Установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов

Авторы патента:

Полезная модель относится к оборудованию для получения карбида кремния (SiC) из отходов риса для использования его при производстве абразивного инструмента и SiC высокой чистоты, пригодного для электронной промышленности и в других областях.

Техническим результатом полезной модели является повышение качества SiC, обеспечение возможности введения в него различных добавок, снижение энергетических затрат, значительное увеличение выхода годного и уменьшение экологической напряженности в рисосеющем регионе.

Технический результат достигается за счет того, что установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов содержит последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, при этом она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на вале стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь выполнена в виде реактора непрерывного действия, который разделен на три зоны с различными температурными режимами и снабжен системой отсоса дымовых газов и холодильником конусного типа для охлаждения полученного порошка карбида кремния.

Имеются данные по оборудованию для производства SiC из кремнезема и из рисовой шелухи восстановлением их молотым коксом или термически обработанным бурым углем [1-3].

Восстановление проходит обычно при высокой температуре в вакуумных печах или в печах с контролируемой атмосферой, что необходимо для предотвращения окисления полученного SiC в оксид кремния (SiO₂).

Основными недостатками применяемого оборудования для производства SiC из рисовой шелухи (РШ) или рисовой соломы (PC) являются.

1. Применяемое оборудование для размола кокса или бурого угля очень энерго- и материалоемко, имеет низкую производительность, и занимает большие производственные площади. Крупность частиц после помола остается очень высокой, что определяет длительность процесса, так как реакции взаимодействия приобретают явно выраженный диффузионный характер.

2. Использование вакуумных печей и печей с контролируемой атмосферой определяет цикличность процесса.

3. Печи имеют низкую производительность, высокий удельный расход энергии, сложность конструкции и дорогостоящее обслуживание. Их рабочая зона не велика и приспособлена для обработки порошкообразных смесей.

4. Рисовая шелуха (РШ) и рисовая солома (PC) перед синтезом подвергают термической обработке и переводят кремний шелухи в «аморфный» кремнезем, что требует дополнительного, оборудования и расхода энергии для восстановления. Увеличенный расход энергии определяется тем, что «аморфный» кремнезем является термодинамически прочным соединением со скомпенсированными связями.

5. Все примеси из коксика и угля переходят в SiC, ухудшая его качество.

Задача стоит в том, чтобы улучшить качество SiC, увеличить выход годного, сократить расход энергии и создать оборудование для рентабельного производства.

Технический результат достигается за счет того, что установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов содержит последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, при этом она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на вале стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь снабжена холодильником конусного типа.

Установка активации процессов снабжена оснасткой для транспортировки порошка внутри рабочей зоны.

Установка выполнена с возможностью работать в непрерывном режиме.

Кроме того технический результат достигается за счет того, что установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов содержит последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, при этом она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на вале стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь выполнена в виде реактора непрерывного действия, который разделен на три зоны с различными температурными режимами и снабжен системой отсоса дымовых газов и холодильником конусного типа для охлаждения полученного порошка карбида кремния.

Нижнюю зону реактора собирают из пустотелого графитового цилиндра, опирающегося на графитовый поддон и «разбойника», который центрируется в выточке поддона, имеющего в центре сквозное отверстие, существенно меньшее по диаметру относительно «разбойника».

Верхняя часть «разбойника» выполнена в виде конуса, под углом равным 45-60° относительно оси «разбойника», а в нижней трети «разбойника» прорезаны 4-8 каналов под углом 45-60° к его оси, обеспечивая сход порошка карбида кремния в холодильник.

Между пустотелым цилиндром и «разбойником» выполнена кольцевая реакционная зона, размеры которой определяются диаметром внутреннего отверстия цилиндра и диаметром «разбойника».

Средняя зона реактора оборудована генератором сверхвысоких частот, а нижняя зона - генератором высокой частоты.

Установка выполнена с возможностью работать в непрерывном режиме.

Основным узлом оборудования для утилизации РШ (PC) является установка для непрерывного производства SiC без использования вакуумных печей.

Для обеспечения ее успешной эксплуатации созданы и испытаны высокопроизводительные измельчители типа ИУ-1(2) по ТУ 3618-002-78332832-2008 [5], обеспечивающие тонину помола порошков до 44 мкм независимо от вида измельчаемого материала.

Для достижения практически идеального смешивания и домола установка снабжена установкой активации процессов типа УАП-1В-2 по ТУ 3614-001-78332832-2006, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в рабочей зоне установки [4].

Для предотвращения расслоения после смешивания порошки прессуют на быстроходном прессе в брикеты (таблетки) с относительной плотностью 50-60%. Брикеты (таблетки) должны обладать достаточной прочностью и выдерживать транспортировку. Предусматривается транспортировка РШ и PC из других районов в виде брикетов.

Брикеты транспортируют к реактору при помощи шнека, выходная часть которого герметично подсоединяется к кожуху. Реактор представляет собой шахтную печь непрерывного действия, состоящую из трех зон.

В верхней зоне реактора при температуре плюс 100 - плюс 200°С брикеты подсушиваются. При постепенном их опускании температура в шахте растет и начинается диссоциация целлюлозы и лигнина. В результате вначале возникают реакции взаимодействия ионов углерода и кремния, входящих в состав органических компонентов шелухи. Одновременно растет объем газов, формирующихся при диссоциации и взаимодействии компонентов. Нагретые газы поднимаются вверх и нагревают выше лежащие слои брикетов. В верхней части средней зоны объем брикетов уменьшается.

При дальнейшем опускании шихты ее температура продолжает расти, что приводит к интенсификации реакций восстановления добавленного SiO₂ углеродом или металлическим кремнием.

Наиболее высокие температуры (до 1700-1750°С) достигаются в нижней части реактора. При этом полученный карбид -SiC переходит в другую модификацию - -SiC.

Нижняя часть реактора представляет собой шахту в виде пустотелого цилиндра, который опирается на поддон с отверстием в центре. При помощи цилиндрической выточки в поддоне центрируется «разбойник», определяющий конфигурацию этой части реактора. Причем поддон имеет в центре сквозное отверстие для схода SiC. «Разбойник» в нижней части имеет каналы, сходящиеся к его центральной оси и предназначенные для схода SiC.

Ширина кольцевой зоны определяется диаметром и высотой установленного в центре «разбойника». Полученный продукт в виде тонкого порошка как бы «стекает» вниз к зоне охлаждения, которая представляет собой кольцевой холодильник, соединенный со шнеком.

Материал реактора: верхняя и средняя зоны выполнены в виде стальных цилиндров, футерованных изнутри кольцами из графита, средняя зона снаружи покрыта слоем изоляционного материала; нижняя - представляет собой пустотелый графитовый цилиндр с графитовым «разбойником». Цилиндр и «разбойник» опираются на графитовый поддон.

Нижняя часть реактора заключена в корпус из асбоцементных плит, который заполнен теплоизолирующим материалом.

Тип нагрева выбирают в зависимости от размеров шахтной установки и хода процесса. При этом следует учитывать коренные изменения физико-химических свойств исходных и конечных продуктов.

Так, брикетированная шихта обладает свойствами диэлектрика, а полученный карбид - это высокотемпературный полупроводник. Материалом высокотемпературной части реактора является графит, обладающий свойствами проводника с высоким электросопротивлением. Наличие графита определяет восстановительные свойства атмосферы рабочего пространства установки.

Поэтому в средней зоне для ускорения прогрева можно устанавливать генератор сверхвысокой частоты, способный нагревать диэлектрики и полупроводники, а в нижней части - высокочастотный генератор (преобразователь) для нагрева графита.

Выбор типа нагрева и генератора определяется по месту в зависимости от производительности, состава и вида исходного и конечного продуктов.

Следует иметь ввиду, что в случае использования генератора сверхвысокой частоты слой теплоизоляции, а это обычно керамика, ставить не требуется.

На фиг.1 представлена общая схема установки.

На фиг.2 показан общий вид реактора.

Установка для утилизации РШ и PC содержит (фиг.1) узлы измельчения РШ и PC 1, отходов металлического кремния, кремнезема 2, которые соединены шнеками 3 и 4 с емкостью 5 (в ряде случаев емкость 5 может отсутствовать). Из емкости 5 шнеком 6 смесь порошков подают в смеситель (активатор) 7 и далее в пресс 8. Пресс 8 соединен шнеком 9 с реактором 10, из которого готовый порошок карбида поступает для охлаждения в емкость 11 и затем в фасовочный автомат 13. Фасованный продукт 14 по конвейеру 15 отправляют на склад. Готовый порошок может транспортироваться непосредственно от холодильника 12 водоохлождаемым шнеком 19 к участку фасовки.

Реактор (фиг.2) представляет собой шахтную печь, состоящую из верхней 16, средней 17 и нижней 18 рабочих зон. Верхняя 16 и средняя 17 зоны заключены в стальной корпус 19, защищенный изнутри графитовыми кольцами (блоками) 21, средняя зона 17 снаружи закрыта слоем теплоизоляционного материала 20. Нижняя зона заключена в корпус 22 из плит асбоцемента. Средняя зона прогревается СВЧ генератором (на фигуре 2 не показан) с рабочим органом - конденсатором 29 и токоподводом 30. Нижнюю зону обогревают ВЧ - генератором (на фиг.2 не показан) с индуктором 32 и токоподводом 31. Промежуток между индуктором 32, корпусом 22 заполнен порошком магнезита 28. На дне корпуса 22 уложен слой кирпичей из магнезита или магнезито-хромита 23, на котором установлена нижняя рабочая зона 18, состоящая из пустотелого графитового цилиндра (толщина стенки не менее 50 мм) 25, опирающегося на графитовый поддон 24 и на слой огнеупорного кирпича 23. Поддон 24 имеет выточку для центровки «разбойника» 26 с отверстием в центре для схода готового порошка SiC.

Углы выточки и отверстия поддона 24 должны быть скруглены радиусом 10-15 мм. Разбойник 26 представляет собой графитовый цилиндр, наружный диаметр которого определяет размеры рабочей зоны (кольцевой щели) 37. Верхняя и нижняя части «разбойника» 26 выполнены виде конусов (угол 45°), причем верхняя точка конуса достигает верхней кромки нижней зоны 18, а нижний конус входит в кольцевой холодильник 27. Нижняя цилиндрическая часть «разбойника» 26 образует со стенкой отверстия в поддоне 24 кольцевую щель 38 для схода порошка SiC в холодильник 27. В нижней цилиндрической части «разбойника» прорезаны по радиусу каналы (течки) 36 под углом 45-60°. Число каналов (течек) составляет от 4 до 8 штук. Начало течек на 20-30 мм выше верхней кромки поддона 24, конец находится у основания нижнего цилиндра «разбойника».

Реактор работает следующим образом.

Предварительно измельченные, смешанные и спрессованные в брикеты компоненты подают шнеком 34 в верхнюю зону 16 реактора, где они при движении вниз нагреваются и просушиваются. На входе в среднюю зону 17 температура шихты достигает 300-500°С. В этой части реактора формируется основное количество газов: пары воды, и азот которые выходят в атмосферу через верхнее строение 35.

По мере опускания шихты температура растет и в средней зоне 17 проходит первый этап карбидообразования: вначале проходит диссоциация целлюлозы (общее количество целлюлозы в РШ и PC составляет 10-25% [1]) и лигнина с образованием ионов кремния и углерода. Причем углерода образуется значительно больше, чем кремния из-за различия в их содержании в исходных целлюлозе и лигнине [1, 2]. Образовавшиеся ионы кремния и углерода взаимодействуют между собой с образованием карбида кремния:

Si+С=SiC,

причем кремний из органики полностью связывается в карбид.

В более низких горизонтах 3 реактора температура поднимается выше, и начинают развиваться реакции восстановления SiO₂ оставшимся углеродом:

SiO₂+С->SiC+СO₂

причем СO₂ диссоциирует на СО и О. Возможно, СO₂ вообще не образуется, чему способствует защитная атмосфера, которая формируется за счет углерода стенок реактора.

В нижней части реактора 18, где температура достигает 1700°С и выше, заканчиваются реакции восстановления SiO₂ и модификация -SiC переходит в модификацию -SiC.

Полученный тонкий порошок SiC, нагретый до 1700°С и выше, ведет себя подобно жидкости и «стекает» по течкам 36 в конусный холодильник 27 и далее в водоохлаждаемый шнек 33, который транспортирует его в накопитель и на фасовочные автоматы.

Важной особенностью установки является то, что ее можно использовать для получения SiC в межсезонье восстановлением SiO₂ металлическим кремнием, молотым коксом или другим углеродосодержащим материалом, притом в непрерывном режиме.

Использованная литература

1. Ташполотов Ы., Масантов И.И., Омурдекова Т.К. М. Кл³ С01 33/02. УДК 4882034.26 «Способ получения высокочистого кремния из отходов рисового производства (рисовой шелухи)». Государственное агентство по интеллектуальной собственности при правительстве КР. Бишкек, 2007.

2. Белая А.А. и др. Исследование процесса химической подготовки рисовой шелухи для синтеза карбида кремния. Украинский государственный химико-технологический университет, г.Днепропетровск / Журнал «Вопросы химии и химической технологии», 2008, 1.

3. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. - М.: Металлургия, 1977.

4. Вершинин Н.П., Вершинин И.Н. Патент на полезную модель 50876 «Установка активации процессов».

5. Вершинин Н.П., Вершинин И.Н. Патент на полезную модель 87643 «Измельчитель».

1. Установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов, содержащая последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на валу стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь снабжена холодильником конусного типа.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установка активации процессов снабжена оснасткой для транспортировки порошка внутри рабочей зоны.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работать в непрерывном режиме.

4. Установка для производства карбида кремния из рисовой шелухи и рисовой соломы и/или кремнесодержащих компонентов, содержащая последовательно соединенные между собой измельчитель, смеситель и печь, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пресс-автомат, измельчитель снабжен измельчающим органом в виде вращающегося вала, на котором выполнена спираль из отдельно закрепленных на валу стержней, смеситель выполнен в виде установки активации процессов, которая использует энергию вращающегося электромагнитного поля, сконцентрированного в ее рабочей зоне, а печь выполнена в виде реактора непрерывного действия, который разделен на три зоны с различными температурными режимами и снабжен системой отсоса дымовых газов и холодильником конусного типа для охлаждения полученного порошка карбида кремния.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что нижнюю зону реактора собирают из пустотелого графитового цилиндра, опирающегося на графитовый поддон, и «разбойника», который центрируется в выточке поддона, имеющего в центре сквозное отверстие, существенно меньшее по диаметру относительно «разбойника».

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что верхняя часть «разбойника» выполнена в виде конуса, под углом равным 45-60° относительно оси «разбойника», а в нижней трети «разбойника» прорезаны 4-8 каналов под углом 45-60° к его оси, обеспечивая сход порошка карбида кремния в холодильник.

7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что между пустотелым цилиндром и «разбойником» выполнена кольцевая реакционная зона, размеры которой определяются диаметром внутреннего отверстия цилиндра и диаметром «разбойника».

8. Установка по п.4, отличающаяся тем, что средняя зона реактора оборудована генератором сверхвысоких частот, а нижняя зона - генератором высокой частоты.

9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью работать в непрерывном режиме.