Раздел 1. Общая информация о рассматриваемой отрасли промышленности и отраслевой проблеме

Раздел 1. Общая информация о рассматриваемой отрасли промышленности и отраслевой проблеме

1.1 Общие сведения

1.1.1 Алюминий

Алюминий - химический элемент III группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, легкий и пластичный металл матово-серебристого цвета. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде.

Плотность (при нормальных условиях) - 2,69 г/см ³, электропроводность - 37 x 10 ⁶ См/м.

Уникальные свойства алюминия:

- на воздухе моментально образует оксидную защитную пленку, которая способствует высокой коррозионной стойкости металла;

- низкая плотность при высокой прочности;

- неизменность свойств при низких температурах.

Алюминий обладает амфотерными свойствами, т.е., реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии с щелочами - алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах, а также в щелочах, но концентрированная азотная и органическая кислоты на алюминий не действуют.

Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от количества примесей в алюминии, его предварительной механической обработки и температуры. С увеличением содержания примесей прочностные свойства алюминия растут, а пластичные снижаются, причем эти свойства проявляются даже при изменении чистоты алюминия от 99,5 до 99,0 %.

Благодаря таким свойствам, как малая плотность, высокая теплопроводность, низкое электрическое сопротивление, высокая пластичность, коррозионная стойкость, алюминий получил исключительно широкое распространение в различных отраслях современной техники и играет важнейшую роль среди всех цветных металлов.

Чистый технический алюминий используется в электротехнике в качестве проводникового материала и для производства фольги. Основная часть алюминия применяется в виде литейных и деформируемых сплавов и сравнительно небольшое количество алюминия - в виде порошков.

К основным областям применения алюминия и его сплавов относятся аэрокосмическая промышленность, строительство, высокоскоростной железнодорожный и водный транспорт, автомобилестроение (корпуса двигателей, кузовные детали и трансмиссия), электротехника, машины и турбинная техника, упаковка пищевых продуктов и напитков, криотехника, пиротехника и ракетное топливо, пищевая промышленность.

Практически единственным методом получения металлического алюминия является электролиз криолито-глиноземного расплава. Основное сырье для этого процесса - глинозем (Al ₂O ₃) - получают различными гидрохимическими методами путем переработки минералов, содержащих соединения алюминия.

Современное получение алюминия осуществляется путем электролитического разложения глинозема (Al ₂O ₃), растворенного в электролите (расплавленный криолит (Na ₃AlF ₆)). Технологический процесс осуществляется при 950-965 °C в электролизных ваннах (электролизерах). В целом процесс разложения глинозема в электролизерах можно представить в виде формул:

Al ₂O ₃ + 1,5C 2Al + 1,5CO ₂,

Al ₂O ₃ + 3C 2Al + 3CO.

Суммарную реакцию можно записать в виде

Al ₂O ₃ + xC = 2Al + (3 - x)CO ₂ + (2x - 3)CO

или представить ее как сумму трех реакций:

Al ₂O ₃ 2Al + 1,5O ₂,

C + O ₂ CO ₂,

C + 0,5O ₂ CO.

Основным исходным сырьем криолит-глиноземного расплава являются глинозем (Al ₂O ₃), фтористый алюминий (AlF ₃) и криолит (Na ₃AlF ₆). Кроме того, в электролите всегда присутствует фтористый кальций (CaF ₂), снижающий температуру кристаллизации электролита, что позволяет проводить процесс электролиза при более низкой температуре.

Технологический процесс в алюминиевом электролизере - сложный комплекс взаимосвязанных химических, физико-химических и физических процессов.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде - кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда его периодически извлекают.

Рентабельность производства алюминия определяется доступностью и ценой электроэнергии, наличием сырьевых компонентов и их качеством.

В таблице 1.1 представлены действующие в Российской Федерации предприятия алюминиевой промышленности, год ввода в эксплуатацию, производительность и применяемые технологии электролиза. Их географическое расположение представлено на рисунке 1.2.

Таблица 1.1 - Перечень предприятий алюминиевой промышленности Российской Федерации

Завод	Место расположения	Год ввода в эксплуатацию
КАЗ "РУСАЛ Кандалакша"	Мурманская область, г. Кандалакша	1951
НкАЗ АО "РУСАЛ Новокузнецк"	Кемеровская область, г. Новокузнецк	1943
КрАЗ АО "РУСАЛ Красноярск"	Красноярский край, г. Красноярск	1964
БрАЗ ПАО "РУСАЛ Братск"	Иркутская область, г. Братск	1966
САЗ АО "РУСАЛ Саяногорск"	Республика Хакасия, г. Саяногорск	1985, 2006
ИркАЗ Филиал ПАО "РУСАЛ Братск" в г. Шелехове	Иркутская область, г. Шелехов	1960
ВгАЗ "РУСАЛ Волгоград"	г. Волгоград	1959
БоАЗ ЗАО "Богучанский алюминиевый завод"	Красноярский край, Богучанский район	2015
АГК АО "РУСАЛ Ачинск"	Красноярский край, г. Ачинск	1970
Пикалевский глиноземный завод ("Базэл Цемент Пикалево")	Ленинградская область, г. Пикалево	1959
БАЗ 1 "РУСАЛ Краснотурьинск"	Свердловская область, г. Краснотурьинск	1943
УАЗ 2 "РУСАЛ Каменск-Уральский"	Свердловская область, г. Каменск-Уральский	1939

1.1.2 Кремний

Кремний - химический элемент с порядковым номером 14 третьего периода главной подгруппы IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Кремний - металлоид темно-серого цвета, обладающий обычно металлическим блеском, твердый и хрупкий. Плотность (при нормальных условиях) - 2,33 г/см ³, температура плавления - 1414 °C; электропроводность - 37 x 10 ⁶ См/м. Известен также аморфный кремний - бурый тонкодисперсный порошок. Элементарный кремний (в аморфном состоянии) впервые получен в 1823 году шведским ученым Берцелиусом, а в кристаллическом виде - французским химиком Сент-Клер Девилем в 1855 году.

Содержание кремния в земной коре составляет 27,6 %. Кремний входит в состав большинства горных пород; главные минералы - кремнезем и силикаты.

При обычных условиях кремний инертен и стоек к химическим воздействиям.

С простыми веществами (кроме фтора) взаимодействует лишь при нагревании, проявляя чаще всего восстановительные свойства.

Основная масса выплавляемого кремния предназначена для металлургического производства, главным образом производства алюминиевых сплавов - силуминов. Широко известны также кремнистые бронзы - кремнистые сплавы на основе меди, в которых присутствие кремния увеличивает прочность, уменьшает пористость за счёт повышенной текучести, что способствует получению плотных отливок. В деталях, работающих на трение при средних нагрузках и скоростях, кремнистые бронзы со свинцом не уступают оловянно-фосфористой бронзе. Бронзы с кремнием и марганцем обладают хорошей коррозионной стойкостью.

Кремний высокой чистоты является типичным полупроводником и представляет исключительный интерес для современной электроники и солнечной энергетики.

Широк диапазон использования кремнийорганических соединений. В них удалось объединить два антипода: кремний - важнейший элемент неорганического мира и углерод, являющийся основой живого. Поэтому полимерные кремнийорганические соединения обладают тепловой и химической устойчивостью в сочетании с эластичностью и растворимостью.

На основе кремнийорганических соединений изготавливают термостойкие смазочные масла, жидкие диэлектрики, лаки, эмали, каучуки, пластмассы, стеклопластики, обладающие наряду с повышенной тепловой и химической стойкостью отличными электроизоляционными свойствами. Кремнийорганические соединения являются основой многих эффективнейших сорбентов, катализаторов, пеногасителей и многих других ценных химических продуктов и материалов.

Примерная структура потребления металлургического (кристаллического) кремния следующая: для производства сплавов используется около 70 % от общего производства; в химической промышленности - около 15 %; для изготовления полупроводниковой техники - 5-7 %; в машиностроении - остальное.

Основным производителем технического кремния в мире (около 65 % от общего выпуска) является Китай. Также в значительных объемах кремний производят Бразилия, США, Норвегия, Франция.

Для производства технического (кристаллического, металлургического) кремния в отечественной и зарубежной промышленности применяется карботермический метод, в основе которого лежит процесс восстановления кремния из кремнезема углеродом в электродуговых печах различной мощности.

Процесс карботермического восстановления кремния обычно описывается обобщенным балансовым уравнением:

SiO ₂ + 2C = Si + 2CO

Теоретическая температура начала взаимодействия диоксида кремния с углеродом равна 1554 °С. Заметный сдвиг равновесия в этой реакции в сторону восстановления кремнезема начинается с 1600 °С. Взаимодействие кремнезема с углеродом интенсивно протекает при температуре более 1670 °С. Фактическое восстановление кремнезема углеродом происходит с образованием промежуточных продуктов.

SiO _2(ж) + C _т = SiO _г + CO _г

(1)

1/2 SiO _г + C _т = 1/2 SiC + 1/2 CO _г

(2)

1/2 SiO _г = 1/4 Si + 1/4 SiO ₂

(3)

1/4 SiO ₂ + 1/2 SiC = 3/4 Si + 1/2 CO

(4)

Возможны и побочные реакции ответвления, например, взаимодействие SiO с SiC.

В процессе карботермического восстановления протекают реакции в различных температурных диапазонах, образующихся по высоте тигля с образованием промежуточных продуктов. Процесс восстановления протекает в зоне низких, средних, высоких температур, подэлектродной области или на колошнике. В процессе восстановления кремния в тигле рудно-термической печи можно условно обозначить четыре основные температурные зоны. Первая зона представляет собой слой не спеченной шихты с температурным диапазоном от температуры шихты на колошнике печи до 1500 °С, вторая зона имеет температурный диапазон 1500-1900 °С (слой спеченной шихты), третья зона (газовая полость тигля) - с температурой более 1900 °С и четвертая зона - гарнисаж (рисунок 1.1).

При изменении трех первых факторов гарнисаж печи меняет свой состав и форму, что может привести к расстройству технологии печи, снижению сортности, зашлакованию печи, образованию трудновыводимых тугоплавких шлаков.

Рисунок 1.1 - Процесс восстановления кремния в тигле рудно-термической печи

1 - зона активного схода шихты (рабочая зона). В этой зоне происходят процессы нагрева шихты и схода шихты в рабочую полость вокруг электрода. 2 - зона замедленного схода шихты. В этой зоне происходит спекание шихты, из шихты уходит связанная влага, летучие соединения восстановителей, начинаются процессы восстановления. 3 - гарнисаж, образуется из тугоплавких соединений, получаемых в процессе плавки (карбидов кремния). Гарнисаж формируется в период пуска рудотермической печи и зависит напрямую от подаваемого в печь состава шихты, электрических режимов ведения плавки, положения электродов и других технологических особенностей процесса восстановительной плавки. 4 - газовая полость. Эта зона формирования источника тепла - электрической дуги. В ней протекают все высокотемпературные процессы и газификация окислов кремния

Рисунок 1.2 - Карта-схема расположения алюминиевых, глиноземных и кремниевых заводов Российской Федерации

1.2 Сырье и материалы, использующиеся при производстве алюминия

1.2.1 Основное сырье при производстве первичного алюминия

Основным сырьем при производстве первичного алюминия являются:

- глинозем (Al ₂O ₃);

- угольная анодная масса (предварительно обожженные угольные блоки);

- фтористые соли, в том числе криолит искусственный технический ("свежий криолит"); фторид алюминия; криолит вторичный (флотационный, получаемый при флотации извлеченной из электролизера угольной пены, и регенерационный, получаемый при химической переработке растворов после их использования для орошения газоочистных аппаратов либо пыли и шлама газоочистки и других твердых отходов).

Глинозем (Al ₂O ₃) представляет собой порошкообразный материал белого цвета с крупностью отдельных частиц в основном от 10 до 120 мкм. Фракционный состав глинозема зависит от свойств гидрата, условий его прокалки и других факторов и на практике колеблется в достаточно широких пределах. Температура плавления Al ₂O ₃ - 2050 °C. Глинозем образует несколько полиморфных разновидностей фаз, имеющих одинаковый химический состав, но различное строение кристаллической решетки и, следовательно, различные физические свойства. Глинозем, используемый для производства алюминия, имеет следующие модификации: -фракция (корунд) - наиболее устойчивая форма оксида алюминия, получаемая при прокаливании гидрооксида алюминия при высокой температуре (1050-1200 °C), обладает высокой твердостью, практически не гигроскопична, имеет малую удельную поверхность; переходные модификации , , , которые образуются при прокаливании гидроксида алюминия при температуре 500-1000 °C. В отличие от -модификации, они имеют весьма развитую удельную поверхность, хорошо поглощают фторид водорода и воду. При дальнейшем их прокаливании при температуре 1050-1200 °C они переходят в -модификацию.

Насыпная плотность глинозема - 0,9-1,1 г/см ³. Угол естественного откоса - 37,5°.

Для получения алюминия необходимой чистоты в глиноземе ограничивается содержание примесей оксидов железа и кремния. Жестко лимитируется содержание примесей оксидов титана, ванадия, хрома и марганца, влияющих на электропроводность получаемого металла, пятиокиси фосфора, которая отрицательно влияет на протекание технологического процесса.

Важное значение имеет ограничение содержания щелочных компонентов (едких щелочей, алюминатов и алюмосиликатов щелочных металлов), условно пересчитываемых при характеристике глинозема на содержание Na ₂О.

Глинозем, выпускаемый отечественной промышленностью, должен содержать, %: не более 0,02-0,05 Fe ₂O ₃; 0,02-0,08 SiO ₂; 0,01-0,03 TiO ₂ + V ₂O ₅ + Cr ₂O3 + MnO; 0,01-0,03 ZnO; Р ₂О ₅ < 0,002.

Массовая доля щелочных компонентов - не более 0,4 % - 0,5 %, а потери при прокаливании - не выше 0,8 %. При большом содержании мелких фракций ( 40 мкм до 60 %) глинозем называют "мучнистым".

Разные марки глинозема, а также его крупность и фазовый состав в значительной мере определяются используемым сырьем и способом производства.

Глинозем "песчаного" типа характеризуется меньшим содержанием -фракции ( 25 %), более крупным и однородным гранулометрическим составом. Такой глинозем обладает повышенной скоростью растворения в электролите, меньше пылит и отличается большей сорбционной способностью к фториду водорода. По содержанию вредных примесей он характеризуется столь же жесткими критериями, как и отечественный глинозем.

Отечественные алюминиевые заводы могут использовать в собственном производстве глинозем как "мучнистого", так и "песчаного" типа.

Трифторид алюминия технический (AlF ₃) представляет собой порошкообразный материал белого, розового или серого цвета крупностью до 150-200 мкм. В ряде случаев содержание фракций 100 мкм составляет 100 %, иногда весь продукт представлен фракцией 40 мкм.

При нагревании фторид алюминия возгоняется без плавления. Температура кипения - 1270 °C. Продукт гигроскопичен, при температурах выше 350 °C начинает активно взаимодействовать с влагой, образуя фторид водорода. В равновесных условиях, при температурах, близких к температуре процесса электролиза 960 °C, трифторид алюминия полностью разлагается водой.

Трифторид алюминия технический содержит не менее 88 % AlF ₃ (основное вещество). Содержание воды для разных сортов составляет от 1,0 % до 3,5 %. Содержание SO ₄ ^2-, соответственно, не превышает 0,5 % - 1,0 %.

Трифторид алюминия в отечественной практике получают (в большинстве случаев) гидрохимическим способом путем варки гидроксида алюминия в плавиковой кислоте с последующей фильтрацией, сушкой и прокалкой (иногда в две стадии). Такой продукт отличается низкой насыпной массой (0,6-0,8 г/см ³), но содержит больше основного вещества (до 95 %).

В зарубежной практике используют трифторид алюминия, получаемый "сухим" способом при взаимодействии в печах кипящего слоя газообразного фторида водорода с активным (-фракция) оксидом алюминия при температуре - 800 °C. Такой продукт характеризуется большей насыпной массой 1,4-1,6 г/см ³, но более низким содержанием основного вещества.

Фторированный глинозем представляет собой отработанный после "сухой" газоочистки электролизных газов глинозем, возвращаемый в электролиз в качестве сырьевого компонента для замены свежего глинозема и снижения потребления фторсолей. Это порошкообразный материал серого цвета, крупность и содержание фракций в нем зависят от исходного свежего глинозема, применяемого для "сухой" ГОУ, которая оказывает незначительное влияние на его состав и свойства.

Отработанный фторированный глинозем, удаляемый из рукавных фильтров установок "сухой" газоочистки, кроме адсорбированного фтористого водорода содержит уловленную из электролизных газов пыль, содержащую твердые фториды, углерод и смолистые вещества (при очистке газов от электролизеров Содерберга).

Для фторированного глинозема характерны небольшие изменения угла естественного откоса, дисперсного состава, величины удельной поверхности и ряда других параметров. Увеличивается содержание примесей (SiO ₂, Fe ₂O ₃, Na ₂O, K ₂O, P ₂O ₅, V ₂O ₅, СаО, MgO, MnO, Cr ₂O ₃, ZnO), однако эти изменения происходят в допустимых пределах, что подтверждается практикой эксплуатации установок сухой очистки газов. В наибольшей степени примесями обогащены мелкие фракции отработанного глинозема (< 10 мкм).

Дисперсный состав фторированного глинозема по сравнению со свежим немного изменяется в сторону увеличения мелких фракций за счет смешения глинозема с электролизной пылью, а также измельчения более крупной фракции при транспортировке и обработке в реакторе (истирания). Увеличение доли мелких фракций может привести к некоторому увеличению расхода глинозема за счет его пыления. Также для снижения пыления в корпусе электролиза подачу отработанного глинозема в электролизеры целесообразно осуществлять через АПГ. В корпусах электролиза, где АПГ отсутствует, во избежание вторичного пылеуноса, а также вторичного образования HF в результате гидролиза фтористых соединений в случае перегрева фторированного глинозема в нижних слоях глиноземной засыпки на корке электролита рекомендуется засыпаемый на корку фторированный глинозем присыпать свежим глиноземом.

В процессе "сухой" газоочистки возможно улавливание глиноземом диоксида серы (SO ₂). Для уменьшения степени улавливания SO ₂ глиноземом целесообразно применять рециркуляцию глинозема в соответствии с технологическим регламентом на проектирование установки.

При адсорбции фтористого водорода глиноземом в установках "сухой" ГОУ происходит изменение структуры последнего, атомы фтора входят в кристаллическую решетку Al ₂O ₃, происходит практически полное замещение атомов кислорода атомами фтора в решетке Al ₂O ₃. Таким образом, использование в технологии электролиза фторированного глинозема позволяет существенно сократить расход фторсолей. Экономия свежего фтористого алюминия при использовании фторированного глинозема может составлять от 6 до 11 кг/т Al.

Исследование потерь фтора при термообработке фторированных глиноземов показало, что фторированный глинозем можно возвращать на корку электролита без опасения вторичного загрязнения фтористым водородом воздуха рабочей зоны.

Отработанный фторированный глинозем с "сухих" ГОУ корпусов электролиза Содерберга, загрязненный смолистыми веществами, при загрузке в электролизеры также не оказывает отрицательного влияния на технологию электролиза и атмосферу в корпусе. Смолистые вещества, содержащиеся в отработанном глиноземе, при загрузке его в электролизеры не выделяются в атмосферу, а разрушаются в результате сгорания.

Криолит искусственный технический. В производственной терминологии "свежий криолит" - фторалюминат натрия переменного состава . Содержит не менее 54 вес. % фтора; модуль n в пределах 1,5-3,0; SO ₄ ^2- - 0,5-1,0 %; вода - 0,2-0,8 %.

В зависимости от криолитового модуля n состоит:

- при n 1,7-3,0 - из смеси криолита () и хиолита ();

- при n < 1,7 - из смеси криолита (), хиолита () и необезвоженного кристаллогидрата трифторида алюминия ().

Криолит () представляет собой порошок белого цвета крупностью до 150 мкм. Температура плавления криолита - 1010 °C.

С увеличением модуля криолита увеличивается температура его плавления, снижаются летучесть и склонность к гидролизу.

Вторичный криолит выпускается алюминиевыми заводами при переработке газообразных и твердых отходов. В зависимости от вида исходного сырья и способа его переработки различают регенерационный и флотационный криолит.

Криолит регенерационный получают из фтористого водорода, содержащегося в анодных газах, либо из твердых отходов (пыль, отработанная футеровка) путем химической обработки. Он представляет собой порошок белого или серого цвета, по химическому составу - криолит с модулем 2,8. Основной вредной примесью является сера в виде двойной соли с содержанием SO ₄ ^2- до 4 %. Содержание фтора - не менее 43 %, влаги - до 1 %. Натрийсодержащие примеси требуют повышенного расхода трифторида алюминия, что сопровождается его гидролизом и загрязнением атмосферы фторидом водорода.

Криолит флотационный получают при флотации угольной пены, извлеченной из электролита действующих электролизеров. Он представляет собой порошок серого цвета. По химическому и фазовому составу не отличается от электролита, однако несколько обогащен углеродом и оксидом алюминия.

Вовлечение в производство продуктов регенерации фторидов позволяет уменьшить потребление свежих солей.

Анодная масса и обожженные аноды. Сырьем для производства анодной массы и обожженных анодов служат электродные каменноугольные пеки и электродные коксы (нефтяные или пековые). Выбор этих видов сырья является неслучайным.

Во-первых, они обладают низкой зольностью (менее 0,5 %), что особенно важно при электролитическом производстве алюминия. Известно, что вредные металлические примеси (железо, кремний, медь, цинк и другие) полностью переходят в электролитический алюминий, снижая его качество.

Во-вторых, анод, образованный из этих материалов, обладает высокой электропроводностью, без чего невозможен подвод тока к зоне электрохимической реакции.

В-третьих, комбинация твердого кокса (наполнителя) и жидкого пека (связующего) позволяет формировать композиционную структуру, физико-механические свойства которой после спекания существенно превосходят как свойства кокса, так и пека по отдельности.

В-четвертых, эти материалы после термообработки обладают исключительно высокими термостойкими свойствами, достаточными для работы в химически агрессивной среде и при температуре 950 °C - 1000 °C.

Анодная масса используется для технологии производства алюминия на электролизерах с самообжигающимися анодами (электролизеры Содерберга). В этом случае угольный анод формируется непосредственно на электролизере и процесс электролиза сопровождается процессом коксования пекококсовой композиции (анодной массы). В анодный кожух электролизера загружают массу, где она расплавляется и по мере сгорания анода, перемещаясь в более горячие зоны, подвергается коксованию. Полученный спеченный массив и представляет собой анод.

Обожженные анодные блоки формируются в специальных цехах и готовыми монтируются на электролизерах, работающих по технологии производства алюминия с предварительно обожженными анодами.

Пеки различаются по маркам в зависимости от температуры размягчения. С повышением температуры размягчения снижается содержание легких фракций, возрастает выход коксового остатка, в результате чего при коксовании анода уменьшается выделение газообразных и жидких продуктов, являющихся источниками образования канцерогенов.

В качестве твердого наполнителя в анодной массе используются нефтяные и пековые коксы, причем первые - в преобладающем количестве. Нефтяные коксы лучше взаимодействуют со связующим (пеком). К составу и качеству электродных коксов предъявляется ряд требований. Для производства анодов и анодной массы требуется прокалка кокса для удаления влаги и части летучих веществ. Содержание в коксах золы и серы должно быть минимальным, так как химические элементы, из которых состоит зола, при электролизе криолито-глиноземных расплавов переходят в металл и ухудшают его качество. Содержание оксида натрия в коксах не должно превышать 0,01-0,06 %, так как повышенное его содержание вызывает резкое увеличение окисляемости и осыпаемости анодной массы.

Одним из ключевых показателей качества кокса могут служить их объемно-структурные характеристики. Они могут выражаться через объемную (кажущуюся) плотность зерен, а также через насыпную плотность прокаленного кокса той или иной фракции. Объемно-структурный анализ позволяет сразу же выделить коксы с плотной структурой, пригодной для анодного производства, и не допустить легкие, пористые коксы с низкими физическими свойствами.

1.2.2 Основное сырье для производства технического кремния

Для промышленного производства кремния используются кремнеземсодержащее сырье и углеродистые восстановители. Рудное сырье характеризуется высоким содержанием основного вещества и низким содержанием шлакообразующих компонентов, вследствие чего электроплавка кремния является практически бесшлаковым процессом. В качестве руды для производства кремния могут использоваться кварц, кварциты и кварцевые пески. Наибольшее распространение получили кварциты, как наиболее доступное, технологичное и относительно дешевое сырье. В качестве углеродных восстановителей используют древесный уголь, низкозольный каменный уголь и каменноугольный концентрат, нефтяной кокс и древесную щепу. Имеется опыт использования в качестве восстановителя полукокса - продукта полукоксования каменных углей, а также других углеродсодержащих материалов, например, карбида кремния и брикетов на основе отсева древесного угля и коксовой мелочи.

К качеству сырья предъявляются требования по содержанию определяющих примесей, реакционной способности, гранулометрическому составу, удельному электрическому сопротивлению. Особенно резко возросли требования к качеству кварцитов в связи с ростом спроса на кремний чистых марок, что вызвало необходимость не только сортировки, но и обогащения рудного сырья на месте добычи. На современных крупных карьерах установлены дробильно-сортировочные фабрики, на которых добытый кварцит предварительно дробится на куски необходимого гранулометрического состава, затем подвергается промывке и разделению по крупности на ситах. Использование дробленого до необходимой фракции и отмытого на месте добычи кварцита имеет ряд экономических преимуществ, выражающихся в снижении транспортных расходов, повышении сортности товарного продукта и снижении удельного расхода кварцита.

1.2.2.1 Кремнезем содержащие материалы

Рудным компонентом шихты при производстве технического кремния служат горные породы с высоким содержанием кремнезема. Самыми распространенными минералами в земной коре являются кварц и кварциты. Известно множество крупных месторождений кремнезема высокой чистоты, представляющих большой интерес для электрометаллургии кремния. Кремнезем (SiO ₂) является однокомпонентной системой, характеризующейся сложным полиморфизмом. Полиморфные превращения кремнезема при повышении температуры могут быть представлены в виде схемы:

Главными полиморфными модификациями кремнезема являются кварц, тридимит и кристобалит. Кварц в виде -формы имеет широкое распространение в природе, как составная часть горных пород, так и в самостоятельном виде. Разновидностями кварца являются горный хрусталь и его разновидности - жильный кварц, аметист, топаз, кварциты и кварцевые пески.

Особое значение для кремниевого производства имеют кремнеземистые, т.е. сцементированные кремнеземом песчаники, называемые кварцитами, обладающие достаточной чистотой для производства технического кремния. Состав примесей в основном определяется оксидами железа, алюминия и кальция. В зависимости от необходимой чистоты в производстве кремния может использоваться кварцит с содержанием кремнезема от 97,0 до 99,6 %.

Кварциты и кварц добываются в основном открытым способом и технологические линии на различных карьерах практически не отличаются. Ниже представлена технологическая линия на примере рудника Черемшанского. Разрыхление вскрышных пород и полезного ископаемого производится с помощью буровзрывных работ. Из забоя кварцитовое сырье (руда) отгружается экскаваторами и перевозится карьерными автосамосвалами для его последующей переработки на дробильно-сортировочную линию (ДСЛ) (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Дробильно-сортировочная линия (ДСЛ)

Кусковой кварцит крупностью до 750 мм из карьера самосвалами подается в приемный бункер. Днищем бункера служит пластинчатый питатель, который транспортирует материал в щековую дробилку. Дробленый материал поступает на конвейер, которым доставляется на инерционный грохот, где производится разделение поступающего на ленточный конвейер материала на фракции: - 20 + 0 мм; - 120 + 20 мм; + 120 мм.

После переработки кусковой кварцит фракции + 20 мм - 120 мм отгружается в железнодорожные вагоны для отправки потребителям, - 20 + 0 мм - в отвал или на продажу не для производства кремния. Содержание мелких фракций - 20 + 0 мм кварцита вызывает неравномерность распределения восходящих из нижних горизонтов шахты печи газовых потоков по горизонтальному сечению колошника, приводит к спеканию и зависанию шихты. В результате способность колошниковой зоны препятствовать выносу за пределы печи пылевидных продуктов, образующихся при конденсации SiO(г), резко снижается, что влечет за собой увеличение расхода электроэнергии и снижение извлечения кремния.

Куски размером + 120 направляются на вторичную переработку. Фракционный состав кварцита может отличаться от указанного в зависимости от мощности печи и свойств восстановителей (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Схема движения кварцитового сырья

Для производства кремния используются кварциты Черемшанского рудника, Глуховского карьера кварцитов, кварца для выпуска чистого кремния и низкосортного кварцита для выпуска нерафинированного кремния других месторождений.

Кварцит Черемшанского месторождения поставляется по техническим условиям. Физико-химические характеристики поставляемого кварцита кускового Черемшанского месторождения должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Физико-химические характеристики кускового кварцита Черемшанского месторождения

Наименование	Единицы измерения	Гарантированные значения	Методы испытаний правила приемки
Массовая доля SiO 2	%	99,500, не менее	* Расчетный
Массовая доля Fe 2O 3	%	0,100, не более	ГОСТ 2642-97
Массовая доля Al 2O 3	%	0,180, не более	ГОСТ 2642-97
Массовая доля TiO 2	%	0,010, не более	ГОСТ 2642-97
Содержание кусков размером 20-100 мм	%	90, не менее	ГОСТ 2715-75
Содержание кусков размером - 20 мм	%	5, не более	ГОСТ 3306-78
Содержание кусков размером + 100 мм	%	5, не более	ГОСТ 2715-75
* Массовая доля оксида кремния рассчитывается, как разность между 100 % и суммой определяемых примесей (Fe 2O 3 + Al 2O 3 + TiO 2).

Марки и химический состав кварцита указаны в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Марки и химический состав кварцита

Марка кварцита	Содержание основного вещества (SiO 2), % не менее	Содержание примесей, % масс
		Fe 2O 3	Al 2O 3	TiO 2
КВ0	99,800	0,04	0,14	0,006
КВ1	99,700	0,07	0,16	0,008
КВ2	99,500	0,10	0,18	0,010
КВ3	99,300	0,15	0,20	0,012
КВ4	99,000	0,20	0,22	0,014
КВС	95,000	не регламентируется	не регламентируется	не регламентируется

Физико-химические характеристики поставляемого низкосортного кварцита кускового должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Физико-химические характеристики кварцита кускового

Наименование показателя	Единицы измерения	Значение показателя	Метод анализа
Массовая доля *:
SiO 2, не менее	%	97,0	ГОСТ 2642.3
Al 2O 3, не более	%	0,6	ГОСТ 2642.4
Fe 2O 3, не более	%	0,3	ГОСТ 2642.5
Массовая доля влаги, не более	%	3,0	ГОСТ 8269.0
Содержание кусков размером:
менее 30 мм, не более	%	10	по п. 4.3-4.7
более 150 мм, не более	%	10	по п. 4.3-4.7

Поставляемый кварц молочно-белый фракции 40-90 мм. Физико-химические характеристики поставляемого кварцита кускового должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Физико-химические характеристики кварцита кускового

Наименование показателя	Ед. измерения	Значение показателя	Метод анализа
Массовая доля *:
SiO 2, не менее	%	99,6	ГОСТ 2642.3
Al 2O 3, не более	%	0,14	ГОСТ 2642.4
Fe 2O 3, не более	%	0,06	ГОСТ 2642.5
CaO, не более	%	0,05	ГОСТ 2642.7
Содержание кусков размером:
менее 40 мм, не более	%	3	п. 1.3 технических условий
более 90 мм, не более	%	3	п. 1.3 технических условий
Примечания: * Общие требования к методам анализа по ГОСТ 2642.0. ** Допускается поставка кварцита иного гранулометрического состава по согласованию Поставщика с Потребителем.

Кварцит Глуховского карьера Банического месторождения, поставляемый как кварцит кусковой для использования в процессах рудно-термической плавки (Баничи), соответствует техническим условиям. Физико-химические характеристики поставляемого кварцита кускового должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Физико-химические характеристики кварцита кускового

Наименование показателя	Единицы измерения	Значение показателя	Метод анализа
Массовая доля *:
SiO 2, не менее	%	99,0	ГОСТ 2642.3
Al 2O 3, не более	%	0,25	ГОСТ 2642.4
Fe 2O 3, не более	%	0,15	ГОСТ 2642.5
CaO, не более	%	0,05	ГОСТ 2642.7
Содержание кусков размером:
менее 20 мм + более 90 мм, не более	%	5	Технические условия
Примечания: * Общие требования к методам анализам по ГОСТ 2642.0. ** Допускается поставка кварцита иного гранулометрического состава по согласованию Поставщика с Потребителем.

Углеродные восстановители

Производство технического кремния осуществляется методом карботермического восстановления из кремнезема. В качестве восстановителя используют углерод, обладающий большим, чем кремний, химическим сродством к кислороду при высоких температурах. Пригодность углеродсодержащих материалов к плавке в качестве восстановителей определяется совокупностью требований к его физико-химическим свойствам. Жесткие требования технологии восстановления и требования, предъявляемые к качеству технического кремния, определили требования к свойствам восстановителей:

- высокая реакционная способность, определяющая степень и скорость восстановления кремния, извлечение кремния из кремнезема, снижение расхода электроэнергии;

- низкая зольность, которая определяет уровень перехода в кремний вредных примесей, основными из которых являются Fe, Al, Ca, Ti, P, В и другие и влияет на сортность кремния;

- высокая термоустойчивость восстановителя, который должен работать в рудновосстановительной печи при температуре около 2500 °C и обеспечивать полное протекание химического процесса восстановления;

- механическая прочность восстановителя, исключающая переизмельчение восстановителя при шихтоподготовке и на колошнике электропечи, сгорание на колошнике и вынос мелочи с отходящими газами;

- высокая пористость и удельная поверхность, обеспечивающие высокую газопроницаемость для обеспечения полноты восстановления кремния из газообразного SiO ₂.

- оптимальный гранулометрический состав восстановителя в шихте в смеси с кварцитом, обеспечивающий равномерный выход реакционных газов и продуктов реакции с минимальным выносом мелочи и пыли и препятствующий образованию свищей, одного из главных источников потерь и ухудшения технологических показателей;

- высокое удельное электрическое сопротивление, обеспечивающее малую шихтовую проводимость тока и, как следствие, концентрацию очага тепловыделения электрической дугой и улучшение условий восстановления кремния;

- оптимальное содержание летучих, способствующих образованию дополнительной пористости, увеличению общей дополнительной поверхности и минимальное содержание смолистых веществ, вызывающих спекание шихты на колошнике и ухудшение ее схода;

- малая склонность к гравитации, приводящей к увеличению электропроводности шихтового слоя и снижению реакционной способности восстановителя.

К основным примесным элементам в золе углеродных восстановителей относятся: оксиды кремния, алюминия, кальция, магния, железа и др. Сера содержится в коксах и углях в основном в виде сульфидной и органической. В небольших количествах в коксе имеется сульфатная и элементарная сера. Максимальное содержание серы имеет нефтяной кокс, в некоторых сортах которого содержание серы превышает 5 %. В восстановителях для выплавки кремния содержание серы не лимитируется, так как последняя в процессе электроплавки практически полностью удаляется в виде летучих соединений.

Фосфор в восстановителях находится в виде неорганических соединений и является вредной и трудноудаляемой примесью. Поэтому желательно использовать малофосфористые восстановители при плавке кремния.

Древесный уголь

Древесный уголь (ДУ) - самый активный и достаточно чистый по содержанию примесей восстановитель. Однако ДУ не обладает всей совокупностью вышеперечисленных свойств и является самым дорогим из всех известных восстановителей.

Древесный уголь - продукт пиролиза древесины - термостоек в условиях плавки и достаточно прочен, чтобы выдержать механические нагрузки в ванне печи, истирающий эффект, осадку и давление реакционных газов. Наибольшие потери древесного угля происходят при перегрузках, шихтоподготовке, грохочении, перемещении на транспортерных лентах засыпки и выгрузки шихты из бункеров.

Мелкий уголь снижает газопроницаемость шихты, выгорает на колошнике, а также уносится газами печи в виде пыли. Древесный уголь должен быть черного цвета как с поверхности, так и в изломе, плотным и крепким, в изломе и поперек волокон - блестящим и без сплошных сетчатых трещин. Уголь не должен содержать необугленных кусков (недопал). Размер кусков древесного угля, идущего на производство, обычно колеблется в пределах от 5 до 60 мм. Древесный уголь должен содержать не более 6 % влаги и не менее 78 % нелетучего углерода, содержание золы не должно превышать 3 %. На практике приходится использовать валовый ДУ, характеризующийся значительным колебанием физико-химических свойств. Эти колебания обусловлены несовершенством технологии получения, хранения и транспортировке ДУ.

Древесина, пораженная гнилью, идущая на производство древесного угля, снижает выход готового продукта. Уголь при этом получается мелкий, непрочный и легко крошится, превращаясь в угольную мелочь и пыль.

Содержание золы в обескоренном угле ниже, чем в угле, полученном из древесины с корой. В таблице 1.7 представлены данные по содержанию золы в древесном угле в зависимости от породы дерева.

Таблица 1.7 - Содержание золы в древесном угле и коре разных пород дерева

Порода дерева	Содержание золы, %
	Уголь с корой	Уголь без коры	Кора
Береза	1,47	0,72	1,76
Сосна	3,48	1,5	11,65
Ель	1,12	0,52	1,45
Осина	1,96	1,21	6,53

Древесный уголь из мягких пород, например, из сосновой древесины, весьма непрочен и легко рассыпается. Состав золы древесных углей, полученных из различной древесины, существенно отличаются. Пиролиз древесины - это процесс химического разложения древесины за счёт воздействия одной тепловой энергии, без доступа кислорода. Режим пиролиза определяющим образом влияет на выход и состав продуктов, но при прочих равных условиях выход зависит от породы перерабатываемой древесины и части дерева, подверженной пиролизу.

В промышленном производстве выход угля часто бывает заметно меньше, чем расчетный. Самые распространенные причины - это попадание кислорода воздуха в аппарат, вследствие чего происходит выгорание части угля, а также особенности режима и потери при перегрузках, исключение из баланса отсеянной и сожженной на своем производстве угольной пыли. Качественным считается для большинства направлений потребления уголь, прокалка которого завершена при 450-550 °С.

Технологический процесс получения древесного угля состоит из четырех стадий:

I. окончательная сушка древесины;

II. пиролиз древесины с образованием древесного угля и парогазовой смеси;

III. прокалка древесного угля;

IV. охлаждение древесного угля.

Древесный уголь является наилучшим восстановителем по многим показателям. Однако он имеет и ряд недостатков, таких, как высокая стоимость, низкая механическая прочность и высокое содержание фосфора. Эти недостатки обусловливают использование в производстве древесного угля альтернативных углеродных восстановителей.

Технические требования к древесному углю марок А и В по ГОСТ 7657-84 представлены в таблице 1.9.

ГАРАНТ:

Нумерация таблицы приводится в соответствии с источником

Таблица 1.9 - Технические требования к древесному углю

Наименование показателей	Марка "А"		Марка "В"
	Норма для марки
	Высшая категория	1 категория	1 категория качества
	Высший сорт	1 сорт	1 сорт	2 сорт
1. Кажущаяся плотность, г/см 3	0,37	0,37	Не нормируется
2. Массовая доля золы, %, не более	2,5	3,0	2,5	3,0
3. Массовая доля нелетучего, С %, не менее	90	78	88	77
4. Массовая доля воды %, не более	6	6	6	6
5. Массовая доля угля в местах погрузки куски размером менее 25 мм, %, не более	5	5	Не	нормируется
размером менее 12 мм, не более	5	5	7	7
6. Массовая доля головней, %, не более	Отсутствие	2	Отсутствие	2
7. Масса 1 дм 3 угля, г, не менее	210	210	Не	нормируется

При транспортировке допускается увеличение массовой доли угля фракций размером менее 12 мм и 25 мм не более чем на 0,8 % на каждые 100 км пути.

Нефтяной кокс

Нефтяной кокс низкозольный из всех восстановителей, имеет низкую стоимость углерода и высокое содержание твердого углерода. Этот нефтепродукт вводится в состав шихты для снижения себестоимости производства и снижения содержания примесей в кремнии. Нефтяной кокс представляет собой продукт термической обработки тяжелых остатков, образующихся при перегонке нефти Его усредненный состав в %: твердый углерод - 86-93, зола - 0,1-0,6, летучие - 8-12. Нефтяной кокс получают коксованием тяжелых крекинговых остатков нефти при температуре 450-500 °C.

Вследствие низкого содержания золы по сравнению с древесным углем нефтяной кокс имеет повышенную плотность и механическую прочность, однако обладает рядом худших показателей, таких, как меньшие пористость, удельная поверхность и удельное электрическое сопротивление, ограничивающих его использование в больших количествах. При производстве кремния используется нефтяной кокс с низким содержанием серы, которая способствует развитию коррозии металлических конструкций газоочистной установки и элементов конструкции печи, а также снижает извлечение кремния, переводя его в газовую фазу в виде SiS ₂. На предприятиях используется нефтяной кокс, имеющий в своем составе не более 3 % серы.

В кремниевом производстве применяется кокс нефтяной анодный. Физико-химические характеристики кокса нефтяного представлены в таблице 1.10.

Таблица 1.10 - Физико-химические характеристики кокса нефтяного

Наименование	Единицы измерений	Гарантированные значения	Методы измерений
Массовая доля общей влаги, не более	%	3	ГОСТ 27588, ISO 579
Массовая доля серы, не более	%	3	ГОСТ 8606, ГОСТ 1437, ГОСТ Р 53356, ISO 5931
Зольность, не более	%	0,6	ГОСТ 22692, ISO 1171
Массовая доля летучих веществ, не более	%	10	п. 4.9 ГОСТ 22898, ISO 9406
Массовая доля железа, не более	%	0,08	п. 4.6 ГОСТ 22898, ГОСТ 54237	Атомно-эмиссионный с индуктивно-связанной плазмой (IСP-AES), ISO 14435

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо слов "ГОСТ 54237" следует читать "ГОСТ Р 54237"

Массовая доля мелочи (кусков размером менее 8 мм), не более

%

50

п. 4.3 ГОСТ 22898, ГОСТ 5954, ISO 2325, ISO 728

Каменный уголь

Каменный уголь наиболее распространенный заменитель древесного угля. Для производства кремния используются газовые и длиннопламенные угли с повышенным содержанием летучих и низкой зольностью. Усредненный состав каменных углей в %: твердый углерод - 48-59, зола - 1-3, летучие - 38-42. Они обладают достаточной реакционной способностью, высоким электросопротивлением и пригодны к выплавке кремния. Достаточно высокая пористость и реакционная способность, возникающая при нагреве шихты и пиролизе угля. Ограничивающими факторами являются высокое содержание золы, летучих и смол, спекающих шихту. Для производства кремния высших марок используются малозольные угли марок Д и ДГ. Для снижения содержания оксида железа производится обогащение углей с получением каменноугольного концентрата.

Физико-химические характеристики угля марок Д и ДГ должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.11.

Таблица 1.11 - Физико-химические характеристики угля марок Д и ДГ

Наименование	Единицы измерения	Гарантированные значения	Методы испытаний, правила приемки
Внешний вид			ГОСТ 25543-2013
Массовая доля общей влаги * (W a) в угле	%	10,0, не более	ГОСТ 11014-2001
Массовая доля общей серы в угле	%	0,7, не более	ГОСТ 8606-93, ИСО 334-92
Зольность (А d) в угле	%	4, не более	ГОСТ 11022-95, ИСО 1171-97
Содержание в золе Fe 2O 3	%	3,75, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание в золе Al 2O 3	%	30, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание TiO 2 в угле	кг/т	0,5, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание P 2O 5 в угле	кг/т	0,4, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание Fe 2O 3 в угле	кг/т	1,5, не более	Расчет
Содержание Al 2O 3 в угле	кг/т	12, не более	Расчет
Содержание кусков - 30 + 5 мм в угле	%	90, не менее	ГОСТ 2093-82
Содержание кусков - 5 мм в угле	%	5, не более	ГОСТ 2093-82
Содержание кусков + 30 мм в угле	%	5, не более	ГОСТ 2093-82

Физико-химические характеристики поставляемого концентрата каменного угля, поставляемого по спецификации ТС N КК.02.2019, должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 1.12.

Таблица 1.12 - Физико-химические характеристики концентрата каменного угля

Наименование	Единицы измерения	Гарантированные значения	Методы испытаний, правила приемки
Внешний вид			ГОСТ 25543-2013
Массовая доля общей влаги * (W a) в угле	%	10,0, не более	ГОСТ 11014-2001
Массовая доля общей серы в угле	%	0,7, не более	ГОСТ 8606-93, ИСО 334-92
Зольность (А d) в угле	%	1,5, не более	ГОСТ 11022-95, ИСО 1171-97
Выход летучих веществ V daf на сухое беззольное состояние	%	39, не более	ГОСТ 55660-2013, ИСО 562-98, ИСО 5071-1-97

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вместо слов "ГОСТ 55660-2013" следует читать "ГОСТ Р 55660-2013"

Содержание связанного углерода (C fix) в угле	%	59, не менее	Расчетный (100 - А d - V daf)
Содержание в золе Fe 2O 3	%	12, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание в золе Al 2O 3	%	30, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание в золе P 2O 5	%	0,6, не более	ГОСТ 10538-87
Содержание Fe 2O 3 в угле	кг/т	1,5, не более	Расчет
Содержание Al 2O 3 в угле	кг/т	3, не более	Расчет
Содержание кусков - 30 + 10 мм в угле	%	90, не менее	ГОСТ 2093-82
Содержание кусков - 10 мм в угле	%	12, не более	ГОСТ 2093-82
Содержание кусков + 30 мм в угле	%	5, не более	ГОСТ 2093-82

Древесная щепа

Древесная щепа, изготовленная на предприятии с помощью рубительных машин из сортовой древесины, применяется в качестве разрыхляющей добавки к другим восстановителям. Состав золы древесной щепы близок к составу щепы древесного угля. Высокое содержание влаги и летучих при низком содержании углерода делает щепу восстановителем замедленного действия, который, попав на колошник печи, должен высохнуть и пиролизоваться. На этом этапе щепа выполняет роль рыхлителя тяжелых компонентов, выделяет большое количество паров воды и летучих, снижает электропроводность шихты.

Электроды

В производстве технического кремния используются обожжённые угольные, углеграфитовые или графитированные моноэлектроды диаметром 1205 мм. Печи работают с применением графитированных электродов с графитированными ниппелями диаметром 710 мм.

Требования к моноэлектродам диаметром 1205 мм представлены в таблице 1.13.

Таблица 1.13

Наименование	Единица измерения	Гарантированные значения		Методы испытаний *
		Для РТП РКО 16,5 КрИ	Для РТП РКО 25 КрИ
1	2	3		4
Диаметр	мм	1205 2	1205 2	ГОСТ 26433.1
Длина	мм	3000 250	3000 250	ГОСТ 26433.1
Содержание графита	%	55	не менее 80	Гарантируется поставщиком
Удельное электросопротивление	мкОм x м	30, не более	25, не более	ISO 11713 ГОСТ 23776
Предел прочности на разрыв	МПа	3,0, не менее	4,0, не менее	ISO 18515 ГОСТ 23775
Предел прочности на изгиб	МПа	6,0, не менее	8,5, не менее	ISO 12986-1 ГОСТ 23775
Пористость	%	20, не более	24, не более	Расчетный метод согласно п. 4.5 ТС
Теплопроводность при температуре 20 °С	Вт/м x К	11 не менее	20 не менее	ГОСТ Р ИСО 12987-2014 Методика определения теплопроводности углеродных материалов при температуре 20-30 °С, утвержденной ОАО "Уралэлектродин"
Объемная плотность на образцах	г/см 3	1,56 не менее	1,58 не менее	ISO 12985-1
Зольность	%	2,5 не более	1,6 не более	ISO 8005 ГОСТ 22692
Максимальная плотность тока (для печи РКО)	А/см 2	7 не менее	8,5 не менее	Гарантируется поставщиком
Температурный коэффициент линейного расширения (0-600 °C)	10 -6/°C	3,0-4,6	3,0-4,6	ГОСТ Р 54253
Не учитываются дефекты поверхности:				Прямое измерение ТУ 19121-021-13684336
- трещины шириной	мм	0,3 мах
- выкрашивания зерен	мм	13 мах
На образующей поверхности не допускаются продольные трещины:				Прямое измерение ТУ 19121-021-13684336
- ширина	мм	1,5 мах
- длина	%	10 мах
Не допускаются сколы на кромке торцов:				Прямое измерение ТУ 19121-021-13684336
- ширина	мм	50 мах
- длина	мм	100 мах
- глубина	мм	25 мах

Физико-механические показатели графитированных электродов диаметром 710 мм и ниппелей к ним представлены в таблице 1.14.

Таблица 1.14 - Физико-механические показатели качества графитированных электродов диаметром 710 мм и ниппелей к ним

Наименование	Единица измерения	Гарантированные значения		Методы испытаний *
		Электроды 710 мм	Ниппели для электродов 600 мм 317Т4L
Диаметр	мм	710 2,0	317,5-0,50	ГОСТ 26433.1, прямое измерение
Длина	мм	2000 + 100 2000 - 200	457,2-1,00	ГОСТ 26433.1, прямое измерение
Удельное электросопротивление	мкОм x м	7,0 11,0	5,5 не более	ISO 11713 ГОСТ 23776
Предел прочности на изгиб	МПа	9,5 не менее	20,0 не менее	ISO 12986-1 ГОСТ 23775
Модуль упругости	ГПа	9,0 не менее	14,0 не менее	Расчетное для RDC 144 ISO 18515
Объемная плотность электрода на образцах	г/см 3	1,54-1,64	1,74 не менее	ISO 12985-1
Зольность	%	0,5 не более	0,5 не более	ISO 8005 ГОСТ 22692

Для вскрытия летки и прожига леточного канала используются графитированные электроды диаметром 100 мм.

Физико-механические показатели графитированных электродов диаметром 75/100 мм представлены в таблице 1.15.

Таблица 1.15 - Физико-механические показатели качества графитированных электродов диаметром 75/100 мм

Наименование	Единица измерения	Гарантированные значения		Методы испытаний
		Электрод 100 мм *	Ниппель для электрода 100 мм
Диаметр	мм	100 + 3 100 - 2	66,7 + 0 66,7 - 0,5	ГОСТ 26433.1, прямое измерение
Длина	мм	1000 1500	135 + 0 135 - 1,0	ГОСТ 26433.1, прямое измерение
Удельное электросопротивление	мкОм x м	7,0 11,0	7,0 не более	ISO 11713 ГОСТ 23776
Предел прочности на изгиб	МПа	8 15	12,0 не менее	ISO 12986-1 ГОСТ 23775
Объемная плотность электрода на образцах	г/см 3	1,55 1,67	-	ISO 12985-1
Ниппельное гнездо:
Диаметр	мм	60,6 + 0,5 60,6 - 0	-	ГОСТ 26433.1, прямое измерение
Глубина	мм	69 + 2,0 69 - 0	-	ГОСТ 26433.1, прямое измерение

1.3 Анализ приоритетных проблем отрасли

1.3.1 Анализ приоритетных проблем при производстве алюминия

Промышленное производство алюминия в России началось в начале 30-х годов XX века. Для организации промышленного производства алюминия требовались сырье и дешевая электроэнергия. В то время в России было известно лишь Тихвинское месторождение бокситов. В 1928-1930 гг. в Санкт-Петербурге были проведены исследования по отработке технологии переработки этих бокситов на глинозем и выбору оптимальной конструкции электролизера для первых алюминиевых заводов. Результаты этих работ были заложены в основу для проектирования Волховского алюминиевого завода.

Важнейшее значение для организации отечественного производства алюминия имело принятие и реализация плана ГОЭЛРО (Государственная электрификация России), что позволило обеспечить строящиеся заводы дешевой электроэнергией. В 1931 году образован Всесоюзный алюминиево-магниевый институт (ВАМИ), а в последующие годы - Всероссийский институт легких сплавов (ВИЛС).

Первая промышленная партия алюминия была получена на Волховском алюминиевом заводе 14 мая 1932 года. Этот день считается днем рождения алюминиевой промышленности России.

С открытием крупнейшего в мире месторождения апатито-нефелиновых руд на Кольском полуострове встал вопрос об использовании нефелинов в качестве сырья для получения глинозема. В начале 50-х годов XX века в глиноземном цехе Волховского алюминиевого завода была успешно решена проблема получения из нефелинового концентрата глинозема, соды, поташа и портландцемента.

Строительство алюминиевых и глиноземных заводов в России определялось близостью к дешевой электроэнергии, сырьевой базе и источникам водопотребления.

В 1931 году на Урале были открыты месторождения бокситов, в совокупности образующих Северо-Уральский бокситовый район, который в дальнейшем стал сырьевой базой алюминиевой промышленности Урала. В 1939 году состоялся пуск Уральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс. т глинозема и 25 тыс. т алюминия.

В годы Великой Отечественной войны для обеспечения возросших потребностей оборонной промышленности было принято решение об увеличении мощностей по производству алюминия на Уральском заводе, а также о строительстве Богословского и Новокузнецкого алюминиевых заводов.

В послевоенный период алюминиевая промышленность России продолжала интенсивно развиваться за счет ввода новых и расширения действующих мощностей.

В 1950-е годы введены в эксплуатацию Кандалакшский, Надвоицкий и Волгоградский алюминиевые заводы, а также Пикалевский глиноземный завод - комплексное предприятие по переработке кольских нефелиновых концентратов.

В 1960-1970-е годы были построены Иркутский, Красноярский и Братский алюминиевые заводы, а также Ачинский глиноземный комбинат.

В 1985 году был введен в эксплуатацию Саяногорский алюминиевый завод, а в 2006-м - его вторая очередь, Хакасский алюминиевый завод (ХАЗ). В 2015 году ХАЗ реорганизован и присоединен к Саяногорскому алюминиевому заводу.

Таким образом, большая часть предприятий алюминиевой промышленности Российской Федерации эксплуатируются более 30 лет.

Многие из алюминиевых и глиноземных заводов стали бюджетообразующими предприятиями: Волховский, Кандалакшский, Богословский, Надвоицкий, Саяногорский и Иркутский алюминиевые заводы, Пикалевский и Ачинский глиноземные заводы.

В мире основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие от 32 до 60 % глинозема (Al ₂O ₃). К важным алюминиевым рудам относят также алуниты и нефелины.

По мировым меркам Россия обладает незначительными запасами промышленных бокситов - около 400 млн т, что составляет менее 0,7 % мировых запасов. При этом большинство отечественных месторождений в значительной степени выработаны. Кроме того, российские месторождения содержат в основном не бокситы, а нефелины, а они - более худшее сырье для производства глинозема, чем бокситы.

Крупнейший производитель алюминийсодержащего сырья в России - Северо-Уральские бокситовые рудники. Они до последнего времени обеспечивали Россию лучшим сырьем при достаточно высоком уровне добычи. Основные запасы рудников находятся в районе г. Североуральска (Свердловская область) на глубине более полукилометра. В настоящее время старые шахты практически выработаны. Бокситы добываются с глубины 700-800 м и имеют очень высокую себестоимость. В 2015 году был осуществлен ввод в эксплуатацию новой шахты "Черемуховская Глубокая" глубиной более полутора километров.

Ввиду слабости собственной сырьевой базы российские производители алюминия в значительной мере ориентируются на привозной глинозем. Традиционные поставщики глинозема в Россию - Украина и Казахстан - намерены расширять собственные производства алюминия, и, следовательно, у них будет меньше свободного сырья для экспорта в Россию. Аналогичная ситуация и в дальнем зарубежье: Австралия, крупнейший в мире экспортер бокситов, тоже постепенно увеличивает собственное производство алюминия, сокращая тем самым возможности поставки сырья на мировой рынок.

Одним из решений задачи обеспечения ресурсами российских производителей алюминия является разработка новых отечественных месторождений. Наиболее перспективным на сегодняшний день является Средне-Тиманское месторождение низкокачественных бокситов в Республике Коми. Общие запасы на Тимане, по различным оценкам, составляют от 260 до 360 млн т. Одним из достоинств месторождения является то, что его разработку можно вести открытым способом, а это снижает себестоимость добычи на 15-20 % по сравнению с шахтными разработками. Главным препятствием для освоения месторождения является полное отсутствие инфраструктуры. Однако разработка одного Средне-Тиманского месторождения не решит проблему обеспечения отечественным глиноземом всех российских производителей. В ближайшее время импорт бокситов и глинозема неизбежен, что делает алюминиевую промышленность Российской Федерации зависимой от зарубежных поставщиков.

Производство алюминия в криолит-глиноземном расплаве сопровождается выделением ряда ЗВ 1-4 классов опасности: фтористых соединений, диоксида серы, пыли, смолистых веществ. Количество образования ЗВ зависит от применяемых исходных сырьевых материалов, технологии и условий протекания процесса электролиза. Поиск путей снижения образования и обезвреживания ЗВ является одной из основных задач алюминиевой отрасли.

Одним из основных сырьевых компонентов в производстве алюминия является нефтяной кокс - продукт нефтеперерабатывающей промышленности, использующийся для производства анодов электролизеров. Спрос на нефтяной кокс, пригодный для изготовления анодов, постоянно растет. Повышение мировых показателей содержания серы и металлов в коксе затрудняет производство анодов с сохранением требуемых показателей качества. Значительное количество производимого в мире зеленого кокса, характеризующегося допустимым содержанием примесей, является очень мелким и отличается высокими показателями содержания летучих горючих веществ. Этот кокс не может подвергаться прокалке во вращающихся печах, использующихся при прокалке на алюминиевых заводах Российской Федерации, поскольку применение данной технологии приводит к снижению производительности, качества прокаленного кокса и потерям при прокаливании. Кроме ухудшающейся сырьевой базы сырого кокса, отечественная промышленность испытывает недостаток прокалочных мощностей, что также ставит предприятия отрасли в зависимость от зарубежных поставщиков прокаленного кокса и влияет на качество производимых анодов.

Повышение содержания серы в коксах влечет за собой его увеличение в анодах алюминиевого производства, что приводит к увеличению эмиссий диоксида серы на отечественных заводах. При использовании газоочистных аппаратов для улавливания диоксида серы (мокрых скрубберов, пенных аппаратов) неизбежно повышение расхода соды на его улавливание, и, как следствие, увеличение количества улавливаемого SO ₂ влечет за собой повышение количества сульфатов и растворов газоочистки, подлежащих выводу на шламовые поля.

Утилизация отходов производства - одно из важнейших направлений отрасли. Основными крупнотоннажными отходами производства глинозема и алюминия являются красный и нефелиновый шлам, отходы катодной футеровки электролизеров. В России многие годы практикуется в основном прямое использование отработанной угольной футеровки в черной металлургии: при производстве стали в мартеновских печах, конвертерах и электропечах.

К настоящему времени разработано более 300 способов переработки отработанной угольной футеровки. Большинство из них не получило промышленного развития главным образом по причине их низкой экономической эффективности.

Производственными отходами глиноземных заводов являются отвальные шламы (красные или нефелиновые), представляющие собой твердый остаток бокситов или нефелинов после извлечения из них глинозема. Нефелиновые шламы в алюминиевой промышленности Российской Федерации являются наиболее крупной составляющей в суммарной массе образуемых ее предприятиями промышленных отходов. Технологией комплексной переработки нефелинового сырья предусматривается его использование как основного компонента шихты для производства цементного клинкера, что существенно сокращает себестоимость не только глинозема, но и цемента.

Растущие цены на электроэнергию, недоступность собственного сырья, а также ужесточение экологических норм приводят к остановке или закрытию алюминиевых заводов не только в Западной Европе, но и в Российской Федерации. Поскольку алюминиевая промышленность является источником выделения в атмосферу ЗВ, особенно актуальными в настоящее время являются вопросы обеспечения экологической безопасности производства алюминия. В связи с этим в алюминиевой отрасли встает вопрос не только о применении наиболее экономически малозатратных технологий получения алюминия, но и технологий, которые отвечали бы современным требованиям по охране окружающей среды.

Таким образом, современная тенденция развития алюминиевой отрасли - поиск и внедрение высокоэффективных технологий производства алюминия с обеспечением экологической безопасности.

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 способности 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.