Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 3

Кирпичнаякладка служит основанием для пакета электродов.Со стороны рабочего пространства печи торец футеруется теплоизоляционными угольными блоками, поверхность которых обмазывается графитовой пастой.Пакет, состоящий из четырех рабочих электродов сечением 400 × 400 мм и длиной1800 мм, выступает внутри печи на 100 мм, а снаружи ‒ на 500 мм. Наружная,выступающая часть используется для крепления контактного устройства.Ходовое устройство печи смонтировано на передней части платформы, передторцом. Оно состоит из мотора, редуктора, вала и зубчатой передачи. В зависимостиот мощности изменяются и размеры печей. Удельная мощность на поверхностикерна с увеличением мощности печи возрастает почти в два раза, также возрастаетудельная мощность на сечении керна.Габариты печей: длина от 7 до 17 м, ширина от 1,8 до 4,0 м, высота от 1,7 до3,0 м.

Основанием печи служит массивная литая подина из огнеупорной стали,чугуна или бетона, а боковыми стенами − чугунные или бетонные плиты с отверстиями для облегчения выхода газов. Основание смонтировано на железнодорожных тележках, что позволяет передвигать ее в соответствии с текущим процессом(загрузка, охлаждение, разгрузка).Одной из особенностей некоторых конструкций печей для производствакарбида кремния, применяемых в зарубежных странах [10], [11], является наличиевнешнего укрытия печи (рис. 1.5), с помощью которого производится сбор и удаление выделяющихся в ходе плавки газов, в первую очередь угарного газа.

Дожигание газов осуществляется в специальных утилизаторах с использованием теплотыгорения этих газов.18В ходе плавки сопротивление сердечника и всей печи в целом непрерывноизменяется.Рисунок 1.5 − Конструкция зарубежной печи Ачесона1.3. Технологический процесс получения карбида кремнияв электрических печахОсновным сырьем для производства карбида кремния служат кварцевый песоки нефтяной кокс. К сырьевым материалам предъявляются высокие требования по чистоте, так как большое содержание примесей (оксиды АI2O3, Fe2O3, СаО) снижает качество и выход годного карбида кремния.

Кроме основных сырьевых материалов вреакционную шихту при загрузке печи добавляются возвратные материалы, полученные19после электротермического процесса, – возвратная шихта и возвратный аморф.Возвратная шихта представляет собой смесь кварцевого песка, прокаленногонефтяного кокса и карбида кремния. Возвратный аморф – мелкокристаллическийкарбид кремния, полученный после сортировки куска карбида кремния.Карбид кремния (КК) выпускается промышленностью в виде двух разновидностей, отличающихся друг от друга цветом (КК зеленый (КЗ) и КК черный (КЧ)),качеством и технологией производства. Кроме вышеперечисленных сырьевыхматериалов при производстве зеленого карбида кремния в шихтовые материалыдобавляется хлорид натрия и опилки. При производстве электротехническогокарбида кремния в шихту добавляют глинозем.Приготовление шихты производится путем весовой дозировки и смешивания всех компонентов.

Шихта в печь загружается в определенной последовательности и слоями определенной величины. По центру вдоль печи между пакетамиэлектродов выкладывается проводник тока из графита (керн). Схема загрузки печи ирасположения блока до начала электротермического процесса представленына рис. 1.6 и 1.7.Реакционная шихтаКернТеплоизоляционная шихтаРисунок 1.6 − Схема загрузки печиПродольный разрез загруженной печи показан на рис. 1.8.Печь находится под током время, требуемое для образования и кристаллизации карбида кремния.

Расход электроэнергии и мощность устанавливаются20технологической картой и фиксируются в карте электрорежима. Продолжительностьплавки в самоходных печах, рассмотренных в разделе 1.2, составляет 24-28 часов.После отключения печь выгоняют для остывания. Печь охлаждается на воздухене менее 36 часов.Реакционная шихтаТеплоизоляционная шихтаБоковые щитыПодинаРисунок 1.7 − Расположение блока до начала электротермического процессаРисунок 1.8 − Продольный разрез загруженной печиПо окончании процесса в печи образуются продукты, располагающиесяконцентрическими зонами вокруг керна и отличающиеся своим химическим и21фазовым составом [12], [13], [14]. За время плавки происходит значительная усадкашихты, в результате чего керн смещается вниз.Расположение конечных продуктов представлено на рис.

1.9 и 1.10Рисунок 1.9 − Разрез печи по окончании плавкиРеакционная шихташихтаБоковые щиты3001709001200240ТеплоизоляционнаяПодина10001650Рисунок 1.10 − Расположение блока по окончании плавки22Первый слой – возвратная шихта, играет роль теплоизолятора. В самоходныхпечах, применяемых на Волжском абразивном заводе, слой возвратной шихты сбоков и подины достигает толщины 35-50 см. Дальше идет слой силоксикона толщиной 3-5 см. При получении в указанных печах карбида кремния зеленого обычнообразуется около 2 т силоксикона, а при получении кремния черного – до 1,5 т.Под слоем силоксикона находится слой сростков толщиной 1-3 см.

Затем идетслой аморфа толщиной 5-8 см. Под слоем аморфа располагается слой карбидакремния. Его толщина в разных частях печи различна: наибольшая – с боков блока исверху, наименьшая – снизу. Толщина слоя карбида кремния зеленого составляет:сверху 18-23 см, сбоку 22-25 см и снизу 13-15 см. Толщина слоя карбида кремниячерного составляет: сверху 25-32 см, сбоку 28-40 см и снизу 18-22 см. Такие различия объясняются тепловым режимом плавки.

Внизу менее благоприятные условиядля образования карбида кремния из-за худшей газопроводимости шихты и пода.В среднем за одну плавку получают 5 т аморфа при производстве черного карбидакремния и 3,0-3,5 т при производстве зеленого карбида кремния.После слоя карбида кремния идет слой графита толщиной от 2 до 12 см.Графит образуется в результате разложения карбида кремния. Чаще всего разложениенаблюдается в печах, прошедших плавку на высоком токе и низком напряжении.В центре концентрических слоев вышеперечисленных продуктов расположенкерн. С печи снимают до 1,5-1,8 т кернового материала.

Загруженный в керн новыйнефтяной кокс под действием высокой температуры (2500 °С) графитизируется ииспользуется в последующих плавках.Полученные в процессе разборки печи и сортировки блока непрореагировавшая шихта, керновый материал и аморфный карбид кремния после соответствующей переработки снова возвращаются в процесс.Возвратные материалы в производстве черного, зеленого и электротехнического карбида кремния имеют различный состав, поэтому перерабатываются иприменяются раздельно при производстве соответствующих видов карбида кремния.23Известен еще один способ получения карбида кремния путем электронагреваприродной горной породы – шунгита, содержащего оксид кремния и углерод, при1600-1800 °С в вакуумной печи при остаточном давлении в ее рабочем пространстве 0,25-1,3 кПа [15].Получение достигается также тем, что шунгит нагревают до температуры1600-1800 °C со скоростью 200-300 град/ч, выдерживают при указанной температуре в течение 1-2 часов, а затем охлаждают с сохранением в печи остаточногодавления в пределах 0,25-1,3 кПа.В процессе нагрева шунгита при пониженном давлении благодаря непрерывному удалению выделяющегося монооксида углерода из рабочего пространства печи ускоряется протекание следующих реакций карбидообразования:SiO2 + C = SiO + CO,(1.6)SiO + C = SiC + CO,(1.7)SiO + C = Si + CO,(1.8)Si + C = SiC.(1.9)Это позволяет снизить температуру нагрева шунгита и существенно уменьшить длительность процесса.

Снижение верхнего температурного предела нагревадо 1800 °C предотвращает реакцию диссоциации карбида кремния на кремний иуглерод, которая начинается при температуре 1800 °C, и уменьшает выход годногокарбида кремния, снижая качество получаемого продукта.Указанные пределы остаточного давления в рабочем пространстве нагревательной вакуумной печи получены опытным путем. Понижение давления в печиниже 0,25 кПа приводит к перерасходу электроэнергии на создание разряжения впечи и уже не оказывает существенного влияния на ускорение реакций карбидообразования, а при увеличении остаточного давления в печи выше 1,3 кПа начинаетсязаметное окисление нагревательных графитовых элементов, а также углерода шунгита,что снижает ресурс работоспособности печи и выход карбида кремния.Нагрев шунгита со скоростью 200-300 град/ч до температуры 1600-1800 °Cобеспечивает равномерный прогрев всей нагреваемой массы шунгитов до заданной24температуры за минимальное время.

Более быстрый нагрев приводит к неравномерному прогреву шунгита по всему объему, а нагрев с меньшей скоростью увеличивает время нагрева и снижает производительность процесса.Уменьшение времени выдержки шунгита менее 1 часа снижает выход карбида кремния. Выдержка шунгита при температуре 1600-1800 °C в течение 2-х часовобеспечивает полное протекание реакций карбидообразования.

Увеличениевыдержки более 2-х часов приводит к перерасходу электроэнергии. Охлаждениепечи при сохранении в ее рабочем пространстве остаточного давления в пределах0,25-1,3 кПа предотвращает окисление графитовых нагревателей.Недостатком способа является невысокий выход конечного продукта(около 30 %), который обусловлен тем, что в процессе нагрева шунгита при непрерывном удалении выделяющегося монооксида углерода из рабочего пространства печи вместе с ним удаляется и монооксид кремния, что неизбежно ведет кпотерям по кремнию.Производство карбида кремния из шунгита широко в промышенности неиспользуют, и этот технологический процесс в данной работе не рассматривается.Протекание процесса получения карбида кремния в электрических печахсопротивления существенным образом зависит от температуры. При температурах более 1500 °С начинается испарение и диффузия кремнезема со свободныхповерхностей зерен кварца.