Раздел 18. Производство карбида кремния

Раздел 18. Производство карбида кремния

Карбид кремния (SiC) применяется в следующих областях:

- твердотельная электроника и электротехника;

- режущие и абразивные инструменты, шлифовальные материалы;

- автомобильная промышленность (тормозные диски);

- высокопрочные композитные материалы, огнеупорные изделия;

- металлургическая промышленность;

- ювелирные изделия.

В зависимости от назначения производимый карбид кремния имеет различный гранулометрический и химический состав. Размер частиц во фракциях может колебаться от 1 мкм до 15 мм, а содержание SiC может находиться в пределах 88,0-98,5 % мас. (остальное - Fe, C).

Карбид кремния получают восстановлением диоксида кремния углеродом в электропечах.

18.1 Описание технологических процессов, используемых в производстве карбида кремния

Промышленный процесс получения карбида кремния заключается во взаимодействии оксида кремния с углеродом. Тип химической реакции - восстановление, при этом происходит замещение атомов кислорода атомами кремния при высокой температуре. Реакция образования карбида кремния имеет вид:

SiO ₂ + 3C SiC + 2CO.

Карбид кремния получают при температуре около 2200 °C. При проведении основной реакции получения карбида кремния при нагреве сырьевых продуктов идут сопутствующие окислительно-восстановительные реакции. При этом происходит окисление части кокса и содержащейся в нем серы, а также окисление азота воздуха:

2C + 2О ₂ 2CO + СО ₂

2CO + C 2C + СО ₂

S + О ₂ SО ₂

N ₂ + О ₂ 2NО

2NО + О ₂ 2NО ₂.

При нагреве кокса (нефтекокса) происходит выделение водорода, который участвует в образовании сероводорода. При этом выделяются углеводороды (предельные С ₁ - С ₁₀) и ряд органических соединений.

Основным сырьем для производства карбида кремния являются кварцевый песок и кокс.

Основные этапы технологического процесса:

- подготовка нефтяного кокса;

- приготовление шихты;

- подготовка и загрузка печей сопротивления;

- электротермический процесс;

- разборка печей с предварительным поливом водой в щитах;

- сортировка и дробление карбида кремния.

Технологическая схема производства приведена на рисунке 18.1.

Рисунок 18.1 - Принципиальная схема производства карбида кремния

Получают карбид кремния в электропечи особой конструкции. Для превращения электрической энергии в тепловую в центральной части печи загружается токопроводящий слой углеродистого материала, выполняющий функции одного из электродов. Таким образом, загруженная сырьевая масса шихты и является нагрузкой (сопротивлением) электрической цепи. Превращение электрической энергии в тепловую производится в закрытом объеме ячейки плавления без доступа достаточного количества кислорода воздуха для горения углеродсодержащих материалов. Это позволяет получать в электрических печах высокие температуры без значительного окисления углерода (выгорания), который является одним из основных продуктов в процессе получения карбида кремния.

Шихта для его получения состоит из измельченных и тщательно перемешанных компонентов: кварцевый песок, кокс (нефтекокс), возвратные материалы (рецикл): непрореагировавшая шихта, аморф (карбид кремния аморфной структуры).

После электротермического процесса печи охлаждаются не менее 30 ч на участке воздушного охлаждения цеха (отстой на открытой площадке). Далее печи поступают на водяное охлаждение (полив) в закрытых душирующих камерах. Полив печи значительно уменьшает выделение и выброс пыли карбида кремния в атмосферу и воздух рабочей зоны при разборке, сортировке и очистке печи сопротивления от шихты на соответствующих участках цеха.

Полученный и отсортированный карбид кремния транспортируется для дальнейшего дробления и классифицирования на различные фракции, затем упаковывается для реализации потребителю.

Возвратная шихта, аморф и графит (восполняемый при реакции центральный токопроводящий слой - электрод) снова подаются на участок загрузки печей. Печь транспортируется на участок загрузки для зачистки подины и последующей загрузки шихтовыми материалами для дальнейшего производства карбида кремния.

Описание технологического процесса приведено в таблице 18.1, перечень основного оборудования - в таблице 18.2.

Таблица 18.1 - Описание технологического процесса производства карбида кремния

Входной поток	Стадия технологического процесса	Выходной поток		Основное технологическое оборудование	Природоохранное оборудование
		Продукты и полупродукты	Эмиссии
1	2	3.1	3.2	4	5
Песок кварцевый	Дозирование кварцевого песка	Песок кварцевый	Пыль	Бункер, вибропитатель
Нефтяной кокс	Дробление нефтяного кокса	Дробленый нефтяной кокс	Пыль	Дробилка	Батарейный циклон
Дробленый нефтяной кокс	Дозирование нефтяного кокса	Дробленый нефтяной кокс	Пыль	Бункер, вибропитатель	Батарейный циклон
Возвратные материалы со стадии сортировки	Дозирование возвратных материалов	Возвратные материалы	Пыль	Бункер, вибропитатель
Песок кварцевый Дробленый нефтяной кокс Возвратные материалы	Смешение	Шихта	Пыль	-
Шихта	Электротермический процесс (плавка)	Кусок карбида кремния	Азота диоксид Азота оксид Сероводород Серы диоксид Бензапирен	Самоходная печь сопротивления
Кусок карбида кремния	Сортировка	Карбид кремния на дробление Возвратные материалы на смешение	Пыль	-	Циклон
Сортированный карбид кремния	Дробление	Дробленый карбид кремния	Пыль	-	Циклон
Дробленый карбид кремния	Сушка и классификация	Фракции карбида кремния на упаковку	Пыль	-	Циклон

Таблица 18.2 - Перечень основного оборудования производства карбида кремния

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Бункеры	Прием и подача сырья	Объем 30-40 м 3
Питатели	Подача сырья	Пластинчатые, тарельчатые, вибрационные
Виброгрохоты	Фракционирование материала	Грохот
Дробилки	Дробление материала	Валковые, двухвалковые, щековые
Конвейеры ленточные	Транспортирование материалов	-
Дозаторы	Дозирование сырья	Весовой ленточный дозатор
Смеситель	Смешение сырья	Производительность 95 м 3/ч
Печи сопротивления	Плавление	Передвижные

18.2 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в окружающую среду при производстве карбида кремния

Нормы расходов материальных и энергетических ресурсов приведены в таблице 18.3.

Таблица 18.3 - Показатели потребления сырья, материалов и энергетических ресурсов при производстве карбида кремния

Наименование ресурсов	Единица измерения	Расход на 1 тонну карбида кремния
		Минимальный	Максимальный
Нефтяной кокс	кг	1100	2250
Кварцевый песок	кг	1450	2850
Соль пищевая поваренная	кг	500	800
Опилки древесные	кг	195	300
Глинозем	кг	70	100
Кирпич шамотный	кг	3	5
Вода хоз-питьевая	м 3	3	8
Электроэнергия		5,39	11,7

Выбросы в атмосферу при производстве карбида кремния приведены в таблице 18.4.

Таблица 18.4 - Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу при производстве карбида кремния

Источники выбросов	Наименование загрязняющего вещества	Метод очистки, обработки, повторного использования	Масса выбросов загрязняющих веществ после очистки в расчете на 1 тонну карбида кремния, кг/т
			минимальное значение	максимальное значение	среднее значение
Печи сопротивления, ячейки водяного охлаждения	Азота диоксид	-	0,565	0,958	0,75
	Азота оксид	-	0,28	0,464	0,375
Печи сопротивления	Бензапирен	-	0,00018	0,0003	0,00023
Дробилки, транспортеры, узлы перегрузки материала, узлы выгрузки и загрузки, выгрузка пыли из циклонов, аспирационных коллекторов, открытый склад материалов, печи сопротивления, ячейки водяного охлаждения	Пыль неорганическая с содержанием кремния менее 20, 20-70, а также более 70 %	Сухая газоочистка	5,347	8,849	7,17
Печи сопротивления, ячейки водяного охлаждения	Сероводород	-	3,3	5,55	4,46
	Серы диоксид	-	6,52	10,8	8,66
	Углерода оксид	-	431,4	718,8	575,1
	Углеводороды предельные C 1 - C 5 (исключая метан)	-	9,9	16,5	13,2
	Углеводороды предельные C 12 - C 19	-	9,9	16,5	13,2
	Бензол	-	0,27	0,45	0,36
	Диметилбензол (ксилол) (смесь мета-, орто- и параизомеров)	-	0,73	1,22	0,975
	Метилбензол (толуол)	-	2,1	3,51	2,81
	Этилбензол (стирол) Ароматические полициклические углеводороды	-	0,0125	0,47	0,0625

Промышленные сточные воды, ливневые и талые воды с территории предприятия отводятся на очистные сооружения предприятия. Очистка поступивших сточных вод осуществляется по двум линиям горизонтальных отстойников, работающих поочередно. Для механической очистки (отстаивания) сточных вод применяется коагулянт, для более полного осаждения взвешенных веществ, далее вода поступает на песчано-гравийные фильтры, где проходит окончательную доочистку. Затем вода собирается в приемную камеру насосной станции и далее вновь включается в технологические процессы.

Для очистки отстойников применяется козловой кран, грейфером осадок - шлам (тонкозернистый концентрат карбида кремния, содержание карбида кремния от 60 до 80 %) грузится на автотранспорт и вывозится на участок сушки.

Тонкозернистый концентрат карбида кремния вывозится на площадку для сушки, где предусмотрена дренажная система для удаления сточной воды из шламового осадка. Далее тонкозернистый концентрат карбида кремния отгружается потребителю навалом или упаковывается в мягкие контейнеры (биг-бег).

Угольная и графитная пыль, улавливаемая циклонами на стадии подготовки нефтяного кокса и стадии сортировки и дробления карбида кремния, используется вторично. Возвратная шихта со стадии производства карбида кремния на передвижных печах сопротивления также направляется на вторичное использование.

Характеристика отходов производства карбида кремния приведена в таблице 18.5.

Таблица 18.5 - Отходы производства карбида кремния

Наименование	Класс опасности	Источник образования	Способ утилизации, обезвреживания, размещения	Масса образующихся отходов производства, кг/т
				Минимальное значение	Максимальное значение	Среднее значение
Лом шамотного кирпича незагрязненного	-	-	Наземный полигон для захоронения производственных отходов	-	11,25	-
Лом железобетонных изделий, отходы железобетона в кусковой форме	-	-	Наземный полигон для захоронения производственных отходов	-	17,5	-