Углеродистый восстановитель для выплавки химически чистого кремния - высокореакционный нефтяной кокс

Кукс И.В.1., Горохов А.П 2., Спешилов Е.Г. 3

1 ОАО « Ангарская нефтехимическая компания »  НК Роснефть

2 Студент 5 курса кафедры химической технологии         Национального Исследовательского Иркутского государственного технического университета.

3 Студент 4 курса кафедры химической технологии Национального Исследовательского Иркутского государственного технического университета.

Правильный выбор и подготовка углеродистого восстановителя во многом определяют технико-экономические показатели производства кремния.

Производство кремния химической чистоты осуществляется методом карботермического восстановления кремния из кремнезема.

                          SiO2 + 2 C            Si + 2 CO        (1817Сº)

В качестве восстановителей используют древесный и каменные угли, а также рядовой электродный нефтяной кокс. Существенным недостатком последнего является его низкая реакционная способность.

Цель заменить более дорогой восстановитель древесный уголь,  на новый высокореакционный нефтяной кокс.

Один из компонентов восстановительной смеси, применяемой для выплавки кремния, — нефтяной кокс, обладающий высоким содержанием твердого углерода, достаточной механической прочностью, низким содержанием золы и летучих веществ.

Основным недостатком нефтяного кокса является низкая удельная поверхность (2-4 м2/г), слабая ре­акционная способность и склонность к графитизации при высоких температурах. Поэтому большой интерес представляют исследования, направленные на улучшение металлургической ценности нефтя­ного кокса, повышение его удельной поверхности и реакционной способности, снижение механичес­кой прочности.

В табл. 1 приведены состав и свойства различных видов углеродистых восстановителей.

Таблица 1

Состав и свойства различных видов углеродистых восстановителей

Восстановители

Влага, %

Зола, %

Поры, %

Удельное электросопротивление, Ом*см

Реакционная способность, Мл/г*с

Механическая прочность, Мпа

Древесный уголь

6,0

1,2

19,0

106

9,8

17,0

Нефтяной кокс

3,1

0,16

3,6

103

0,42

20,4

Высокореакционный нефтяной кокс

5,6

0,18

8,2

103

1,06

26,8

           Для оценки влияния углеродистых восстанови­телей на работу рудотермической печи необходимо знать удельное электросопротивление (УЭС) при температурах 400-1800°С. Для определения УЭС ис­пользовали методику расчета института металлур­гии Уральского отделения РАН РФ, позволяющую измерять удельное сопротивление в указанном диа­пазоне температур [1].

 

На рис. 1 представлена зависимость удельного сопротивления исследуемых материалов от темпе­ратуры.

     lgR, Ом· мм²/м

                                                      Температура, ºС

Рис.1. Зависимость удельного сопротивления углеродных материалов от температуры:

1-древесный уголь; 2- нефтяной кокс; 3- высокореакционный нефтяной кокс.

Для древесного угля характерно высокое удель­ное электросопротивление, которое при температу­рах до 400°С превышает 106 Ом • см, а затем в интер­вале температур 400-800°С резко снижается до 2,0- 6,0 Ом • см, что объясняется снижением содержания летучих веществ. При температурах 800-1400°С и выше наблюдается равномерное уменьшение электросопротивления, связанное с перестройкой кристаллической решетки углерода и слабографитированной развитой пористой структурой древесного угля. В отличие от древесного угля нефтяной кокс и высокореакционный нефтяной кокс имеют плавное снижение УЭС, что благоприятно влияет на стабиль­ность работы печи. Наибольшим электросопротивле­нием обладает высокореакционный нефтяной кокс; даже при температурах 1000-1600°С его удельное электросопротивление составляет 180-260 Ом*см (для сравнения у нефтяного кокса 130-200 Ом • см), что объясняется различной степенью графитируемости рассматриваемых восстановителей.

Одно из основных требований к углеродистым восстановителям — высокая пористость, способ­ствующая хорошей газопроницаемости и равномер­ному сходу шихты при сохранении сорбционных и фильтрующих свойств [2].

Проведенные исследова­ния показали, что высокореакционный нефтяной кокс может быть рекомендован для промышленного использования в рудовосстановительных печах как компонент восстановительной смеси для выплавки химически чистого кремния.

Этот кокс обладает преимуществами над всеми применяющимися до сих пор восстановителями по следующим физико-химическим параметрам:

•                     низкому содержанию золы (до 0,08%) и ее благоприятному химическому составу;

•                     высокой реакционной способности по отноше­нию к газообразному оксиду кремния;

•                   слабой склонности к образованию упорядочен­ной графитированной структуры;

•                   достаточной механической прочности, макси­мально исключающей содержание мелких фракций (0-3 мм);

•                   низкой плотности, обеспечивающей наилуч­шее разрыхление колошникового слоя шихты;

•                   хорошей термостойкости, проявляющейся в устойчивости к раздавливанию и истиранию в ус­ловиях высоких температур колошника печи;

•                   постоянству химического состава;

•                   хорошей газопроницаемости, способствую­щей равномерному выделению газов на колошни­ке печи;

•                   полученному химически чистому кремнию, соответствующему марке Кр ООО.

Работа проводилась на действующей установке УЗК 21/10-ЗМ Ангарского нефтеперерабатываю­щего завода с использованием следующего смесевого сырья: гудронов различного про­исхождения, крекинг - остатков и модифи­цированной тяжелой смолы пиролиза (кок­суемость до 24%) [3]. Кроме того, были при­менены некоторые технические решения с целью повышения удельной поверхности нефтяного кокса.

Список литературы

1.      Зелъберг Б.И., Черных А.Е., Ёлшин К.С. Шихта для электротермического производства кремния: монография. — Челябинск: Металл, 1994. -320 с.

2.      Кукс И.В. Исследование физико-химических свойств углеродистых восстановителей для вы­плавки кремния. — Иркутск: Вестник ИрГТУ, 2006. — № 4 (28), Т. 2. — 260 с.

3.     Пат. 2173486 РФ, 2003 (Авторы: Кузора И.Е., Дошлов О.И. и др.)