II. Расчеты состава шихты и материального баланса

Заданные условия

Состав шихты для производства технического кремния рассчитывают, исходя из следующих заданных условий: содержания  в кварците; принимаемого избытка твердого углерода против теоретически необходимого; количества твердого углерода, вносимого угольными электродами; количества твердого углерода, вносимого каждым видом восстановителя; содержанием влаги, золы и летучих веществ в углеродистых восстановителях. Для расчета шихты большое значение имеет правильное количественное представление о распределении оксидов и восстановленных химических элементов между товарным продуктом, шлаком и газовой фазой, которое принимается на основании экспериментальных данных.

Расчет шихты на технический кремний

Исходные данные расчета представлены в таблицах: химический состав шихтовых материалов – таблица 1, распределение оксидов кварцита и золы восстановителей между готовым продуктом и шлаковой фазой – таблица 2.

Распределение оксидов между продуктами плавки, %					Таблица 2
Оксид
Восстанавливается и переходит в металл	98	100	40	50		-	100
Переходит в шлак	2	-	60	50		100	-

Примем следующее распределение восстановленных элементов, %:

Распределение восстановленых элементов, %					Таблица 3
Элемент
Переходит в сплав	96	95	85	85		100
Улетучивается	4	5	15	15		-

Количество углерода, необходимое для восстановления оксидов кварцита, рассчитывается по количеству кислорода, которое связывается в монооксид углерода при протекании восстановительных реакций (табл.4):

Для производства 1т технического кремния потребуется пропорционально реакции (исходя из стехиометрии реакции и молекулярных масс веществ):

	+			Si	+
60		24		28		56

 чистого

Углерода

Учитывая содержание  в кварците (таблицы 1) рассчитываем необходимое количество кварцита

С учетом пылевыноса кварцита необходимо

Принимаем, что восстановитель (углерод) будет подаваться в печь в составе шихты в соответствии с пропорцией, указанной в таблице 4 (столбцы материал и массовая доля углерода). Тогда мы можем рассчитыть массу материала по формуле:

Подача углерода в печь в составе восстановителей			Таблица 4
Материал	Массовая доля углерода, %	Потребуется
Нефтекокс	40
Древесный уголь	30
Каменный уголь	30
Итого:	100	1237

 

С учетом угара (окисления на колошнике 10%) потребуется восстановителей:

Подача углерода в печь c учетом угара на колошнике		Таблица 5
Материал	Потребуется
Нефтекокс
Древесный уголь
Каменный уголь
Итого восстановителей:	1375 кг

В состав шлака перейдут оксиды  (данные таблицы 1):

Переход оксидов в шлак из шихтовых компонентов					Таблица 6
Из кварцита	-			-
Из нефтекокса				-
Из древ.угля
Из кам.угля				-
Сумма:	11кг	28.95кг	9кг	0.39кг

Сумма оксидов железа в виде :

из кварцита:

из золы нефтекокса:

из золы древесного угля:

из золы каменного угля:

Итого: 15.84кг

Рассчитаем распределение компонентов из оксидов и восстановленного кремния в сплав и шлак (на основании данных таблицы 3):

Распределение в сплав и в шлак					Таблица 7
	Сплав		Шлак
	Масса оксида, металл из которого перешел в сплав	Масса металла в составе сплава, перешедшая из оксида	Масса оксида в шлаке	Доля оксида в шлаке
	-	-	0.39кг
Итого:			7.31кг	100%

 

Рассчитываем состав сплава

Состав полученного сплава			Таблица 8
Элемент	Масса, кг	Состав, %
		97%
	11кг	1.1%
	13кг	1.3%
	5.46кг	0.55%
Итого:	994.46	100%

 

ГОСТом определелены следующие марки технического кремния:

Марки технического кремния						Таблица 9
Марка кремния	Содержание кремния, % не менее	Содержание примесей, % не более
		Fe	Al	Ca
Кр00	99.0	0.4	0.3	0.3	1.0
Кр0	98.8	0.5	0.4	0.4	1.2
Кр1	98.0	0.7	0.7	0.6	2.0
Кр2	97.0	1.0	1.2	0.8	3.0
Кр3	96.0	1.5	1.5	1.0	4.0

 

Таким образом, получившийся продукт соответствует марке Кр3.

Рассчитываем кратность шлака:

Рассчитываем образование СО в реакции: ,

Рассчитываем массу «летучих» компонентов, образующихся из компонентов шихты и выносимых вместе с газами:

Из нефтекокса:

Из древесного угля:

Из каменного угля:

Итого «летучих»: 317.44кг

Рассчитываем содержание влаги в шихтовых материалах:

В кварцит: 0кг

В нефтекокс:

В древесном угле:

В каменном угле:

Итого влага: 75.56кг

Полная масса газов составляет:

Составляем материальный баланс в расчете на 1т готового сплава:

Материальный баланс					Таблица 10
Задано			Получено
Кварцит	2400кг	63.58%	Тех.кремний (сплав)	994.46кг		26.34%
Нефтекокс	448кг	11.87%	Шлак	7.31кг		0.19%
Древесный уголь	408кг	10.8%	Газы	2393кг		63.4%
Каменный уголь	519кг	13.75
			Мех. вынос			6.8%
			Потери с пылью ( )			1.27%
			Неувязка	75.23кг		2%
Итого:	3775кг	100%	Итого:	3775кг		100%

Заключение

В результате работы произведены расчеты процесса получения технического кремния, составлен материальный баланс, рассчитано, что в результате плавки c использованием шихтовых материалов заданного состава будет получен технический кремний марки Кр3.

Список литературы

Черных А.Е., Зельберг Б.И. Производство кремния, изд. «МАНЭБ», Иркутск, 2004

Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. Учебник для вузов. СП «Интермет Инжиниринг», Москва, 1999