Электроразрядный метод измельчения металлургического кремния Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ МЕТОД ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

А.Р. Ризун, Т.Д. Денисюк, В.Ю. Кононов, А.Н. Рачков

Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина, dpcd@iipt.com.ua

Предложен новый способ селективной электроразрядной дезинтеграции металлургического кремния, обеспечивающий его измельчение на фракции, необходимые для производства чистого кремния.

УДК 537.525:622.73+669.78

ВВЕДЕНИЕ

В качестве альтернативного источника энергии в большинстве высокоразвитых стран мира значительное место отводится развитию солнечной энергетики. Наиболее перспективным видом преобразования солнечной энергии в электрическую являются фотоэлектрические элементы на основе кремния. Главным препятствием на пути их широкого внедрения в настоящее время является высокая стоимость кремния [1].

Процесс производства кремния включает в себя несколько стадий дезинтеграции: разрушение и дробление кремнеземов природного происхождения; дробление и измельчение металлургического кремния; дробление поликристаллического кремния. По существующим технологиям дробление и измельчение осуществляют в валковых, стержневых и шаровых мельницах, для которых характерно неуправляемое измельчение, при котором значительное количество материала переизмельчается, загрязняется аппаратным металлом и становится непригодным для использования в дальнейших технологических процессах получения кремния высокой чистоты.

Результаты ранее проведенных в ИИПТ исследований по разрушению, дроблению и измельчению природного и искусственного минерального сырья показали, что высоковольтные импульсные электроразрядные технологии дезинтеграции имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными механическими технологиями [2, 3].

Объект исследования - металлургический кремний, имеющий высокую прочность, по шкале классификации пород относящийся ко второй группе - очень прочные породы с максимальным пределом прочности на сжатие от 100 до 150 МПа, со сложной анизотропной структурой за счет неоднородности строения.

Цель работы - определение возможности использования высоковольтных импульсных электроразрядов для измельчения металлургического кремния.

Для достижения цели решены следующие задачи:

- определены параметры электроразрядного нагружения, позволяющие получить тонкую дезинтеграцию металлургического кремния;

- определена оптимальная конструкция дезинтегратора для реализации процесса электроразрядного измельчения металлургического кремния;

- исследованы фракционный состав дезинтегрированного металлургического кремния и его пригодность для производства чистого кремния.

Для определения эффективных параметров электроразрядов, необходимых для дезинтеграции металлургического кремния, в каждом конкретном случае определялись его прочностные характеристики. Поскольку металлургический кремний имеет сложную анизотропную структуру, предел прочности на сжатие определен экспериментально при динамическом нагружении образцов металлургического кремния на стационарном стенде с помощью метода разрезного стержня Гопкинсона-Кольского по методике, изложенной в работе [4]. Согласно измерениям, предел прочности на сжатие (осж) исследуемого металлургического кремния составил 142 МПа, предел прочности на растяжение (Ораст) - 8,5 МПа.

Материал, обрабатываемый электроразрядами с целью дезинтеграции, сконцентрированный в поле давлений, достаточных для его разрушения, испытывает следующие деформирующие нагрузки:

- раздавливание при превышении напряжениями предела прочности на сжатие;

- раскалывание, наступающее в результате расклинивания трещин давлением жидкости, доводящим их до критического состояния;

© Ризун А.Р., Денисюк Т.Д., Кононов В.Ю., Рачков А.Н., Электронная обработка материалов, 2012, 48(4), 108-111.

108

- разрыв при превышении напряжениями предела прочности на растяжение создается в основном отраженной волной;

- излом в результате изгиба;

- истирание, возникающее в результате сдвига и среза.

Экспериментально определены необходимые условия для эффективного электроразрядного дробления и измельчения металлургического кремния, а именно:

- величина давления волны сжатия в пределах объема дезинтегратора не должна быть выше прочности стенок дезинтегратора;

- в свою очередь предел прочности материала на растяжение ораст не должен превышать давление волн сжатия, то есть:

Р

> о

в.сж. раст.

(1)

или

Р

= ко

раст. ,

(2)

где Рв.сж. - давление волны сжатия, МПА; ораст. - предел прочности на растяжение, МПА; к - безразмерный коэффициент пропорциональности, определяющий отношение давления волн сжатия к пределу прочности материала на разрыв, установлен экспериментально и равен для металлургического кремния 1,2.

Амплитуда давления в канале разряда связана с электрическими параметрами и определяется следующим выражением [5]:

Рк = 0,17 •

1

рУ 33

V L '1 рп J

(3)

где Рк - давление в канале разряда, МПа; р - плотность разрядной среды (вода + кремний в соотношении 9:1), кг/м3; U0 - напряжение на обкладках конденсатора, кВ; L - индуктивность разрядного контура, мкГн; 1рп - величина разрядного промежутка, м.

Под действием давления Рк образуется волна сжатия, фронт которой в момент распространения отдаляется от канала разряда. Амплитуда Рк снижается пропорционально квадратному корню расстояния до канала разряда, то есть давление на фронте волны сжатия можно представить следующим образом:

Р.._ = Р -J

(4)

где ат - фиксированный радиус канала разряда в момент отрыва волны сжатия не превышает 0,001 м [6]; r - расстояние от фронта волны сжатия до канала разряда, м.

Тогда:

Р. = 0,17 -

Р0 у2 ^3'

L' j

а 12

m

V r

(5)

Учитывая необходимые условия электроразрядной дезинтеграции (1), выражение (5) можно представить в следующем виде:

(

Р = 0,17 -

Р0 - U0

V L -1Pn J

ат- \ > о

раст.

(6)

Используя выражения (2), (4), (6), получим выражение:

г -2 V

Р„

0,005

PU2

L ■1 п- r j

■■ ко

раст.

(7)

Для электроразрядной дезинтеграции высокопрочных материалов использованы следующие параметры электроразряда:

r

109

- напряжение разрядного контура U0 = 50 кВ;

- индуктивность лабораторного устройства L = 6-10"6 Гн;

- величина разрядного промежутка 1рп и плотность разрядной среды р устанавливались экспериментально для достижения максимальной амплитуды давления в канале разряда.

Расчетным путем по формуле (7) определена форма волны сжатия в зависимости от расстояния до канала разряда (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость давления на фронте волны сжатия от расстояния до канала разряда

Точка В определяет максимальную величину радиуса дезинтегратора, исходя из соотношения (2). Для выполнения данного условия радиус электроразрядного дезинтегратора металлургического кремния не должен превышать 0,2 м.

С учетом этого на изготовленном дезинтеграторе проведено несколько серий опытов электроразрядного дробления и измельчения кусков металлургического кремния начальных размеров от 30 до 50 мм. Выходная фракция контролировалась размерами щелей классификатора и величиной удельных затрат энергии. Управляя процессом дезинтеграции посредством изменения величин этих двух характеристик, достигнут максимальный выход годного продукта (измельченного кремния с фракционным составом, необходимым для дальнейших операций производства чистого поли- и монокристаллического кремния, без переизмельчения) относительно объема загрузки. На рис. 2 показана зависимость фракционного состава измельченного металлургического кремния от удельных затрат энергии при использовании классификатора с размером щелей от 2 мм и ниже.

Рис. 2. Фракционный состав кремния после электроразрядной обработки в зависимости от энергии в импульсе

110

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований определена принципиальная возможность применения электроразряда как способа селективной дезинтеграции металлургического кремния на фракции, необходимые для последующих технологических операций. Определены размеры дезинтегратора, обеспечивающего при использовании щелевого классификатора и изменении удельных затрат энергии измельчение металлургического кремния на фракции, необходимые для производства чистого кремния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Райский В. Кремний для солнечных батарей. Энергетика и промышленность России.

http://www.eprussia.ru/

2. Ризун А.Р., Косенков В.М. К вопросу об определении производительности электроразрядного разрушения хрупких неметаллических материалов. Электронная обработка материалов. 2001, 37(1), 45-50.

3. Ризун А.Р., Цуркин В.Н. Электроразрядное разрушение неметаллических материалов. Электронная обработка материалов. 2002, 38(1), 83-85.

4. Kosenkov V.M. and Rizun A.R. Characterization of the Pulse Destruction of Black Coal Using the Kolsky Method. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2011, 47(2), 189-195.

5. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. Киев: Наукова думка, 1986. 208 с.

6. Жекул В.Г. Экспериментальные исследования начальных характеристик канальной стадии разряда в воде. Подводный электровзрыв: Сб. науч. тр. Киев: Наукова думка, 1985. 3-7.

Summary

Поступила 05.12.11

A new route to selective electrical discharge decomposition of metallurgical silicon is proposed that ensures its grinding to fractions required in order to make pure silicon.

111