Изобретение относится к области металлургии, а точнее к электротермическому получению кремния и его сплавов. The invention relates to the field of metallurgy, and more specifically to the electrothermal production of silicon and its alloys.
Известен способ выплавки кремния и его сплавов, который включает в себя загрузку шихты из кремнезема и восстановителей в ванну рудно-термической печи с погруженными в нее электродами, подведение переменного тока к первичным выводам источника питания, пропускание снимаемого с его вторичных выводов тока между электродами по шихте и подине, возбуждение под слоем шихты электрической дуги, проведение восстановительных реакций и выпуск продукта из печи [1]
Основная доля энергии электрической дуги передается внутренней поверхности газовой полости в виде излучения. Чем больше мощность, выделяющаяся в электрической дуге, тем больше размеры газовой полости и тем более эффективно идет процесс получения кремния.A known method of smelting silicon and its alloys, which includes loading the mixture of silica and reducing agents into the bath of the ore-thermal furnace with electrodes immersed in it, summing the alternating current to the primary terminals of the power source, passing the current removed from its secondary terminals between the electrodes along the charge and below, excitation under the charge layer of an electric arc, carrying out reduction reactions and release of the product from the furnace [1]
The main part of the energy of the electric arc is transmitted to the inner surface of the gas cavity in the form of radiation. The greater the power released in the electric arc, the larger the size of the gas cavity and the more efficiently the process of obtaining silicon.
Недостатком данного способа является то, что при переменном токе доля мощности, выделяющаяся в дуге, составляет не более 52-55% от общей мощности, подводимой к печи [2]
Это происходит из-за того, что при каждом прохождении переменного тока дуги через "нуль" газовый промежуток между электродом и стенкой газовой полости остывает и деионизируется, его сопротивление пробоя возрастает, возникновение тока в следующем полупериоде требует повышенного напряжения, что уменьшает продолжительность горения дуги. Кроме того, до 20% подводимой мощности теряется в шихте. Все это снижает количество выделившегося тепла. Вследствие этого происходит неполное восстановление кремнезема до монооксида, который являясь газообразным покидает вместе с другими газами зону реакции и значительно увеличивает запыленность отходящих газов. Степень извлечения кремния не превышает 70-75%
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение производительности печи за счет повышения степени извлечения кремния.The disadvantage of this method is that with alternating current, the fraction of power released in the arc is not more than 52-55% of the total power supplied to the furnace [2]
This is due to the fact that at each passage of the alternating arc current through the “zero”, the gas gap between the electrode and the wall of the gas cavity cools and deionizes, its breakdown resistance increases, the appearance of current in the next half-cycle requires an increased voltage, which reduces the duration of arc burning. In addition, up to 20% of the input power is lost in the charge. All this reduces the amount of heat released. As a result of this, incomplete reduction of silica to monoxide occurs, which, being gaseous, leaves the reaction zone together with other gases and significantly increases the dust content of the exhaust gases. The degree of extraction of silicon does not exceed 70-75%
The technical result of the proposed method is to increase the productivity of the furnace by increasing the degree of extraction of silicon.
Это достигается тем, что подводимый к первичным выводам источника питания переменный ток выпрямляют; от вторичного вывода источника ток одной полярности подводят к электродам, пропускают его через шихтовую смесь на подину, уменьшают электрическую мощность в шихте с соответственным увеличением мощности электрической дуги, далее ток пропускают к вторичному выводу источника питания противоположной полярности. Увеличение мощности электрической дуги ведет к повышению степени извлечения кремния, увеличению производительности печи, снижению расхода шихтовых материалов, электроэнергии и электродов. This is achieved by the fact that the alternating current supplied to the primary terminals of the power source is rectified; from the secondary output of the source, a current of one polarity is supplied to the electrodes, it is passed through the charge mixture to the bottom, the electric power in the charge is reduced with a corresponding increase in the electric arc power, then the current is passed to the secondary output of the opposite polarity power source. An increase in the power of the electric arc leads to an increase in the degree of extraction of silicon, an increase in the productivity of the furnace, and a decrease in the consumption of charge materials, electricity, and electrodes.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. На крупнолабораторной печи мощностью 150 кВт, которая имела возможность переключать источники питания на переменный и выпрямленный ток, проводились испытания по выплавке кремния по прототипу и предлагаемому способу при различных сопоставимых эклектических режимах. В качестве шихты использовались кварцит и древесный уголь. Определялись мощность, выделяемая в дуге, производительность печи и степень извлечения кремния. Количественные показатели и их сравнение приведены в таблице. The claimed method is as follows. On a large-scale furnace with a capacity of 150 kW, which had the ability to switch power sources to alternating and rectified currents, silicon smelting tests were carried out according to the prototype and the proposed method under various comparable eclectic modes. Quartzite and charcoal were used as a charge. The power released in the arc, the furnace productivity, and the degree of silicon extraction were determined. Quantitative indicators and their comparison are given in the table.
Полученные результаты показали, что при использовании для источника питания выпрямленного тока за счет увеличения мощности, выделяемой в дуге до 88-92% поднялась производительность печи на 13,5-14% и степень извлечения кремния до 88% что практически недостижимо при способе выплавки кремния по прототипу. The results showed that when using a rectified current for the power source due to an increase in the power allocated in the arc to 88-92%, the furnace productivity increased by 13.5-14% and the degree of silicon extraction to 88%, which is practically unattainable with the silicon smelting method prototype.
Экономический эффект от внедрения данного способа выплавки кремния на печи условной производительностью 10000 тонн в год составляет 25 млн. рублей. The economic effect of the introduction of this method of smelting silicon on a furnace with a nominal capacity of 10,000 tons per year is 25 million rubles.