RU2107108C1

RU2107108C1 - Method of production of technical silicon in three-phase ore-reducing electric furnaces

Info

Publication number: RU2107108C1
Application number: RU96120279A
Authority: RU
Inventors: Ю.И. Брусаков; А.М. Варюшенков; А.М. Салтыков; В.В. Жабо; В.П. Еремин; Е.Н. Щапов; А.В. Золотайко
Original assignee: Акционерное общество открытого типа Иркутский алюминиевый завод "Ирказ"
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-03-20

Abstract

FIELD: metallurgy, in particular, electrothermal production of technical silicon. SUBSTANCE: method includes continuous loading of charge into electric furnace and maintenance of charge layer height above bottom in furnace bath depending on useful phase voltage across electrodes and current density in furnace bath. EFFECT: reduced power consumption and higher recovery of silicon from raw materials. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, конкретно к электротермическому производству технического кремния, и касается способа его производства в трехфазных рудовосстановительных электропечах с погруженной дугой. The invention relates to metallurgy, specifically to the electrothermal production of technical silicon, and relates to a method for its production in three-phase ore-reducing electric furnaces with a submerged arc.

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).The total process of carbon thermal reduction of silicon is described by the reaction
SiO ₂ + 2C → Si + 2CO,
proceeding in several stages with the intermediate formation of silicon carbide (SiC) and with gaseous silicon monoxide (SiO ₂ ).

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. The bath of electric furnaces in the production of silicon can be conditionally divided into two zones - the external, the height of the loaded charge in the bath of the furnaces, and the internal, in direct contact with the areas of action (combustion) of the electric arcs on the electrodes.

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.The processes of the formation of silicon and SiO monoxide occur mainly in the inner zone of the furnace bath, characterized by an increased concentration of electricity. At the same time, the silicon obtained is continuously, or periodically, removed from the furnaces for subsequent cutting into a salable condition, and SiO monoxide is sublimated and trapped in the outer zone of the furnace bath by charge carbon due to the reaction of silicon carbide formation
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.In accordance with the given process model, it is especially important to reduce the loss of silicon in the form of SiO in the outer zone of the bath, along with increasing the reactivity of carbon reducing agents in the composition of the consumed charge to maintain the required layer height of the loaded charge in the bath from the bottom level, depending on the capacity of the furnaces and useful phase voltage U _pf on the electrodes.

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.To intensify the process of silicon formation in the inner zone of furnaces, it is important to organize the proper current distribution and capacities in the bath areas characterized by arc and charge conductivity
The closest in technical essence and the achieved result is a method for the production of technical silicon in three-phase ore reduction furnaces of different capacities [1]. The known method includes the continuous loading of the charge, its melting and maintaining a given height of the layer of the charge in the bath of furnaces of different capacities.

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. However, in the production of silicon insufficiently take into account the technological features of the ongoing process. In particular, loading the charge and maintaining the specified layer height of the consumed charge in the furnace bath above the bottom level is often performed without taking into account the electric operation mode of the furnace, which reduces the degree of capture of SiO monoxide in the outer zone of the furnace bath and leads to an increase in heat loss and SiO from the exhaust furnace gases.

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. The existing methods for calculating the electric modes of furnaces, taken as the basis for controlling the electric modes of operation of furnaces, do not take into account the peculiarities of current distribution over the bath sections inherent in electric furnaces with a pronounced arc mode of operation.

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.According to the calculation method for all non-slag ore reduction processes, such as silicon production, the relationship between the useful phase voltage at the electrodes (U _pf , B) and the useful phase power P _pf , Bt) is estimated by the calculation formula (1)
U _pf = C ₁ • P _pf ) ^1/3 , B
Where
C ₁ - the constant of the equation, determined by the static data of the furnaces taken as "exemplary",
1/3 is an exponent reflecting the volumetric energy release in the bath of the furnaces.

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. The above formula contradicts the thesis that each ore reduction process in electric furnaces must have its own specific, but different for different processes, relationship between arc and slag (or charge) conductivity in the furnace bath.

Расчетная формула (1) не учитывает, кроме того, существенного влияния на электрорежимы печей кремния конструктивных размеров ванны - диаметра электродов, распада электродов и других параметров. The calculation formula (1) does not take into account, in addition, the significant influence on the electrical regimes of silicon furnaces of the structural dimensions of the bath - the diameter of the electrodes, electrode decay, and other parameters.

В зарубежной и отечественной литературе по электропечам широко применяется для оценки электрических режимов эксплуатации печей, аналитическая зависимость (2). In foreign and domestic literature on electric furnaces, analytical dependence (2) is widely used to assess the electrical modes of operation of furnaces.

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.R _in • d _e = ρ _eff • EP = K, Ohm • cm,
Where
R _in - U _pf / I - phase electrical resistance of the furnace bath, mOhm;
d _e - electrode diameter, cm;
ρ _eff - average effective electrical resistance of the mixture, Ohm • cm;
EA is a criterion for the electrical similarity of furnaces.

При соответствующем преобразовании формула (1) может быть приведена к виду
U_пф= C $\binom{3/2}{I}$ •(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.With the appropriate transformation, formula (1) can be reduced to
U _pf = C $\binom{3/2}{I}$ • (I _e ) ^0.5 , B (1 a)
in which the exponent at the current load in the electrodes (I _E , A) is 0.5, and the value of the constant (C ₁ ) ^3/2 obtained by static processing of the analyzed operating parameters of the silicon smelting furnaces is (C ₁ ) ^{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.As for the relationship U _pf = f (I _e ) according to dependence (2), the latter is estimated by the formula (2a):
U _pf = K • (I _e / d _e ) ^1.0 , B,
with an exponent at (I _e ) equal to 1.0, and with a static value of the constant "K" for silicon furnaces equal to K = 0.135 Ohm • cm.

Технической задачей изобретения является повышение извлечения кремния из сырья и снижение расхода электроэнергии при его производстве. An object of the invention is to increase the extraction of silicon from raw materials and reduce energy consumption during its production.

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.The analysis and generalization of the operating parameters of more than two dozen industrial electric furnaces during silicon smelting indicates that the working current in the electrodes (I _e ), the diameter of the electrodes ((d _e ) and the distance between the axes simultaneously influence the change in the phase electrical resistivity of the bath in electric furnaces. electrodes (S) in the bathtub of furnaces.

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.It was also established that the operating parameters of the furnaces, including the phase electrical resistivity of the bath (R _in ), significantly depend on the degree of intensification of the furnaces, estimated by the ratios of actually achieved current densities in the bath, calculated according to formula (3)

,
to the value averaged for most foreign silicon furnaces.

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 $\binom{-0,39}{B}$ •(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.i _in ≈ 1.8 A / cm ²
As for maintaining the height of the charge layer in the furnace bath, which is necessary for more complete capture of sublimates of SiO monoxide in the outer zone of the furnace bath, the value of the latter depends on the values of the useful phase voltage at the electrodes (U _pf ) and acceptable voltage gradients along the height of the bath (ΔU _n ) varying according to the calculated dependence (4):
ΔU _n = 0.2 + 0.05 (ib), V / cm,
The solution of the technical problem lies in the fact that the value of the useful phase voltage in the bath of the furnaces is maintained within the limits defined by the formula
U _pf = (0.36 ÷ 0.40) • i

\binom{-0.39}{B}

• (I _e / d _e ) ^0.87 , B,
at the same time, the height of the layer of the loaded charge in the bath of furnaces from the level of the hearth is continuously supported within the limits defined by the formula:
H _k = (1.05 ^o C1.15) • U _pf • (0.2 + 0.05 (ib)) ^-1.0 , cm,
Where
U _pf is the useful phase voltage at the electrodes, V;
I _e - current strength in the electrodes, A;
d _e - the diameter of the electrodes, cm;
i _in - current density in the bath in relation to the values of (I _e ) to the cross-sectional area of the reaction zones in the bath, determined by the actual distances between the axes of the electrodes (S) and the diameter of the electrodes (d _e ) according to the formula

H _to - the height of the layer of the charge in the bath from the level of the bottom of the furnace, see

Известно, что за последние годы накоплен большой производственный опыт по промышленной эксплуатации отечественных трехфазных печей кремния мощностью 25 МВА. It is known that in recent years a great industrial experience has been gained on the industrial operation of domestic three-phase silicon furnaces with a capacity of 25 MVA.

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).These electric furnaces are equipped with carbon electrodes with a diameter d _e = 1205 mm located in the bath along the vertices of an equilateral triangle with distances between the axes of the electrodes S = 2771 mm (with a diameter of the circle of their decay in the bath d _p = 3200 mm).

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.The development and commercial operation of the furnaces was accompanied by tests of various electric modes, as a result of which the active power of the furnaces gradually increased from ≈ 15 to ≈ 18 MW from year to year, with a corresponding increase in the current load in the electrodes from 55 ^o C 60 to ≈ 70 kA.

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.As examples of the application of the proposed method for determining the operational parameters of electric furnaces, the following table shows the calculated and actual electric modes of the electric furnaces under consideration at a current load of I _e = 60 and 68 kA, as well as the corresponding actual indicators of furnaces obtained for two to three weeks of their continuous operation at the calculated modes.

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.As follows from the data of the table, the proposed method for determining the operating parameters of furnaces depending on a given current load in the electrodes provides higher values (U _pf ) in comparison with methods for their determination, previously known on the basis of calculation formulas (1a) and (2a) / which contributes to a significant increase in the activity of the power of the furnaces, their productivity and the improvement of other indicators of the operation of the furnaces, including reducing energy consumption and increasing the extraction of silicon from raw materials.

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. The data presented in the table indicate the advantages of the proposed method for determining the operational parameters of the process of smelting silicon in three-phase electric furnaces in comparison with previously known methods. They allow you to optimize the process of silicon production, taking into account the design parameters of the furnaces and technological features of the process.

Claims

A method for the production of technical silicon in three-phase ore-reducing electric furnaces of different capacities, including continuous charge loading and maintaining a given height of the charge layer in the furnace bath, characterized in that the current density i _V and the value of the useful phase voltage across the electrodes U _p _f are determined by the corresponding expressions

U _pf = (0.36 ÷ 0.40) • i

\binom{-0.39}{in}

• (I _e / d _e ) ^0.87 , B,
where I _e is the current strength in the electrodes, A;
d _e - the diameter of the electrodes, cm;
S is the actual distance between the axes of the electrodes, cm,
and a given height of the charge layer in the furnace bath from the level of the bottom Нк is maintained within the limits determined by the ratio

0