. тогда:

- 99.5

.65 - С ÞС = 49.40175%

- 99.5

.23 - Н ÞН = 6.19885%

- 99.5

.92 - NÞN = 0.9154%

- 99.5

.2 - О ÞО = 42.984%

Приведем состав золы к 0.5%:

100 - 0.5

.195 - SiO2Þ SiO2 = 0.125975%

- 0.5

.254 - TiO2Þ TiO2 = 0.00127%

- 0.5

.65 - Al2O3Þ Al2O3 = 0.02825%

- 0.5

.84 - Fe2O3ÞFe2O3 = 0.0192%

- 0.5

.515 - CaOÞCaO= 0.322575%

- 0.5

.546 - P2O5ÞP2O5 = 0.00273%

Всего: 0.5% (A)

Ниже приведена таблица состава древесной щепы. %

Таблица 16

Состав древесной щепы

C	49.40175
H	6.19885
N	0.9154
O	42.984
SiO2	0.125975
TiO2	0.00127
Al2O3	0.02825
Fe2O3	0.0192
CaO	0.322575
P2O5	0.00273
Всего. %	100

Таблица 17

Количество молей компонентов в 1 кг древесной щепы

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг	Кислород
C	12	49.40175	41.17	-
H	1	6.19885	61.9885	-
N	14	0.9154	0.65	-
O	16	42.984	26.865	26.865
SiO2	60	0.125975	0.042
TiO2	80	0.00127	0.00016	0.00032
Al2O3	100	0.02825	0.003	0.009
Fe2O3	160	0.0192	0.0012	0.0036
CaO	56	0.322575	0.058	0.058
P2O5	142	0.00273	0.00019	0.00095

ΣО= 26.865+0.042+0.00032+0.0009+0.0036+0.058+0.00095= 26.97 моль

Тогда состав древесной щепы будет записан в следующем виде:

C16.169H44.775N0.227O26.98Si0.021Ti0.00016Al0.006Fe0.0024Ca0.058 P0.00038

Таблица 18

Состав кварцита

Компоненты	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	TiO2	MgO
% вес	98.0398	0.684	0.658	0.547	0.0054	0.0658

Таблица 19

Количество молей компонентов в 1 кг кварцита

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг	Кислород
SiO2	60	98.0398	16.34	32.68
Fe2O3	160	0.684	0.043	0.129
Al2O3	100	0.658	0.066	0.198
CaO	56	0.547	0.098	0.098
TiO2	80	0.0054	0.0007	0.0014
MgO	40	0.0658	0.016	0.016

ΣО= 32.68+0.129+0.198+0.098+0.0014+0.016 = 33.12 моль

Тогда состав кварцита будет записан в следующем виде:

O33.12Si16.34Fe0.086Al0.132Ca0.098Ti0.0007Mg0.016

Таблица 20

Химический состав исходных материалов

Сухая масса	Материалы
	Кварцит	Нефтекокс	Древесный уголь	Каменный уголь	Древесная щепа
A.%	-	0.15	3.4	11.5	0.5
S	-	0.55	0.211	0.111	-
C	-	71.86	65.922	57.894	41.17
H	-	12.98	33.81	49.56	61.9885
N	-	0.54	0.214	1.643	0.65
O	-	6.17	8.87	10.652	26.97
Si	16.34	0.0086	0.021	1.158	0.021
Ti	-	0.00009	0.00025	0.005	0.00016
Al	0.132	0.0019	0.0044	0.568	0.006
Fe	0.086	0.009	0.022	0.082	0.0024
Ca	0.098	0.002	0.514	0.076	0.058
Mg	0.016	0.0000057	-	0.126	-
K	-	-	-	0.012	-
Na	-	0.000012	-	0.014	-
P	-	0.000124	0.028	-	-
B	-	0.00104	-	-
Влага. %	-	5,7	9	5,8	60

Состав каменного угля:

S0.111C57.894H49.56N1.643O10.652Si1.158Ti0.005Al0.568Fe0.082Ca0.076Mg0.126K0.012Na0.014

Состав нефтяного кокса:.55C71.86H12.98N0.54O6.17Si0.0086Ti0.00009Al0.001914Fe0.009Ca0.002 Mg0.0000057Na0.000012P0.000124B0.00104

Состав древесного угля:.211C65.922H33.81N0.214O8.87Si0.021Ti0.00025Al0.0044Fe0.022Ca0.514 P0.028

Состав древесной щепы:.169H44.775N0.227O26.98Si0.021Ti0.00016Al0.006Fe0.0024Ca0.058 P0.00038

Состав кварцита:.12Si16.34 Fe0.086Al0.132Ca0.098Ti0.0007Mg0.016

По заводским данным на получение 1 т рафинированного кремния в среднем расходуется:

Кварцита - 2974 кг;

Древесного угля - 614 кг;

Нефтяного кокса - 378 кг;

Древесной щепы - 1172 кг;

Каменного угля - 773 кг.

Тогда с учетом расходных коэффициентов на 1 тонну кварцита необходимо загрузить в печь:

- 1000

Þ 206.46 кг древесного угля;

- др.уголь

- 1000

Þ 127.1 кг нефтяного кокса;

- нефтекокс

- 1000

Þ 394.08 кг древесной щепы;

- щепа

- 1000

Þ 259.92 кг каменного угля;

- кам.уголь

Таблица 21

Количество молей компонентов в 1 кг древесного угля

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг	Кислород
S	32	1.396	0.44	-
C	12	163.322	136.1	-
H	1	6.98	69.8	-
N	14	0.617	0.44	-
O	16	27.125	16.95	16.95
SiO2	60	0.258	0.043	0.086
TiO2	80	0.004	0.0005	0.001
Al2O3	100	0.045	0.0045	0.0135
Fe2O3	160	0.372	0.023	0.069
CaO	56	5.942	1.061	1.061
P2O5	142	0.398	0.028	0.14
Всего:	-	206.46	-	18.308

Состав древесного угля:

S0.44C136.1H69.8N0.44O18.308Si0.043Ti0.0005Al0.009Fe0.046Ca1.061P0.056

Таблица 22

Количество молей компонентов в 1 кг нефтяного кокса

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг.	Кислород
S	32	2.233	0.7	-
C	12	109.598	91.33	-
H	1	1.6498	16.5	-
N	14	0.953	0.68	-
O	16	12.474865	7.8	7.8
SiO2	60	0.06536	0.011	0.022
TiO2	80	0.000905	0.0001	0.0002
Al2O3	100	0.012135	0.00121	0.00363
Fe2O3	160	0.091996	0.00575	0.01725
CaO	56	0.014537	0.003	0.003
MgO	40	0.0000293	0.000007
Na2O	62	0.0000476	0.0000076	0.0000076
P2O5	142	0.0011325	0.00008	0.0004
B2O3	68	0.004507	0.00066	0.00198

Состав нефтяного кокса:

S0.7C91.33H16.5N0.68O7.85Si0.011Ti0.0001Al0.00242Fe0.0115Ca0.003 Mg0.000007Na0.0000152P0.00016B0.00132

Таблица 23

Количество молей компонентов в 1 кг древесной щепы

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг	Кислород
C	12	194,682	162,23	-
H	1	24,428	244,28	-
N	14	3,607	2,576	-
O	16	169,3913472	105,87	105,87
SiO2	60	0.5	0.083	0.166
TiO2	80	0.005	0.0006	0.012
Al2O3	100	0.1	0.01	0.03
Fe2O3	160	0.08	0.005	0.015
CaO	56	1.27	0.227	0.227
P2O5	142	0.01	0.0007	0.0035
Всего:	-	394,08	-	106,32

Состав древесной щепы:

C162.23H244.28N2.576O106.32Si0.083Ti0.0006Al0.026Fe0.01Ca0.227P0.0007

Таблица 24

Количество молей компонентов в 1кг каменного угля

Компоненты	мол.вес	Вес. %	Число молей в 1 кг.	Кислород
S	32	0.92	0.29	-
C	12	180.57	150.48	-
H	1	12.88	128.8	-
N	14	5.98	4.27	-
O	16	29.68	18.55	18.55
SiO2	60	18.1	3.016	6.032
TiO2	80	0.11	0.014	0.028
Al2O3	100	7.37	0.737	2.211
Fe2O3	160	1.7	0.106	0.318
CaO	56	1.1	0.2	0.2
MgO	40	1.3	0.325	0.325
K2O	94	0.14	0.015	0.015
Na2O	62	0.11	0.018	0.018
Всего:	-	259.92	-	27.702

Каменный уголь:

S.29C150.48H128.8N4.27O27.702Si3.016Ti.014Al1.474Fe.212Ca.2 Mg.325K.03Na.036

Древесныйуголь:.44C136.1H69.8N.44O18.308Si.043Ti.0005Al.009Fe.046Ca1.061P.056

Нефтянойкокс:.7C91.33H16.5N.68O7.85Si.011Ti.0001Al.00242Fe.0115Ca.003 Mg.000007Na.0000152P.00016B.00132

Древеснаящепа:.23H244.28N2.576O106.32Si.083Ti.0006Al.026Fe.01Ca.227P.0007

Каменныйуголь:.29C150.48H128.8N4.27O27.702Si3.016Ti0.014Al1.474Fe0.212Ca0.2 Mg0.325K0.03Na0.036

Кварцит:.2Si163.4 Fe.86Al1.32Ca.98Ti.007Mg.16

Результаты моделирования

Температуры резервуаров:

1)      400°C

)        1530 °C

)        2200 °C

)        2000°C

Химический состав кремниевого расплава, полученного в результате моделирования

Компоненты расплава	Содержание, %
Si	97,482
FeSi	2,052
TiC	0,057
P	0,047
Mg2Si	0,023
Na2O	0,018
FeS	0,011
Fe	0,002
TiS2	0,001
Ti	0,002

Расчет извлечения кремния:

 = Количество Si(1 резервуар) + Количество Si(2 резервуар) + Количество Si(3 резервуар) + Количество Si(4 резервуар) =11788 +633+788+5837=19046

Ɛ = [Количество Si(4 резервуар)/ ) ∙ 100%= (5837/19046) ∙ 100% = 30,6 %

Динамика поступления и распределения кремния по резервуарам (в модели) в зависимости от продолжительности процесса восстановления

Заключение

Выполнив данную курсовую работу, мы узнали, какое сырьё и углеродистые восстановители применяются при производстве кремния. Таким сырьем является: нефтяной кокс, древесный и каменный уголь, кварцит и древесная щепа. Вместе с тем был произведен расчет извлечения кремния, которое составило30,6%.

Получили графическую зависимость, отражающую динамику поступления и распределения кремния по резервуарам в зависимости от продолжительности процесса восстановления.

В результате выполненной курсовой работы мы получили навыки моделирования процесса получения кремния с помощью программного комплекса «Селектор - W».

кремний производство моделирование

Список использованной литературы

1.Катков О.М. Технология выплавки технического кремния. Учебное пособие. - Иркутск, 1999. - 244 с.

. Немчинова Н.В., Бельский С.С. Производство тугоплавких металлов и кремния и проектирование цехов. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007.

. Теория металлургических процессов: учебник для вузов / Г.Г. Минеев [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - 522 с.

. Бычинский В.А., Исаев В.П., Тупицын А.А. Физико-химическое моделирование в нефтегазовой геохимии. Ч.1. Теория и методология физико-химического моделирования: Учеб.пособие. - Иркутск: Иркут.ун-т, 2004. - 131 с