CC BY
72
УДК 669.782
ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ В РУДНО-ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧАХ: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ
Н.В. Немчинова, С.С. Бельский
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, bss@istu.edu
Получение кремния в рудно-термических печах (РТП) относится к сложным процессам, протекающим с образованием ряда промежуточных соединений. Изучение процесса затруднено в силу того, что процесс протекает при высоких температурах с активным участием газовой фазы. В настоящее время приемы управления и оптимизации РТП, базирующиеся на визуальных методах, расчетах материального и теплового балансов плавки и электрических параметров, не позволяют адекватно оценить процессы, протекающие непосредственно в металлургическом агрегате. Поэтому для изучения процесса необходим комплексный подход, включающий применение методов моделирования.
Цель нашей работы заключалась в создании математических (термодинамических) и компьютерных программ по изучению карботермического способа получения кремния в РТП. Ил. 4. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: карботермия; металлургический кремний; моделирование; шихта; руднотерми-ческая печь; программный комплекс.
MODELING OF SILICON MELTING IN
THE ORE-THERMAL FURNACES: TECHNOLOGICAL ASPECTS AND USE IN THE EDUCATIONAL PROCESS
N.V. Nemchinova, S.S. Belskii
Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074 Russia, bss@istu.edu
Preparation of silicon in ore-thermal furnaces (RTP) is a complex process involving the formation of several intermediates. Studying the process is complicated by the fact that the process takes place at high temperatures with the active participation of the gas phase. Currently, management techniques and optimization of RTP based on visual methods, calculations, material and heat balances melting and electrical parameters do not adequately assess the processes occurring directly in the metallurgical units. Therefore, a comprehensive approach, including the use of modeling techniques is required to study the process. The aim of our work was to create a mathematical (thermodynamic (TD)) and computer programs for the study of carbothermic process for producing silicon in RTP. 4 figures. 11 sources.
Key words: carbontermical production; metallurgical silicon; modeling; charge; arc electric furnace; program complex.
ВВЕДЕНИЕ
Процесс получения кремния в РТП относится к сложным высокотемпературным процессам, сопровождающимся различными физико-химическими превращениями шихтовых материалов, поступающих на плавку [3]. Сложность понимания процесса карботермического восстановления кремния из его оксида заключается в том, что прямой контроль над физико-химическими процессами восстановления и
плавки кремния в печи практически невозможен. Стандартные приемы управления и оптимизации печей для выплавки кремния базируются на визуальных методах, расчетах материального и теплового балансов плавки и электрических параметров. С помощью данных приемов и известных физико-химических методов анализов практически невозможно адекватно оценить процессы, протекающие непо-
средственно в металлургическом агрегате. Поэтому для того, чтобы оценить поведение примесей в технологическом процессе и понять, как они распределяются по продуктам плавки используются методы термодинамического (ТД) моделирования. Одним из главных достоинств такого подхода к изучению процесса плавки является возможность ТД моделирования ре-зервуарной динамики (например, в системе «сырьевые материалы-шихта-расплав-шлак-газы-расплав кремния-кристаллический кремний»), что позволяет наиболее полно и точно реконструировать основные закономерности металлургических процессов: извлечение ценного компонента, распределение элементов, поступающих с шихтой, по температурным зонам РТП, подбор сырьевых материалов для повышения качества получаемого кремния и т.п. [1, 4, 11].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для изучения карботермической технологии получения кремния в РТП использовались методы ТД моделирования с применением программного комплекса «Селектор» [2]. На на-
чальных этапах создания модели получения кремния было необходимо:
- разработать концептуальную модель получения кремния в РТП (с определением температурных зон протекания основных реакций получения кремния в печи и числа резервуаров - участков печи с определенными температурой, элементным и фазовым составом, давлением);
- определить компонентный состав моделируемой системы;
- подготовить данные для ввода в модель;
- составить схему сопряжения резервуаров потоками подвижных групп фаз;
- сформировать модель (рис. 1).
Разработка концептуальной модели получения кремния включает обзор теоретических сведений о карботермическом способе получения кремния, анализ имеющейся экспериментальной информации, рассмотрение возможных вариантов протекания процесса, обзор ранее созданных моделей выплавки кремния, определение температурных зон, в которых протекают основные реакции получения кремния.
На первоначальном этапе исследований
Сформированная базовая многорезервуарная физико-химическая модель карботермического восстановления кремния из кремнезема в РТП
_1_
Подготовка данных для ввода в модель с учетом реальных загрузочных коэффициентов шихты, типа РТП
и
Составление схемы взаимообмена потоками подвижных групп фаз между резервуарами с учетом типа
РТП
Рис. 1. Блок-схема формирования ТД модели получения кремния в РТП == ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРОЦЕССЫ ==
рабочее пространство печи было условно разделено на четыре зоны [8], которые были приняты в качестве резервуаров ТД модели с определенными температурами. Первая зона воспроизводит колошниковое пространство и имеет температуру 400 °С. Шахта печи состоит из двух резервуаров. Верхний - с температурой 1530 °С (температурой появления карбида кремния вЮ), нижний - с температурой 2200 °С. Четвертый резервуар - тигель печи с температурой 2000 °С - имитирует накопление жидкого кремния.
Определение компонентного состава моделируемой системы заключалось в формировании списка потенциально возможных в моделируемой системе компонентов (элементов и соединений). Элементный состав модели был определен, исходя из химического анализа шихты и требований потребителей по примесям, и содержал: С, Ы, А1, Са, Рв, Р, Б, Б/, Л, В, Мд, Ыа, К, Н, О, Мп. Для газовой фазы, исходя из имеющихся в программном комплексе «Селектор» баз данных, было принято 137 элементов и соединений, для твердой фазы - 171 ком-
понент и расплав - 41.
Для ускорения процесса пересчета исходного состава шихты в сформированные модели необходимо было подготовить алгоритм ввода данных в модель. Этот этап моделирования заключался в пересчете процентного состава компонентов модели в мольные количества химических элементов с учетом загрузочных коэффициентов, применяемых на производстве. Данный процесс является весьма трудоемким (связан со спецификой программного комплекса «Селектор»), поэтому была проведена работа, направленная на его упрощение и ускорение. В результате разработана «Программа подготовки данных для ввода в физико-химические модели технологических процессов (версия 1)», на которую было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614945 [10].
На рис. 2 приведено окно программы с пересчитанным составом кварцита и углеродистых восстановителей с учетом загрузочных коэффициентов.
Следующим этапом формирования модели
Рис. 2. Результат перерасчета состава сырья и восстановителей (окно программы для ЭВМ)
Рис. 3. Окно визуализации примесного состава сырья и углеродистых восстановителей
(программа для ЭВМ)
получения кремния явилось составление схемы сопряжения резервуаров потоками подвижных групп фаз. На основе исходной модели системы «БнО-С» [8] была сформирована рабочая базовая модель с введением значительного числа примесей, присутствующих в шихтовых материалах в процесс с учетом реальных состава шихты и загрузочных коэффициентов. Так же, как и в случае работы простых моделей, для этого требовалось подобрать численные значения материального баланса процесса, привязанного к конкретной конструкции РТП, выделить зоны, отличающиеся химическим составом и стабильно существующие в пространстве РТП, определить баланс динамических потоков веществ.
Созданная модель послужила отличным инструментом для изучения карботермического процесса, однако она была ограничена по количеству резервуаров (температурных зон), поэтому дальнейшие работы привели к созданию семирезервуарной модели, дополненной тремя резервуарами; при этом расплав кремния в новой модели был представлен уже двумя резервуарами с различными температурами (2000 °С и 1470 °С), а 7-ой резервуар имитирует кристаллический кремний при температуре 25 °С. В семирезервуарную модель в отличие
от четырехрезервуарной дополнительно были введены такие независимые компонеты как Ni и Сг. Список зависимых компонентов также был дополнен: так в семирезервуарную модель дополнительно введены 10 газообразных элементов и соединений, 20 твердофазных соединений и 5 элементов и соединений в расплавленном состоянии [4, 6].
В дальнейшем была сформирована вось-мирезервуарная ТД модель, которая наиболее полно имитирует процесс получения кремния в РТП. В данную модель выл введен дополнительный резервуар с температурой 1100 °С, что позволило более детально изучить состав и поведение примесей при формировании пыле-газовых выбросов [7]. В 3-ий резервуар этой модели (с температурой 1530 °С) осуществляется подача шихты. В 4-ом резервуаре, имеющем температуру 2200 °С, происходит максимальное извлечение (ез;) и накопление кремния (как за счет протекания промежуточных реакций, так и за счет непосредственного образования расплава кремния из его оксида в зоне горения вольтовой дуги.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Извлечение кремния по результатам решения четырехрезервуарной модели составило
а)
1ЭЕШВ
т 5 500
£ 4 000
!л 3 500
й 3 ООО
7
> * * : К 9НК-'. ✓, УЖ-Ж-^ Т Т Т Т Ж 1 К Ж Ж Ж Ж Я
15 "Пте
б)
Рис. 4. Накопление кремния по резервуарам восьмирезервуарной модели при различных загрузках шихтовых компонентов: а - загрузка №1 (е51 = 74,32%); б - загрузка №2 ^ = 81,84%)
90,63%. Столь завышенный результат объясняется принятым при моделировании допущением, что исследуемая система является замкнутой и обменивается потоками веществ, без учета пылеуноса.
Полученные при решениях семирезерву-арной ТД модели кремния данные по извлечению ценного компонента хорошо согласуются с практическими данными. Так, в результате моделирования расчетное ез; составило 75%, что соответствует в среднем значению этого показателя для РТП открытого типа [3].
По результатам решений восьмирезерву-арной модели с использованием 5 различных комбинаций составляющих шихты (при зафиксированном химическом их составе) расчетное еэ1 составило, %, соответственно: 74, 32; 81, 81; 81, 84; 81, 36 и 81, 31.
Таким образом, по результатам моделирования можно рекомендовать оптимальное соотношение сырьевых материалов в шихте для повышения извлечения ценного компонента: на 100 кг кварцита - 16,12 кг (древесный уголь), 10,47 кг (нефтекокс), 33,08 кг (каменный уголь), 48,76 кг (древесная щепа), 4,29 кг (электроды).
Создание четырех-, семи- и восьмирезеру-арной моделей процесса выплавки кремния, компьютерной программы «Подготовка данных для ввода в физико-химические модели технологических процессов» и разработка методических рекомендаций по проведению практиче-
ских занятий для бакалавров стали основой программно-методического комплекса по изучению карботермического способа получения кремния.
Для того, чтобы привить студентам, обучающимся в ФГБОУ ВПО «ИрГТУ» по направлению «Металлургия», навыки моделирования технологических процессов получения цветных металлов и сплавов и, в частности, процесса получения кремния, в дисциплине учебного плана «Физико-химия кремния» проводятся лекционные и практические занятия, направленные на изучение теоретических основ кар-ботермического способа получения кремния в РТП и методики формирования ТД моделей технологических процессов [5, 9].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанные термодинамические модели, имитирующие получение кремния в РТП и программно-методический комплекс по изучению данной технологии являются эффективным инструментом, позволяющим исследователям, производственникам, студентам не только изучать теоретические основы карботермии, но и самостоятельно формировать модель процесса и отрабатывать на ней различные варианты его протекания с учетом показателей действующего производства для повышения его основных технологических показателей.
1. Бельский С.С., Бычинский В.А., Немчинова Н.В., Клец В.Э. Моделирование процесса руднотермической плавки: материалы IV Рос. конф. с междунар. участием «Кремний-2007». М., 2007. С. 23-24.
2. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 247 с.
3. Катков О.М. Выплавка технического кремния. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. 243 с.
4. Немчинова Н.В. Термодинамическое моделирование при изучении карботермическо-го процесса получения кремния. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 100 с.
5. Немчинова Н.В. Физико-химия кремния. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. 44 с.
6. Немчинова Н.В., Бельский С.С., Аксенов А.В., Васильев А.А. Использование метода минимизации свободной энергии для изучения металлургических процессов // Вестник ИрГТУ. 2014. № 3 (86). С. 151-158.
7. Немчинова Н.В., Бельский С.С., Тимофеев А.К. Исследование процесса карботермического получения кремния в электродуговых
НЕСКИЙ СПИСОК
печах. Технология металлов. М., 2012, № 6. С. 3-9.
8. Немчинова Н.В., Бычинский В.А., Бельский С.С., Клец В.Э. Базовая физико-химическая модель карботермической плавки кремния // Известия вузов. Цветная металлургия. 2008. № 4. С. 56-63.
9. Немчинова Н.В., Клец В.Э. Кремний: свойства, получение, применение. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 272 с.
10. Свидетельство № 2011614945, Российская Федерация, Программа подготовки данных для ввода в физико-химические модели технологических процессов (версия 1) / Н.В. Немчинова, С.С. Бельский, А.К. Тимофеев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ИрГТУ. № 2011613098, заявл. 29.04.2011; опубл. 23.06.2011.
11. Nemchinova N., Kloytz V. Thermodynamic modeling of silicon smelting to improve its quality. Proc. int. scientific conf. «Silicon for the chemical and solar industry ix». Oslo, Tntu publ., pp. 25-36.
REFERENCES
1. Belskii S.S., Bychinskii V.A., Nemchinova N.V., Klets V.E. Modelirovanie processa rudnotermicheskoi plavki [Ore-smelting process modeling]. Materialy IV Rossiiskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem "Kremnii-2007" [Proc. IV-th Rus. Conf. with Int. Participation "Silicon-2007"]. Moscow, 2007, pp. 23-24.
2. Karpov I.K. Fiziko-khimicheskoe modelirovanie na EVM v geokhimii [Physico-chemical modeling with computer in Geochemistry]. Novosibirsk. Nauka Publ., 1981. 247 p.
3. Katkov O.M. Vyplavka tehnicheskogo kremniya [Technical silicon smelting]. Irkutsk, ISTU Publ., 1999. 243 p.
4. Nemchinova N.V. Termodinamicheskoe modelirovanie pri izuchenii karbotermicheskogo protsessa polucheniya kremniya [Thermodynamic modeling during the study of the silicon production carbothermal process]. Irkutsk, ISTU Publ., 2013. 100 p.
5. Nemchinova N.V. Fiziko-khimyja kremniya [Physics-and-chemistry of silicon]. Irkutsk, ISTU Publ., 2012. 44 p.
6. Nemchinova N.V., Bel'skii S.S., Aksenov A.V., Vasil'ev A.A. Ispol'zovanie metoda minimizatsii svobodnoi energii dlya izucheniya metallurgicheskikh protsessov [Using method of spare energy minimization for the metallurgical processes study]. Vestnik Irkutskogo gosudarst-vennogo tekhnicheskogo universiteta - The Bulletin of Irkutsk State Technical University, 2014, no. 3 (86), pp. 151-158.
7. Nemchinova N.V., Bel'skii S.S., Timofeev A.K. Issledovanie protsessa karbotermicheskogo polucheniya kremniya v elektrodugovykh pechakh [The investigation of the process of silicon carbothermic production in electric arc furnaces]. Tekhnologiya metallov - Metal Technology, 2012, no. 6, pp. 3-9.
8. Nemchinova N.V., Bychinskii V.A., Bel'skii S.S., Klets V.E. Bazovaya fiziko-khimicheskaya model' karbotermicheskoi plavki kremniya [Basic physico-chemical model of silicon carbothermic smelting]. Nonferrous metallurgy transaction. News of higher schools, 2008, no. 4, pp. 56-63.
9. Nemchinova N.V., Klets V.E. Kremnii: svoistva, poluchenie, primenenie [Silicon: properties, production, using]. Irkutsk, ISTU Publ., 2008, 272 p.
10. Certificate № 2011614945, Russian Federation. Programma podgotovki dannykh dlya vvoda v fiziko-khimicheskie modeli tekhnolo-gicheskikh protsessov (versiya 1) [The data preparation program for their input into physico-chemical models of technological processes (version 1)]. Nemchinova N.V., Bel'skii S.S., Timofeev A.K. Applicant and patentee is ISTU, no. 2011613098, stated 29.04.2011, publ. 23.06.2011.
11. Nemchinova N., Kloytz V. Thermodynamic modeling of silicon smelting to improve its quality. Proc. int. scientific conf. «Silicon for the chemical and solar industry ix». Oslo, Tntu publ., pp. 25-36.
Поступило в редакцию 11 ноября 2014 г.
