Чистота сырьевых материалов является важным технологическим условием получения кремния необходимой марки. При получении 1 т технического электротермического кремния с 2,5–2,6 т кварцита (96–98 % SiO2), 1,20–1,35 т древесного угля (1,45 % золы), 0,14–0,16 т нефтяного кокса (0,71 % золы), 0,2–0,25 т газового угля (13,41 % золы) [1, 2] в печь вносится 119–130 кг золы. При электроплавке шихты практически все железо (98,6 %), Al (93,4 %) ,Ca (86,7 %) восстанавливается и переходит в кристаллический кремний [3]. Поэтому он имеет ΣFe, Al, Ca до 4,5 % [4]. Улучшить чистоту технического кремния можно, если использовать сырье с низким содержанием примесей, например прозрачное и непрозрачное кварцевое стекло (99,5–99,94 % SiO2) и прокаленную алюминиевую пудру. Наши исследования с использованием кварцевого стекла и алюминиевой пудры для получения кристаллического кремния показали перспективность этого направления [1, 5]. Предварительным технологическим процессом получения кремния предложенным методом является получение спрессованных таблеток из кварцевого стекла и высокодисперсной алюминиевой пудры. В статье приводятся результаты исследований по влиянию размера кварцевого зерна, количества алюминиевой пудры и давления прессования на прочность таблеток.
Химический состав исходных компонентов приведен в табл. 1, 2.
Таблица 1
Химический состав непрозрачного кварцевого стекла
|
Оксиды |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
|
Содержание, % |
99,6 |
0,2 |
0,06 |
0,1 |
0,04 |
Таблица 2
Химический состав прокаленной алюминиевой пудры
|
Элемент |
Al |
Fe |
Si |
Cu |
Mn |
|
Содержание, % |
99,13 |
0,40 |
0,3 |
0,05 |
0,12 |
Кварцевое стекло предварительно дробилось в щековой дробилке до фракции 1–55 мм и затем измельчалось на вибромельнице в течение 30 минут. Полученный порошок просеивался на ситах до необходимых фракций. Измельченные кварцевое стекло и алюминиевая пудра смешивались в необходимых количествах в вибромельнице в течение 20–25 минут до получения однородной смеси. Для получения таблеток смесь из кварцевого стекла и алюминиевой пудры (≈ 25 г) набивалась в пресс-форму и помещалась в гидравлический пресс. Уплотнение смеси проводили при различном давлении в зависимости от условий опыта. Размер спрессованных таблеток: диаметр 40 мм, высота 4 мм. Прочность таблеток определялась с помощью гидравлического пресса.
Исследования проводили методом планирования эксперимента с использованием рототабельных планов второго порядка [6]. Независимыми факторами были: давление прессования (Р, МПа), размер кварцевого стекла (d, мм), избыток алюминиевой пудры (Al, доля от стехиометрии). Параметр оптимизации – прочность спрессованных таблеток (П, кг/см2). Оптимальные условия формирования прочных таблеток находили методом построения объемной поверхности отклика и ее горизонтальных разрезов [7].
Матрица планирования экспериментов и их результаты показаны в табл. 3. На основании полученных результатов было получено следующее адекватное уравнение регрессии:
П = – 2,544 + 0,769·Р + 5,05·d + 3,616·Al – – 0,039P2 – 3,995·d2 – 0,328·al2 – – 0,373·P·d – 0,173·P·Al – 3,472·d·Al. (1)
На рис. 1 приведено объемное изображение поверхности отклика и ее горизонтальные разрезы при расходе алюминиевой пудры в 0,6 от стехиометрии, а на рис. 2 горизонтальные разрезы при расходе пудры 0,76, 1,0, 1,24 и 1,4 от стехиометрии.
А Б
Цифры на линиях – прочность, кг/см2 А – объемное изображение поверхности отклика, Б – горизонтальные разрезы поверхности отклика Рис. 1. Влияние давления прессования и размера кварцевого зерна на прочность при количестве алюминиевой пудры 0,6
Из рис. 1, 2 следует, что независимо от количества алюминиевой пудры уменьшение размера кварцевого стекла позволяет увеличить прочность спрессованных таблеток, а уменьшение давления прессования напротив уменьшает прочность таблеток. Из рис. 1 следует, что при 60 % количестве алюминиевой пудры формируются таблетки прочностью 3,7 кг/см2, а при 80 % количестве алюминиевой пудры – 4,4 кг/см2. При увеличении давления прессования прочность брикетов увеличивается.
Таблица 3
Матрица планирования экспериментов и их результаты
|
№ опыта |
Кодированный вид |
Натуральный вид |
Прочность П, кг/см2 |
||||
|
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Р, МПа |
dSiO2, мм |
Al, доли |
||
|
1 |
1 |
1 |
1 |
6,0 |
0,66 |
1,24 |
3,25 |
|
2 |
–1 |
1 |
1 |
3,0 |
0,66 |
1,24 |
2,12 |
|
3 |
1 |
–1 |
1 |
6,0 |
0,24 |
1,24 |
5,31 |
|
4 |
–1 |
–1 |
1 |
3,0 |
0,24 |
1,24 |
3,75 |
|
5 |
1 |
1 |
–1 |
6,0 |
0,66 |
0,76 |
2,35 |
|
6 |
–1 |
1 |
–1 |
3,0 |
0,66 |
0,76 |
1,51 |
|
7 |
1 |
–1 |
–1 |
6,0 |
0,24 |
0,76 |
3,75 |
|
8 |
–1 |
–1 |
–1 |
3,0 |
0,24 |
0,76 |
2,40 |
|
9 |
1,68 |
0 |
0 |
7,0 |
0,45 |
1,0 |
4,25 |
|
10 |
–1,68 |
0 |
0 |
2,0 |
0,45 |
1,0 |
1,98 |
|
11 |
0 |
1,68 |
0 |
4,5 |
0,8 |
1,0 |
1,49 |
|
12 |
0 |
–1,68 |
0 |
4,5 |
0,1 |
1,0 |
4,24 |
|
13 |
0 |
0 |
1,68 |
4,5 |
0,45 |
1,4 |
4,12 |
|
14 |
0 |
0 |
–1,68 |
4,5 |
0,45 |
0,6 |
2,50 |
|
15 |
0 |
0 |
0 |
4,5 |
0,45 |
1,0 |
3,37 |
|
16 |
0 |
0 |
0 |
4,5 |
0,45 |
1,0 |
3,35 |
|
17 |
0 |
0 |
0 |
4,5 |
0,45 |
1,0 |
3,30 |
|
18 |
0 |
0 |
0 |
4,5 |
0,45 |
1,0 |
3,39 |
|
19 |
0 |
0 |
0 |
4,5 |
0,45 |
1,0 |
3,29 |
|
20 |
0 |
0 |
0 |
4,5 |
0,45 |
1,0 |
3,40 |
Таблица 4
Условия получения таблеток максимальной прочности
|
Al, доли |
d,мм |
Р, МПа |
П, кг/см2 |
Область на рис. 2 |
|
0,76 |
0,1–0,34 |
7,0–6,0 |
4,0–4,4 |
abc |
|
1,0 |
0,1–0,30 |
7,0–4,5 |
4,7–5,7 |
fln |
|
1,24 |
0,1–0,30 |
7,0–3,8 |
5,3–6,1 |
meo |
|
1,4 |
0,1–0,30 |
7,0–3,1 |
5,9–6,8 |
xyz |
В табл. 4 приводится информация, полученная из рис. 2 о влиянии переменных факторов на прочность спрессованных таблеток, из которой следует, что таблетки прочностью 5,9–6,8 кг/см2 формируются при избытке алюминиевой пудры в 1,4 раза, крупностью зерна кварцевого стекла 0,1–0,3 мм и давлении прессования 5,2–7,0 МПа.
I II
III IV
Цифры на линиях – прочность, кг/см2 Количество алюминиевой пудры I-0,76, II-1, III-1,24, IV-1,4 Рис. 2. Влияние давления прессования и размера кварцевого зерна на прочность
Необходимо отметить, что при увеличении давления прессования более 7,0 МПа прочность таблеток резко снижается. Так при d = 0,1 мм, Al = 1,0 увеличение давления прессования до 9,0 МПа привело к уменьшению прочности таблетки до 2,8–3,0 кг/см2.
Условия пресования таблетки должны обеспечивать не только необходимую прочность при транспортировке ее от прессса до реактора восстановления, но и обеспечивать высокую степень восстановления кремния. Поэтому следующим этапом работы будут исследования влияния различных факторов, в том числе и прочности таблетки на восстановление Si из кварцевого стекла.
На основании полученных результатов установлено, что:
– прочность спрессованной шихты из кварцевого стекла и алюминиевой пудры возрастает при уменьшении размера кварцевого стекла, давления прессования и количества алюминиевой пудры;
– таблетки прочностью 5,9–6,8 кг/см2 формируются при размере кварцевого зерна 0,1–0,3 мм, давлении прессования 3,1–7,0 МПа и избытке алюминиевой пудры в 1,4 раза;
– увеличение давления прессования от 7 МПа до 9 МПа приводит к уменьшению прочности таблетки до 2,8–3,0 кг/см2;
– для определения оптимальной прочности таблетки необходимо продолжение исследований по влиянию ее прочности на степень восстановления Si из кварцевого стекла.