CC BY
76
Оригинальная статья / Original article
УДК: 669.782; 669.054.8
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-7-162-171
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОКОМКОВАННОЙ ШИХТЫ
© Н.В. Немчинова1, М.С. Леонова2, А.К. Тимофеев3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Изучение процесса получения кремния в руднотермических печах (РТП) при использовании окомкованной шихты как добавки к стандартной на основе сформированной пятирезервуарной термодинамической (ТД) модели, результаты решений которой будут способствовать анализу поведения компонентов шихты при плавке с достижением оптимальных конечных показателей процесса получения кремния на производстве. Методы. За основу теоретического исследования принят метод ТД моделирования с помощью программного комплекса (ПК) «Селектор». Результаты. В сформированную модель было введено 17 элементов, поступающих с сырьем, электродами, воздухом (Si, P, B, Fe, Ca, Al, Ti, Na, Mg, O, H, C, N, K, S, F, Cr). В результате моделирования был получен расплав кремния с содержанием 94,44 моля (91,73 мас.%) целевого продукта. Компонентный состав модели представлен 146 газообразными элементами и 193 компонентами в твердой фазе, а также 58 элементами и соединениями в расплавленном состоянии. Результаты моделирования показали, что при использовании предлагаемой комбинированной шихты извлечение кремния составило 69,248%, что хорошо согласуется с практическими данными (65-67%). Заключение. Показана эффективность использования методов ТД моделирования для изучения карботермического процесса получения кремния со сложными межфазовыми превращениями и образованием многочисленных промежуточных соединений при использовании окомкованной шихты как добавки к традиционной.
Ключевые слова: кремний, руднотермическая печь, карботермический процесс, термодинамическое моделирование, окомкованная шихта, примеси.
Формат цитирования: Немчинова Н.В., Леонова М.С., Тимофеев А.К. Изучение методом термодинамического моделирования процесса получения металлургического кремния при использовании окомкованной шихты // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 7. С. 162-171. DOI: 10.21.285/18143520-2016-7-162-171
STUDY OF THE METALLURGICAL SILICON PRODUCTION PROCESS USING PELLETIZED CHARGE BY THE THERMODYNAMIC MODELING METHOD N.V. Nemchinova, M.S. Leonova, A.K. Timofeev
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. The purpose is to study the process of silicon production in ore-smelting furnaces (OSF) with the use of pelletized charge as an additive component to the standard charge on the basis of the developed five-reservoir thermodynamic (TD) model. Solution results of the latter will contribute to the analysis of the charge components behavior in smelting with the achievement of optimal final readings of the silicon production process in industry. Methods. The method of TD modeling using a software complex (PC) "Selektor" forms the basis of the theoretical study. Results. 17 elements entering with raw materials, electrodes, air (Si, P, B, Fe, Ca, Al, Ti, Na, Mg, O, H, C, N, K, S, F, Cr) have been introduced into the developed model. The simulation resulted in obtaining the silicon melt containing 94.44 moles (91.73 wt.%) of the desired product. Component composition of the model is represented by 146 gaseous elements,193 solid components and 58 molten elements and compounds. The simulation results have shown that the use of the proposed combined charge allow to extract 69.248% of silicon, which agrees well with the practical data (65-67%). Conclusion.
1
Немчинова Нина Владимировна, профессор, доктор технических наук, заведующая кафедрой металлургии цветных металлов, e-mail: ninavn@yandex.ru
Nemchinova Nina, Professor, Doctor of Engineering, Head of the Department of Non-Ferrous Metals Metallurgy, e-mail: ninavn@yandex.ru
2Леонова Мария Сергеевна, аспирант, e-mail: leonova_ms@mail.ru Leonova Maria, Postgraduate, e-mail: leonova_ms@mail.ru
3Тимофеев Андрей Константинович, магистрант, e-mail: ak.timofeev@inbox.ru Timofeev Andrei, Master's Degree Student, e-mail: ak.timofeev@inbox.ru
The TD modeling methods are shown to be efficient for the study of the carbothermic silicon production process with complex interphase transformations and formation of numerous intermediate compounds when using pelletized charge as an additive component to traditional one.
Keywords: silicon, ore-smelting furnace, carbothermic process, thermodynamic modeling, pelletized charge, impurities
For citation: Nemchinova N.V., Leonova M.S., Timofeev A.K. Study of the metallurgical silicon production process using pelletized charge by the thermodynamic modeling method. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 7, pp. 162-171 (in Russian). DOI: 10.21.285/1814-3520-2016-7-162-171
Введение
Металлургические процессы неизбежно сопровождаются образованием техногенных отходов, которые используются повторно в ограниченных объемах, основное их количество скапливается в шламо-накопителях. Так, при производстве первичного алюминия образуются отходы: пыль электрофильтров, шламы газоочистки, хвосты флотации угольной пены, отработанная угольная футеровка электролизеров, анодные огарки [1]. При производстве металлургического кремния образуются пыль циклонов и шламы мокрой газоочистки, рафинировочные шлаки, а также Pot-скрап - осколки, обрезки и другие отходы производства кристаллического кремния с остатками тиглей либо футеровки [2]. Между тем, данные продукты являются перспективным сырьем, так как в них содержатся ценные компоненты.
Большое количество образующихся техногенных отходов влечет за собой большую угрозу окружающей среде [3], поэтому возникает проблема необходимости их утилизации и, по возможности, повторного использования, например, в качестве сырьевой добавки к основной шихте. Однако данные материалы имеют мелкофракционную структуру, поэтому перед использованием в пирометаллургических процессах их необходимо окомковывать.
Нами разработана методика оком-кования шихты, состоящей из пыли газоочистки, мелкофракционного отсева кремния ЗАО «Кремний», пыли электрофильтров производства алюминия (ОАО «РУ-САЛ Братск», филиал в г. Шелехове), нефтекокса (НПЗ, г. Ангарск) и жидкого стекла в качестве связующего (ГОСТ 13078-81). Данные окомкованные композиции могут быть добавлены к стандартной
шихте при выплавке кристаллического кремния в РТП [4]. Для анализа поведения при плавке компонентов нового состава шихты в карботермическом процессе нами использовался метод ТД с помощью ПК «Селектор», что и явилось целью наших исследований. Была сформирована пяти-резервуарная модель, имитирующая процесс производства кремния c использованием окомкованной шихты по предложенной методике.
Цель и методы исследования
Целью исследования явилось изучение карботермического процесса получения кремния в РТП при использовании нового состава окомкованной шихты при помощи ПК «Селектор» на основе сформированной пятирезервуарной ТД модели, максимально приближенной к реальным производственным условиям (по температурным зонам печи, данным химического состава сырьевых компонентов, загрузочным коэффициентам шихтовых материалов, принятым значениям распределения элементов по продуктам плавки), результаты решений которой будут способствовать анализу поведения компонентов шихты при плавке с достижением оптимальных конечных показателей процесса получения кремния на реальном предприятии.
Исходным сырьем для получения Si являются кварцит, нефтекокс, каменный и древесный угли в качестве углеродистого восстановителя (УВ). Также в шихту добавляют древесную шихту как разрыхлитель. Угольные электроды РТП, служащие для подвода тепла в реакционную зону и сгорающие в процессе плавки, также вносят свой вклад в расход углерода.
Производство технического кремния - достаточно сложный физико-химический процесс, сопровождающийся протеканием
различных химических превращений и значительными потерями ценных компонентов [5]. Согласно предварительным исследованиям химического и гранулометрического состава циклонной пыли кремниевого производства данный продукт является перспективным сырьем, в том числе и для получения кремния, поскольку данный продукт до 85% представлен частицами SiO2. Шлам кремниевого производства (продукт мокрой газоочистки) содержит около 95% кремнезема. Наши исследования были направлены на разработку методики оком-кования техногенного сырья, образующегося при производстве кремния и алюминия, для их последующего использования в качестве добавки к стандартной шихте при выплавке технического кремния. Соотношение компонентов, мас.%, соответственно: пыль циклонов кремниевого производства - 27; пыль электрофильтров алюминиевого производства - 3; нефтекокс (в качестве УВ) - 53; жидкое стекло - 12; отсев кремния - 5. В основе данной методики лежит реакция образования метасиликата натрия при взаимодействии щелочи и элементного кремния с образованием пористой прочной окомкованной композиции [6]. Добавление в новый состав шихты определенного количества пыли электрофильтров алюминиевого производства усиливает свойства традиционного связующего за счет наличия в них смолистых веществ [1], обладающих высокими адгезионными свойствами.
Метод ТД моделирования является одним из оптимальных способов изучения карботермического процесса получения кремния в РТП. При помощи основных возможностей этого метода возможно представить исходные данные, а также устранить несоответствия между ними или определить свойства системы. Такими функциями обладают распространенные ПК: «Селектор», «Гиббс», «Астра», [5,7-9].
Первые ТД модели карботермического восстановления кремнезема с использованием ПК «Селектор» были разработаны сотрудниками кафедры металлургии цветных металлов Иркутского государ-
ственного технического университета под руководством профессора О.М. Каткова [10]. Процессы, происходящие в РТП, являлись объектом начальных исследований, поэтому были разработаны: методика построения диаграмм состояния тройной системы «Si-O-C»; модель процесса восстановления кремния из кремнеземсодержа-щей шихты при нагреве последней до заданной температуры; модель процесса восстановления при охлаждении и конденсации, в противотоке движения шихты и газообразных продуктов плавки.
Авторы работы [11] сформировали ТД модель на базе системы «Si-O-C» без учета потерь Si с отходящими газами и со шлаком. Автор учитывал то, что такие компоненты как SiO2 (в форме а,в-кварца, а,в-тридимита, а,в-кристобалита и кварцевого стекла), с кубическим строением кристаллической решетки, гексагональный а-SiC, твердофазный С, Si как в твердом, так и в жидком состояниях - существуют в данной системе в конденсированном состоянии, а в газовой фазе наибольшая вероятность образования следующих компонентов: О, О2, Si, SiO, SiO2, ^ C2, Cз, ЭД, ОД.
Выбор авторами ТД моделирования с использованием ПК «Селектор» в работе [12] объясняется тем, что результаты моделирования расширенной (по сравнению со стандартной «Si-O-C») системы Na-H-O-e», имитирующей процесс образования высокопористых шихтовых композиций, послужат основой моделирования процесса восстановления в/ в РТП.
Целью работы авторов [13] явилось развитие методов физико-химического моделирования как природных, так и производственных процессов и их описание в широкой области параметров состояния, а также создание базы ТД данных, в результате чего были разработаны модели многокомпонентных гетерогенных систем, в частности, системы «Al-Si-Fe-Ca-Ti-Na-Mg-Mn-O-H-C-N».
Создание базы ТД данных, ориентированной на описание процессов, происходящих в кремниевом расплаве, а также
компьютерной модели, описывающей многокомпонентные гетерогенные системы на основе высокотемпературного расплава кремния, использовал автор работы [14]. Созданная ТД модель системы «Б1-Р-В-Ре-Са-А!-Т1^а-Мд-Мп-0-Н-С-^Аг» в интервале температур 1475-1775°С при давлении 105 Па оптимизирует процесс рафинирования Б1 в ковше.
Исследования авторов [15] посвящены созданию четырехрезервуарной ТД модели карботермического восстановления кремния, которая наиболее реально описывает данный процесс в производственных условиях. В данную модель было введено 14 независимых компонентов (А!, В, Са, С!, Р, Н, К, Мд, Ре, N №, Р, Б, ТО, расплав представлен следующими компонентами: Ре3С - 60,29%, РеБ1 - 28,35%, Ре -1,42%, Б1 - 0,15%, ТЮ - 9,57%. Остальные 0,22% составляли: СаА!2, А!,Са0, ТЮ, ТЮ, ТЮ2. Газовая фаза состояла из СО, С3, С5, Н2, А!2С2, 31Э, Б1С2, Мд, Ре, СР, СБ, А!, N2. При создании данной базовой ТД модели использовался, так называемый, «метод последовательных резервуаров», который по мнению авторов считается современным способом организации равновесно-динамических моделей.
Автором [16] разработана и предложена методология ТД моделирования систем со значительным количеством (до 18) элементов ф, О, С, А1, Са, Fe, Д Мд, Na, К, Мп, Сг, N Н, N S, Р, В), участвующих в процессе получения Б1 в РТП, а также сформирована семирезервуарная ТД модель процесса получения кремния, применимая к промышленной электропечи; проведен анализ сопоставления результатов известных и апробированных физико-химических исследований и математического моделирования; разработана методика ТД анализа для исследования распределения примесных элементов на технологических стадиях подготовки шихты, получения и рафинирования кремния.
Наиболее расширенный вариант восьмирезервуарной ТД модели предлагает автор работы [17]. При создании модели была проведена предварительная работа
по формированию в исследуемой системе возможных соединений и независимых компонентов. Были определены температурные зоны протекания процесса и произведен выбор направления потоков подвижных групп фаз (газ, твердые компоненты, расплав). Сформированная модель адекватно описывает процесс карботермического восстановления кремния в РТП, позволяет детально изучить влияние загрузочных коэффициентов компонентов шихты на извлечение чернового кремния, что позволяет сделать вывод о том, что при варьировании данными загрузки шихтовых материалов и соотношения различных восстановителей в шихте можно оценить извлечение целевого продукта.
Мы использовали ПК «Селектор», поскольку данный программный комплекс представляет собой систему информационных и программных модулей, которые функционируют в рамках единой интегрированной среды. Одним из главных достоинств ПК «Селектор» в наших исследованиях является возможность моделирования резервуарной динамики (например, в системе «рудное сырье - восстановитель -электроды - шихта - окомкованная шихта -расплав - шлак - газы - закристаллизованный кремний»), что позволяет наиболее полно и точно реконструировать основные закономерности как металлургического агрегата в отдельности, так и технологического процесса в целом.
Результаты и их обсуждение
На предварительном этапе нами был подобран средний химический состав кварцита и УВ, исходя как из справочных данных, так и данных заводской практики (ЗАО «Кремний»). Важно отметить, что часть стандартной (заводской) шихты была заменена на окомкованную, по предложенной нами методике, шихту, химический состав каждого из компонентов которой определен с помощью рентгеноспектрального анализа.
Горн РТП был разбит на пять технологических зон - резервуаров, каждый из которых имеет определенную температуру (рис. 1) [18].
Рис. 1. Схема мегасистемы, имитирующей пространство РТП, с потоками из трех групп подвижных фаз Fig. 1. A megasystem schematic simulating ore-smelting furnace space with flows from
three groups of mobile phases
1-й резервуар имитирует колошниковое пространство РТП и имеет температуру 1530°С. В данный резервуар поступают газопылевые выбросы, образующиеся в результате химического взаимодействия компонентов шихты в нижних зонах печи. Во 2-й резервуар осуществляется подача шихты. В 3-м резервуаре происходят основные физико-химические превращения с максимальным извлечением и накоплением кремния (как за счет протекания промежуточных реакций, так и за счет непосредственного образования технического кремния из кремнезема в зоне горения вольтовой дуги). 4-й резервуар модели имеет температуру 1800°С, что отвечает температуре начала выпуска кремния из РТП. 5-й резервуар имитирует готовый продукт и предназначен для сопоставления полученных данных ТД модели по закристаллизо-
ванному кремнию (температура 25°С).
Изучение процесса получения кремния в РТП с использованием окомкованной шихты на основе ТД моделирования базировалось на исследовании взаимодействий в системе «Si-O-C» с участием поступающих в процесс с шихтой примесных элементов: P, B, Fe, Ca, Ы, Д Na, Mg, К N ^ S, F, ^ Компонентный состав сформированной модели представлен 146 газообразными элементами и соединениями и 193 компонентами в твердом виде, а также 58 элементами и соединениями в расплавленном состоянии.
После пересчета в мольные количества состава всех шихтовых компонентов, участвующих в карботермическом процессе, данные для ввода в ТД модель имели следующий вид (таблица).
Компонентный состав шихты для ввода в ТД модель, моль Charge component composition for thermodynamic (TD) model entry, mole
1 Si Ft 1 AI 1 Ca 1 Л 1 Mg 1 К Р S | Na | Сев | 0 | F | H | N В Cr
Окомкованная шихта 1 Pelletized eftarge
Пыль газоочистки кремниеаою производства 1 Sflcon produeton gas punricalion dust 3.82 0.01 0,025 0.0732 0.0062 0,064 0.018 0,0023 0,0055 0.007 1,417 0.82209 -
Пыль электрофипьтров алюминиевого производства 1 Aiurnmum proOudion €<ectric precipitator dust 0.0022 0.0066 0.2245 0.005 - 0,000566 0.00604 - 0.00746 0.134 0.6004 0.28 0.389 0,5387 - -
Нефгсчокс I Petcokc 0.00087 0,008 0,0018 0.0018 0,000087 0,00005 - 0,00012 0,55 0,00004 71. 86 6.17 - 12,98 0,54 0,0012 -
Oroce кремнии! Sicon screprvig 35,35 0,059 0,063 0,002 0.0075 0,246 - 0,000645 - - - - - - - - 0,134
Жило» мило 1 liquid glass 3.92 0,01 0,0248 0.0732 0,000625 0.0844 0,001804 0,00232 0,0055 0,0071 1,417 8.2209 - -
Стандартная шихта I Standard charge
Кварцит 1 Quartete 164.1 072 0.87 0,87 0,001 0,115 - - - - - 331,6 - - -
Лревесный уголь 1 Charcoal 0.03 0.04 0,008 1.09 0.0005 - - 0.054 0.44 - 136.1 18,308 - 69.8 0.44
Смесь каменных углей (Казахстан, Копум&кя)/ А пийие о! hard coals (Kazakhstan, Colombia) 3.06 02 1,434 0,225 0,03 0.24 0,012 - 0,29 0,02 150,48 27.702 - 126,8 4.27 - -
Древесная щепа / Wood chip 0.0B3 0,006 0.02 0,24 0,00025 - - 0,0012 - - 162,23 106.32 - 244,28 2.576 - -
Нефтяной чаче/ Petroleum Coke 0.01 0.012 0,00? 0.003 0.0001 0,000006 0,000006 0,00016 0.7 - 91.33 7.85 - 16.5 0,68 0,0016 -
Угольные электроды 1 Carbon electrodes 0.03493 0.0143 0,0595 0,00264 0,00242 0,00081 0.00426 0,0006 - 0,0015 23.0666 0.46 - 2.56824 0,05096 0,00002 0,00178
(Л о о го
CD <5
О Ф CD I S CD
В результате решений пятирезерву-арной модели был получен расплав, состав которого представлен на рис. 2; содержание целевого продукта составило 94,44 моля, что отвечает 91,73 мас.%.
На рис. 3 показан процесс накопле-
ния кремния по всем резервуарам, что свидетельствует о правильном выборе соотношения компонентов в шихте (с использованием добавки окомкованных композиций) для получения кремния.
Ь» ь pei let
k*LS3«a >iW®»f»î tin Ik 1 »•pciwKt afenr -L- ipmramrrt сящ
OOSAIC«! «11 V«rity в» Ml
raaccaitloa 1 Mil art ми •cli itXm pCtttlUl
ашш .I3lte>ll -9. nm
v 1.1 idtfU f. ClfTe-tl •11. . éilt »4
u 1. .flttlM -I, OtPo-l« -11. ifl 2W? -4§4it
C» 0. .iticote D. оомет-зо •14 40994 •MS»:
N 1. .оттаоов -2. SUS«.IT -il. tin -45iei
9 0. .0143143 0. : .-asia -«¡924
Cm 0. • oûîhtv -1. J7IO-II Pill 4UN
9 0 .COM"'** 1. >ftlt»-21 -14. лп4 -(•НИ
it It. <3*4954 9 . 14M«*ll "•»413
Tl 0. . С324409 1 l-tH и .«oots •«fl-Ti
8 0. .0002974 2. 3433e-20 -13. 51I4I
И9 o. .ваша %. J04J»-14 U2U -42301
II« 1.1 -I. 904>«-11 94771 -11(14)
К I.J -1* litre -ШОК
о 0. 2- ittifl* • u.rm •1N4U
fcapcofWfa Ootout | ^»ftunrj J
îLd •tie •tlltlt 4 «J С >eît. Li* of. lJ
-It »
Cr -294^1 2 IITt02:t««40a-03 0 ai •2 329 1 оом в МО -10 34t
U -10219 Iû?|4*404t2t»+0t< 2 41 в 199 1 0004 I ООО «t
= -11M4 2 m'f^liibt-Ci 00 -i 1 СОМ ■3 МО -12 TO*
re ■1вМв 9 ÎUÎÏMUIÎH-« 9t> •0 419 1 ■30 M 1 с: а •t 94t
г» -10441 1 С4420129322»*00 : 14 0 131 1 0000 а MC >4 910
г,:: t 20043 S9-54 3e-04 0 01 -3 092 1 OOM 0 >:а -Ii 47t
ГаО 1 00 -4 141 x 0000 ово -It 13»
MB -40211 4 liKi'OOMIl*-^ 0 QO -4 1 COM МО -14 144
*) -12014 4 l*1113ÎÛ0H9e-02 09 -1 209 1 сом МО 191
■0291 •13441« а 44^С2Т115Г99а-03 0 01 -2 434 1 COM МО -10 : >:
*PU04 -»un: î îlt41133?24«a-04 0 00 -3 seo 1 00 DO >:а
■9*5204 ЧХ014 T un IM 19742l«-03 0 04 13« 1 COM МО ; 9B2
1■ -4Ö999 i 00 -6 Ht l ООМ -it
r 123IÎ i 02 •1 993 1 0000 см !9P
5 ЯР4И4Ш -a 023 1 ООЭС 0 МО -14 14E
i 4-1 l 00W 0 МО -В '344
II -19M1 • flIOOa-O« itMMM0Ute-04 -I 1 1 ООО -в -12 494
Î1C •"»1414 s 092394(14993« 02 0 0* «1 919 1 COM 0 ООО •t «71
Г10 -:941м 1 ~24»39:00:04в-03 0 00 •2 -»43 t COM 0 его -10 Ii!
ШЯ -2"*03M 2 <34^454444 зы-сс D 00 94^ 1 COM 0 MC -f
Рис. 2. Состав расплава кремния по модели (при t = 1800°C, 4-й резервуар) Fig. 2. Model-based silicon melt composition (at t = 1.800°C, 4th reservoir)
Рис. 3. Динамика распределения кремния по резервуарам в модели Fig. 3. Silicon reservoir distribution dynamics in the model
5-й резервуар (по результатам решения модели) имел следующий химический состав: Al2SiO5; SiC; CaS; FeSi2; K2SiO3; P; Si; TiSi2; CrSi; Al2O3; Ca3Al2Si3O12; BP; NaAlSi3O8; CaAl2SiO6. Содержание целевого продукта составило 89,86 моля (83,5 мас.%) кремния.
Общее извлечение кремния по модели (£si) рассчитывалось как процентное соотношение результата извлечения за конечный период работы РТП (30 циклов по модели) к сумме извлечения Si конечного периода по всем резервуарам, которое составило 69,248%, что свидетельствует об адекватности сформированной модели реальному технологическому процессу (& = 65-67% [2]).
В результате исследований можно сделать вывод о том, что сформированная нами ТД модель позволяет проанализировать поведение всех компонентов шихты, в том числе и окомкованной, в карботерми-ческом процессе. Выбранное соотношение вводимых в модель шихтовых компонентов и восстановителей не ухудшают качества Si, а извлечение по модели соответствует заводским данным.
Таким образом, сформированная нами ТД пятитирезервуарная модель позволяет наглядно продемонстрировать процесс получения кремния и распределения компонентов по фазам в изучаемой системе («рудное сырье - восстановитель -электроды - шихта - окомкованная шихта -расплав - шлак - газы - закристаллизованный кремний») при заданном химическом составе сырья и расходных коэффициентах, а также прогнозировать извлечение
Библиогра
1. Куликов Б.П., Истомин С.П. Переработка отходов алюминиевого производства. СПб.: 2-е изд. МАНЭБ, 2004. 480 с.
2. Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических печах. Иркутск: ЗАО «Кремний», 2004. 237 с.
3. Немчинова Н.В., Минеева Т.С., Никаноров А.В. Проблемы экологической безопасности алюминиевого и кремниевого производств [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 3. URL: http://www.science-education.ru/109-9611 (10.05.2016).
4. Леонова М.С., Немчинова Н.В. Подготовка шихто-
кремния и его химический состав на выходе из печи.
Заключение
1. Необходимость использования ТД моделирования в металлургии обуславливается сложным характером протекающих процессов в комплексных металлургических системах и механизмов перераспределения веществ в технологическом цикле, а также невозможностью проконтролировать эмпирическим путем поведение конденсированных и газообразных фаз при условии воздействия высоких температур и образования многочисленных промежуточных соединений.
2. Предложено окомкование шихты с вовлечением металлургических отходов: мелкофракционного отсева кремния, циклонной пыли и шлама газоочистки кремниевого производства, пыли электрофильтров производства алюминия с использованием жидкого стекла в качестве связующего.
3. Для ТД возможности применения данных окомкованных композиций в составе шихты для выплавки кремния была разработана с помощью ПК «Селектор» пяти-резервуарная ТД модель с имитацией 4-х температурных зон РТП (1530°С, 1600°С, 1800°С, 2200°С) и зоны кристаллизации кремния (25°С).
4. Результаты моделирования показали, что при использовании окомкованной шихты в качестве добавки к традиционной (кусковой) извлечение кремния составило 69,248%, что хорошо согласуется с практическими данными.
uiü список
вых материалов для выплавки кремния в рудотер-мических печах // Металлургия легких и тугоплавких металлов: материалы третьей междунар. науч.-техн. конф. (Екатеринбург, 10-11 октября 2014 г.). Екатеринбург, 2014. С. 149-152.
5. Kulik D.A. GEM-Selektor geochemical modeling package: revised algorithm and GEMS3K numerical kernel for coupled simulation codes / D.A. Kulik, T. Wagner, S.V. Dmytrieva, G. Kosakowski, F.F. Hingerl, K.V. Chudnenko, U.R. Berner. Computational Geosci-ences, 2013. Vol. 17. Issue 1. P. 1-24.
6. Шваров Ю.В. Алгоритмизация метода численного равновесного моделирования динамических геохи-
мических процессов // Геохимия. № 6, 1999.
7. Немчинова Н.В., Клец В.Э. О возможности использования жидкого стекла в качестве связующего для брикетов в производстве кремния // Обогащение руд: сб. науч. тр. Иркутск, 1998. С. 101-105.
8. Синярев Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. М.: Наука, 1982. 264 с.
9. Тютрин А.А., Тимофеев А.К. Применение методов математического моделирования при изучении процессов получения и рафинирования металлургического кремния [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования, 2012. № 4. URL: http://www.science-education.ru/104-6747(24.02.2016).
10. Катков О.М., Архипов С.В. Влияние температуры нагрева шихты на кинетику карботермического восстановления кремнезема // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1991. № 3. С. 118-120.
11. Черных А.Е., Зельберг Б.И. Производство кремния. Иркутск, 2004. 555 с.
12. Бычинский В.А., Шадис B.C. Основные принципы формирования многорезервуарной физико-химической модели карботермического восстановления кремния // Тез. докл. 2-го междунар. симпозиума «Проблемы комплексного использования руд». СПб, 1996. С. 37-42.
13. Тупицын А.А., Чудненко К.В. Особенности создания физико-химической модели алюминиево-
кремниевого расплава // Обогащение руд: сб. науч. тр. Иркутск, 1997. С. 45-50.
14. Елисеев И.А., Непомнящих А.И., Бычинский В.А. Компьютерная модель рафинирования расплава кремния от бора и фосфора // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2006. № 4. С. 53-60.
15. Nemchinova N.V., Bychinskii V.A., Bel'skii S.S. and Klets V.E. Basic Physicochemical Model of Carbother-mic Smelting of Silicon // Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2008. Vol. 49. No. 4. Pp. 269-276.
16. Немчинова Н.В. Термодинамическое моделирование при изучении карботермического процесса получения кремния: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 100 с.
17. Тимофеев А.К. Оптимизация процесса получения кремния на основе методов математического моделирования [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. URL:http://www.science-education.ru/117-13059 (13.05.2014).
18. Леонова М.С., Немчинова Н.В. Изучение карботермического процесса получения кремния при помощи методов моделирования // Химия и металлургия комплексной переработки минерального сырья: материалы междунар. науч.-практ. конф. (г. Караганда 25-26 июня 2015 г.). Караганда, 2015. С. 402406.
References
1. Kulikov B.P., Istomin S.P. Pererabotka othodov al-yuminievogo proizvodstva. [Aluminum production waste recycling]. Saint-Petersburg, MANAB Publ., 2004, 480 p. (in Russian).
2. Popov S.I. Metallurgiya kremniya v trekhfaznyh rud-notermicheskih pechah [Silicon metallurgy in three-phase ore-smelting furnaces]. Irkutsk: ZAO "Kremnij" Publ., 2004, 237 p. (in Russian).
3. Nemchinova N.V., Mineeva T.S., Nikanorov A.V. Problemy ehkologicheskoj bezopasnosti alyuminievogo i kremnievogo proizvodstv [Problems of ecological safety of aluminum and silicon industries] Available at: http://www.science-education.ru/109-9611 (accessed 10.05.2016).
4. Leonova M.S., Nemchinova N.V. Podgotovka shihtovyh materialov dlya vyplavki kremniya v rudotermicheskih pechah [Preparation of melting stock for silicon smelting in ore-thermal furnaces]. Metallurgi-ya legkih i tugoplavkih metallov [Metallurgy of lightweight and refractory metals]. Ekaterinburg, 2014, pp. 149-152 (in Russian).
5. Kulik D.A. GEM-Selektor geochemical modeling package: revised algorithm and GEMS3K numerical kernel for coupled simulation codes [GEM-Selektor ge-ochemical modeling package: revised algorithm and GEMS3K numerical kernel for coupled simulation codes]. Computational Geosciences, 2013, vol. 17, issue 1, pp. 1 -24.
6. Shvarov U.V. Algoritmizaciya metoda chislennogo
ravnovesnogo modelirovaniya dinamicheskih geo-himicheskih processov [Algorithmization of the numeric equilibrium modeling of dynamic geochemical processes]. Geohimiya [Geochemistry]. 1999, no. 6 (in Russian).
7. Nemchinova N.V., Klec V.E. O vozmozhnosti ispol'zovaniya zhidkogo stekla v kachestve svya-zuyushchego dlya briketov v proizvodstve kremniya [On the possibility of using liquid glass as a binder in briquettes for silicon production]. Obogashchenie rud [Ore-dressing]. 1998, pp. 101-105 (in Russian).
8. Sinyarev G. B., Vatolin N. A., Trusov B. G., Moiseev G. K. Primenenie EHVM dlya termodinamicheskih raschetov metallurgicheskih processov [Computer application for thermodynamic calculations of metallurgical processes]. Moscow, Nauka Publ., 1982, 264 p. (in Russian).
9. Tyutrin A.A., Timofeev A.K. Primenenie metodov matematicheskogo modelirovaniya pri izuchenii pro-cessov polucheniya i rafinirovaniya metallurgicheskogo kremniya [The mathematical modeling methods application for study of the processes of metallurgical silicon production and refining]. Available at: http://www.science-education.ru/104-6747 (accessed 24 February 2016).
10. Katkov O.M. Vliyanie temperatury nagreva shihty na kinetiku karbotermicheskogo vos-stanovleniya kremnezema [Effect of the burden heating temperature on silica carbothermic reduction kinetics]. Izv. vuzov.
Cvetnaya metallurgiya [Universities' Proceedings. Non-ferrous Metallurgy]. 1991, no. 3, pp. 118-120 (in Russian).
11. Chernyh A.E., Zel'berg B.I. Proizvodstvo kremniya [Silicon Production]. Irkuts, 2004, 555 p. (in Russian).
12. Bychinskij V.A., SHadis B.C. Osnovnye principy formirovaniya mnogorezervuarnoj fiziko - himicheskoj modeli karbotermicheskogo vosstanovleniya kremniya [The basic formation principles of the multi-reservoir physico-chemical model of carbothermic silicon reduction] Tez. dokl. 2-go mezh-dunarodnogo simpoziuma "Problemy kompleksnogo ispol'zovaniya rud" [Abstracts of the 2nd International Symposium "Problems of ore complex use"]. Saint-Petersburg, 1996, pp. 37-42 (in Russian).
13. Tupicyn A.A., Chudnenko K.V. Osobennosti soz-daniya fiziko-himicheskoj modeli alyu-minie-vo-kremnievogo rasplava [Development features of the physico-chemical model of aluminum-silicon melt] Obo-gashchenie rud [Ore-dressing]. 1997, pp. 45-50 (in Russian).
14. Eliseev I.A., Nepomnyashchih A.I., Bychinskij V.A. Komp'yuternaya model' rafinirovaniya rasplava kremniya ot bora i fosfora [Computer model of molten silicon refining from boron and phosphorus] Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Materialy ehlektronnoj tekhniki [Universities' Proceedings. Materials of Electronics Engineering]. 2006, no. 4, pp. 53-60 (in Russian).
Критерии авторства
Немчинова Н.В., Леонова М.С. и Тимофеев А.К. имеют равные авторские права. Ответственность за плагиат несет Немчинова Н.В.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 16.05.2016 г.
15. Nemchinova N.V., Bychinskii V.A., Bel'skii S.S. and Klets V.E. Basic Physicochemical Model of Carbothermic Smelting of Silicon [Basic Physicochemical Model of Carbothermic Smelting of Silicon] Non-Ferrous Metals, 2008, vol.49, no. 4, pp. 269-276.
16. Nemchinova N.V. Termodinamicheskoe modeliro-vanie pri izuchenii karbotermicheskogo processa polu-cheniya kremniya [Thermodynamic modeling in the study of carbothermic production of silicon]. Irkutsk: Izd-vo IrGTU Publ., 2013, 100 p. (in Russian).
17. Timofeev A.K. Optimizaciya processa polucheniya kremniya na osnove metodov matematicheskogo mod-elirovaniya [Optimization of producing silicon-based methods of mathematical modeling] Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern Problems of Science and Education]. 2014. Available at: http://www.science-education.ru/117-13059 (accessed: 13 May 2014).
18. Leonova M.S., Nemchinova N.V. Izuchenie karbo-termicheskogo processa polucheniya kremniya pri pomoshchi metodov modelirovaniya [Study of the car-bothermic process of silicon production using modeling techniques]. Himiya i metallurgiya kompleksnoj pere-rabotki mineral'nogo syr'ya: mater. mezhdunar.nauch.-prakt. Konf [Chemistry and Metallurgy of Mineral Raw Materials Complex Processing: Materials of the International Scientific and Practical Conference]. Karaganda, 2015, pp. 402-406.
Authorship criteria
Nemchinova N.V., Leonova M.S. and Timofeev A.K. have equal copyrights. Nemchinova N.V. bears the responsibility for avoiding plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 16 May 2016
