ИТС 11-2019 Производство алюминия

     1.3.2 Анализ приоритетных проблем при производстве кремния

На территории бывшего СССР кремний был впервые получен на Днепровском алюминиевом заводе в 1938 году. В заводских условиях для плавки технического кремния были опробованы кварциты различных месторождений и выполнена оценка пригодности некоторых углеродистых восстановителей - древесного угля, нефтяного и пекового коксов, торфяного кокса и других. Были найдены оптимальные объемные соотношения восстановителя и кварцита, разработана в промышленных масштабах технология получения кристаллического кремния технической чистоты. На этом же заводе впервые опробован непрерывный выпуск кремния из печей - способ, который в годы Великой Отечественной войны был окончательно освоен на Уральском алюминиевом заводе.

Производство электротермического получения кремния - энергоемкий процесс.

В связи с этим основные мощности производства кремния технической чистоты расположены вблизи районов, обладающих относительно дешевыми топливно- энергетическими ресурсами.

Необходимость оптимизации производства технического кремния связана с ростом потребности в нем многих отраслей отечественной промышленности. Повышение требований к качеству продукции, интенсификация технологических процессов, переход к ресурсосберегающему, экологически чистому производству неразрывно требуют внедрения научных достижений в практику.

Основные тенденции научно-технического прогресса направлены на значительное уменьшение веса машин и металлоконструкций, повышение их долговечности за счёт применения алюминиево-кремниевых сплавов, создание новейших приборов высокой надежности на базе кремниевой полупроводниковой техники. Разработка новых видов композиционных органических полимерных материалов на основе кремнийорганических соединений с уникальными свойствами привела в последние годы к резкому увеличению производства и потребления кремния.

В области производства технического кремния РФ имеет богатый научно-технический потенциал, обеспечивающий технологические показатели по расходу сырья и электроэнергии на уровне лучших зарубежных технологий.

В то же время развитие производства кремния сдерживается рядом факторов, в том числе:

- качеством рудного сырья, дефицитом и высокой стоимостью углеродистых восстановителей;

- несовершенством существующих систем подготовки сырья, недостаточно высоким уровнем как самой технологии, так используемого оборудования, в том числе и газоочистного;

- отсутствием в ВУЗах кафедр со специализацией по производству кремния.

Медленно внедряются имеющиеся отечественные и передовые зарубежные разработки, позволяющие обеспечить требования технологии к сырью по таким параметрам, как реакционная способность, механическая прочность, термостойкость, удельное электрическое сопротивление и другие. Однако резервы дальнейшего повышения технической, экономической и экологической эффективности производства имеются.

Интенсификация электротермического производства кремния возможна за счет повышения извлечения целевого компонента и снижения расхода энергии и сырья, при использовании новых видов шихтовых материалов и композиций из них, обладающих улучшенными технологическими характеристиками.

Одним из них является метод окускования мелкодисперсного сырья. Практическая реализация технологии выплавки кремния с применением агломерированной шихты позволит расширить сырьевую базу производства и решить ряд экологических проблем благодаря возможности использования кварцевых песков, утилизации дисперсных кремнезем- и углеродсодержащих вторичных материалов и брикетирования коксовой мелочи после обогащения.

Необходимо проведение исследований по поиску оптимальных составов шихты и физико-химических характеристик составляющих шихту компонентов. Одна из основных задач совершенствования технологического процесса получения кремния заключается в организации условий, обеспечивающих оптимальные режимы процессов газификации кремнезема. Данные режимы в основном определяются возможностью более полного использования газообразного монооксида кремния в реакциях образования и разрушения карбида кремния, а также максимальной скоростью разрушения SiC(т) с образованием элементарного кремния в высокотемпературной реакционной зоне электропечи.

Проблемой улучшения технологии электротермического производства кремния является низкое извлечение полезного компонента, обусловленное повышенными потерями кремния, выносимого из печи потоком отходящих газов. Решение экологических проблем достигается за счет увеличения эффективности ГОУ, применения современных аппаратов газоочистки, аспирационных систем, повышением качества, производимого микрокремнезема для гарантированной его реализации потребителям вместо утилизации на ПБО.

Древесный уголь - высококачественный углеродистый восстановитель. Имеется тенденция к снижению его применения в электротермических процессах - не только по причине высокой стоимости, но и по экологическим аспектам его производства (вырубка лесов, проблема утилизации вторичных продуктов пиролиза). Однако в настоящее время полностью исключить из технологического процесса древесный уголь на предприятиях Компании не представляется возможным до решения вопроса создания надежной сырьевой базы углеродистых материалов.

Ведутся разработки по внедрению в металлургию кремния таких углеродистых восстановителей, как буроугольный кокс, реакционная способность которого соизмерима с реакционной способностью древесного угля.

Перспективно окускование (брикетирование, агломерация или окомкование) смесей мелкозернистых кремнеземсодержащего и углеродистого материалов. Исследования показывают, что организация передела по получению окускованной шихты в составе электротермических цехов поможет решить не только сырьевую проблему за счет вовлечения в производство дешевого техногенного сырья, но и позволит интенсифицировать процесс карботермического восстановления кремния, снизить удельные расходы сырья и электроэнергии, поднять извлечение кремния и, как следствие, снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.

Таким образом, современная тенденция развития производства технического кремния - это поиск и внедрение высокоэффективных технологий с одновременным обеспечением безопасности окружающей среды.