Расчёт материального баланса

Расчёт материального баланса проводится с учётом того, что во время производства кремний теряется в виде испарений в электротермической и электродуговой печах (безвозвратно), при травлении кристаллов SiC (безвозвратно), но основные потери приходятся, как показывает практика ,на последний этап - направленную кристаллизацию. Однако, эти потери являются обратимыми. На всех прочих стадиях потери примем равными 3%.

Стадии производства мультикремния из кварцевого песка:

1. Измельчение кварцевого песка в дробильных мельницах.

2.Восстановление кварцевого песка до карбида кремния в электрорезистивной печи.

3.Очистка кристаллов карбида кремния травлением. На этой стадии потери примем равными 5%. Также на этой стадии мы используем смеси кислот.

4.Восстановление кремния из карбида кремния в электродуговой печи. Разрыхлительные присадки отсутствуют.

5.Рафинирование кремния в вакууме.

6.Плазмохимическая чистка кремния. На этой стадии мы используем газ Ar.

7.Направленная кристаллизация методом Бриджмена.

Таким образом, перед очисткой 4т кремния, в среднем поступает 4/0,97/0,97=4.252т кремния. Значит, выплавлять в печах мы должны 1.063 т кремния. Выход из печей кремния 1.063т возможен в среднем при поступлении кремния 1.063/0,97/0,97/0,95=1.189т

Учитывая реакцию:

SiO2+ 2С = Si + 2СО (12)

для получения 1.189т кремния необходимо 1,189/28*60=2.548 кварца,

и 1,189т гранулированной сажи.

Расчёт необходимого аргона проводим из расчёта его расхода 60 л/ч [7].

V(Ar)=M(Si)/Mз*Tцикла*Р , где (13)

Р - расход аргона, 60л/ч

Mз - масса загрузки в одной чистке

V(Ar)=57120л. V(H20)=V(Ar)

Расчёт количества необходимых для травления кислот проводим из условия, что в одной кислоте не могут травиться (в целях повышения качества травителя, и, следовательно, кристаллов) более двух кристаллов подряд, а состав травителей HCl/HNo3/HF равен 1/2/2, а общую массу возьмём с 25%-ным запасом.

Vкисл~0.28*Vкремния=0.28*1000кг/3.05=91.8л

V(HCl)=23л, V(HN03)=45.9л, V(HF)=45.9л

M (HCl)=26.45кг, М (HF)=54.16кг M(HNO3)=69.кг

В табл. 9 представлено количество всех материалов, необходимых в производственном цикле.

Таблица 9.

Результаты расчёта количества сырья и вспомогательных материалов, необходимых для производства мультикристаллического кремния методом направленной кристаллизации.

№ п/п	Материал	Потребность в месяц	Потребность в сутки
	Кварцевый песок	2548 кг	83,82кг
	Гранулированная сажа	1189 кг	41,91кг
	Кислота HCl	26,45 кг	0,87 кг
	Кислота HNO3	54,16 кг	1,78 кг
	Кислота HF	69 кг	2,27 кг
	Сжиженный газ Ar	57120 л	1880 л
	Дистиллированная вода	57120 л	1880 л
	Изопропиловый спирт	1000л	33л

2.3. Разработка технологической планировки цеха по производству мультикремния

С учётом результатов расчёта состава основного и вспомогательного оборудования, была разработана технологическая планировка (со спецификацией) цеха по производству мультикристаллического кремния с годовым объёмом выпуска 12т годной продукции.

Цех включает в себя участок получения поликристаллического кремния из кварцевого песка, участок очистки поликристаллического кремния, участок производства мультикристаллического кремния из поликристаллического, участок контроля качества произведённой продукции и складское помещение.

Разработка технологической планировки осуществлялась с учётом требований, предъявляемых к чистоте производственных помещений в соответствии со стандартами ИСО-2, ИСО-4 и ИСО-9.

В табл.10 указаны классы чистоты для производственных участков цеха.

Таблица 10.

Классы чистоты производственных участков цеха по производству мультикремния.

№ п/п	Наименование участка	Класс чистоты	Предельно допустимое число частиц в 1 м3 воздуха с размерами, равными или превышающими, мкм
0,1	0,2	0,3	0,5
	Раздевалка	-	-	-	-	-	-	-
	Участок дробления кварца	-	-	-	-	-	-	-
	Участок получения поликристаллического кремния	ИСО-4						-
	Участок очистки поликристаллического кремния	ИСО-2					-	-
	Участок получения мультикремния	ИСО-2					-	-
	Участок контроля качества	ИСО-4						-
	Складское помещение	ИСО-9				35,2*106	8,32*106	293*103

Технологическая планировка цеха по производству мультикремния.

21м

15мм

Спецификация к технологической планировке цеха по производству мультикристаллического кремния

№ позиции	Наименование оборудования	Марка	Габариты, м*м*м	Вес, кг	Приме-чание
Основное оборудование
	Дробильная мельница для кварца	Активатор-С 100	2.2*1.7*1.7		-
	Электрорезистивная печь	ДП-1	1.2*1,2*2.6		-
	Электродуговая печь	РКО-2.5	1.2*1,2*3		-
	Установка высокотемпературного рафинирования	АГАТ	1*1*4		-
	Установка для плазмохимической чистки	На заказ	3*1*2		-
	Установка для направленной кристаллизации	"Элкем"	3*2*2		-
Вспомогательное оборудование
	Вытяжной шкаф	Лаб-1200	1*1*2		-
	Шкаф для хранения реактивов	-	1*0,4*2		-
	Монтажный стол	-	1*0,5*1		-
	Стол для документов	-	1*0,5*1		-
	Стул	-	-		-
	Тележка для переноса кремния	-	0,4*0,4		-
	Шкаф для сменной одежды	-	0,4*0,4*2		-
	Установка автоматического измерения времени жизни неосновных носителей заряда	-	0,5*0,5		-

продолжение спецификации

	Установка для четырёхзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводника	-	0,5*0,5		-
	Станок для резки блока мультикремния	-	1*1*1		-
	Станок для упаковки мультикремния	-	1*1*1		-
	Верстак	-	1*0,5*1		-
	Полки для хранения материалов	-	1*0,4*2		-
	Механическая система блоков для поднятия блока мультикремния	-	0,2*0,2		-
	Раковина для воды	-	0,5*0,5		-

Экономическая часть

Расчёт производственной мощности. Проектная мощность предприятия, цеха, участка это расчётная производительность, показывающая возможный выпуск продукции за определённый период времени, в проекте - за год. Проектная мощность определяется потребностью народного хозяйства в данной продукции, оптимальным размером предприятия для данной отрасли, максимальным использованием достижений техники, технологии и организации производства, наличием источников сырья, его качеством, режимом работы предприятия и т.д.

Мощность производства определяется из следующих условий:

1. Производительность оборудования

2. Годовой и суточный режим работы оборудования

3. Количество оборудования

4. Фонд времени работы оборудования.

Производительность аппаратов, станков, машин это количество продукции, производимой на данном оборудовании в единицу времени, например, за час, или за один цикл (аппарато-оборот).

Распространение продукции предполагается осуществлять по всей стране, поэтому основным критерием для оценочных расчётов будет являться не партия изделий, а возможные мощности производства. Предполагается закупить установки, отвечающие всем современным параметрам: соотношение цена/качество, простота эксплуатации (чтобы минимизировать затраты на обучение персонала), доступность в обслуживании (ремонт и приобретение запасных узлов), производительность, габаритные размеры.

Разработка штатного расписания цеха.

1. Число работников для установки направленной кристаллизации методом Бриджмена. В смене присутствует один работник. Существует 4 смены с графиком сутки-трое, в течение которых он контролирует работу установки. Таких работников четыре. Кроме того, есть ещё двое работников с графиком 2/2, приходящие на работы в те смены, что выпадают на извлечение и загрузку блоков кремния. Во время наблюдения работники могут заниматься резкой и упаковкой блока. 6 операторов.

2. Количество работников на установках для плазмохимической чистки. На этой установке работники работают по 8-часовой смене, 3 смены в день. Таким образом, на 2 установках работает 6 операторов.

3. Количество работников на установке высокотемпературного рафинирования кремния. Стандартная 40-часовая рабочая неделя. 1 оператор

4. Количество работников на установках карботермического восстановления. Число работников на блоке из двух установок равно двум. Один из них мастер, второй помощник. Учитывая сменный график работы, три смены день по 8 часов, и три установки: 9 операторов и 9 помощников оператора.

5. Дополнительные работники. Наладчики оборудования, 2 человека. Лаборант на установки контроля качества, 1 лаборант. Работник склада/уборщик 1 человек.

6. Мастер участка получения поликремния, очистки поликремния и получения мультикремния, 3 человека.

Полный состав работников представлен в табл. 10.

Таблица 10.

Состав штатного расписания работников цеха.

№п/п	Должность	Кол-во единиц персонала
	Оператор станка
	Помощник оператора
	Наладчик оборудования
	Лаборант контроля качества
	Работник склада
	Мастер участка
	Главный инженер цеха
	Зам.главного инженера

В цехе по производству мультикремния работа проводится по графикам сутки/трое при непрерывной рабочей неделе и по сменному графику по 8 часов (3 смены, 5 рабочих дней).

Фонд времени работы оборудования. Расчёт времени на планово-предупредительный ремонт, осмотр и проверку оборудования для каждого вида оборудования задан отдельно (см. табл. 6 и ниже раздела 2)

Количество оборудования задано подетально в соответствующем разделе. Общая лента экструзионной линии заканчивается установкой направленной кристаллизации (1шт.), которая является основной в нашем производстве.

Список основного и вспомогательного оборудования подетально представлен в табл. 7 и табл . 8.

Нормативы на транспортно-заготовительные расходы, монтаж, технологические трубопроводы и пр. приняты равными 10% стоимости основного оборудования.

Расчёт стоимости реактивов и сырья. В табл. 11 представлены использованные в работе материалы, их рыночная стоимость и количество, израсходованное в ходе эксперимента.

Таблица 11.

Расчёт стоимости реактивов и сырья за месяц

№ п/п	Наименование материалов	Марка	Ед. измерения	Цена, руб. за ед.	Израсходовано за месяц	Стоимость, руб.
	Кварцевый песок	-	кг	4,2
	Гранулированная сажа	"Диана"	кг
	Кислота HCl	-	кг		26,45
	Кислота HNO3	-	кг		54,16
	Кислота HF	-	кг
	Сжиженный газ Ar	-	л	0,1
	Дистиллированная вода	-	л	0,1
	Итого затрат на сырьё и материалы	-	-	-	-
	Транспортные затраты	-	-	-	-
	Итого	-	-	-	-

Транспортные расходы соответствуют 10% стоимости сырья и материалов и составляют 9640 руб.

Расчёт энергетических затрат производится по формуле:

,где: (13)

Тэ -время использования электрооборудования, ч.;

Цэ - цена одного кВт*час, руб;

Nj - мощность электроприборов по паспорту, кВт;

К_исп - коэффициент использования мощности оборудования, принимается равным 0,8.

В табл. 12. представлен расчёт затрат на электроэнергию за весь период исследований.

Таблица 12.

Расчёт стоимости затрат на электроэнергию.

№ п/п	Наименование прибора	Мощность, кВт	Время работы, ч	Цена, руб. за кВт*ч.	Количество израсходованной электроэнергии, кВт*час	Стоимость, руб.
	Дробильные мельницы
	Электрорезистивные печи	-
	Электродуговые печи	-
	Установки высокотемпературного рафинирования
	Установки для плазмохимической чистки
	Установка направленной кристаллизации
	Установка автоматического измерения жизни неосновных носителей заряда	0,5		10,5	31,5
	Установка измерения удельного сопротивления полупроводника	0,3		6,3	18,9
	Станок для резки мультикремния
	Станок для упаковки мультикремния	0,3		0,3	0,9
	Итого

Расход на воду с учетом слива рассчитывается по формуле:

V= V_i * t_pi * Ц_у, где (14)

V_i - часовой расход, м³/ч;

t_pi - время работы, ч.;

Ц_у - стоимость воды с учетом слива, руб./м³.

Расход воды для мытья посуды/рук 0,3 м³/ч.

Тариф на чистую воду составляет 17,20 руб./м³:

V = (0,3*729,6*17,20) = 3765 руб.

Тариф на сток – 12,90 руб./м³:

V = (0,3*729,6*12,90) = 2823 руб.

Общие затраты на воду составили 6588 руб.

Таблица 13.

Расчёт затрат на заработную плату.

Специальность и классификация работников	Число работников	Оклад, руб. (с учётом ночных смен)	Фактически отработанное время, дни (часы)	Основная заработная плата, руб.
Оператор станка			1мес
Помощник оператора			1мес
Наладчик оборудования			1мес
Лаборант контроля качества			1мес
Работник склада			1мес
Мастер участка			1мес
Главный инженер цеха			1мес
Зам.главного инженера			1мес
	Итого основная заработная плата
	Итого дополнительная заработная плата	-
	Отчисления единого социального налога 34%
	Итого заработная плата с отчислениями

Единый социальный налог (34%): 1297000*0,34 = 441000

Итого: З.п. + налоги = 1737000

Расчёт амортизационных отчислений

Расчёт амортизационных отчислений производим по формуле:

Е_ам=(К_об*Н_ам*Т_об)/(100n), где (15)

К_об – стоимость единицы прибора или оборудования, руб.;

Н_ам – норма амортизации, %;

Т_об – время использования оборудования, ч;

n – 8760 часов.

Таблица 14.

Расчет амортизации приборов и оборудования.

№ п.	Наименование прибора	Стоимость прибора, руб.	Время работы, час.	Срок службы, года.	Норма амортизации, %	Амортизационные отчисления, руб.
	Дробильная мельница для кварца
	Электрорезистивные печи
	Электродуговая печь
	Установка высокотемпературного рафинирования
	Установка для плазмохимической чистки
	Установка для направленной кристаллизации
	Вытяжной шкаф
	Шкаф для хранения реактивов
	Монтажный стол
	Стол для документов
	Стул
	Тележка для переноса кремния
	Шкаф для сменной одежды
	Установка автоматического измерения времени жизни неосновных носителей заряда
	Установка для четырёхзондового метода измерения удельного сопротивления полупроводника
	Станок для резки блока мультикремния
	Станок для упаковки мультикремния
	Верстак
	Полки для хранения материалов
	Механическая система блоков для поднятия блока мультикремния
	Раковина для воды
	Итого

Таблица 15.

Результаты расчета амортизации стеклянной посуды.

Наименование	Количество, шт.	Цена единицы, руб.	Сумма затрат, руб.
Стаканчик для взвешивания		17,80	71,20
Стакан термостойкий, 0,5 л
Фарфоровая чаша
Колба мерная		58,47	58,47
Пипетка лабораторная
Пинцет
Стеклянная палочка
Итого:			753,67

Примечание: цены на стеклянную посуду договорные.

Сумма амортизации составила 0,199 руб.

Общая сумма амортизации стеклянной посуды, приборов и оборудования составила 190338руб.

Накладные расходы соответствуют 100% от суммы заработной платы, без учёта налогов и в нашем случае составляют 1297000руб.

Таблица 16.

Итоговые затраты.

№ п/п	Наименование затрат	Сумма
руб.	%
	Затраты на сырьё, материалы и реактивы, включая транспортно - заготовительные расходы		3,7
	Энергозатраты, в том числе:
	а) электроэнергия		0,5
	б) вода
	Заработная плата с начислениями в том числе:
	а) основная заработная плата		44,6
	б) дополнительная заработная плата
	в) единый социальный налог
	Амортизационные отчисления на приборы и оборудование, и стеклянную посуду:		6,6
	Накладные расходы		44,6
	Итого

Анализ структуры затрат на проведение работ показывает, что наибольший вес составляют заработная плата работников и накладные расходы.

Бизнес-план.

Акционерное общество по производству мультикристаллического кремния производит и доставляет непосредственно к производству солн.батарей необходимый материал.

Акционерное общество располагается в Тульской области.

Главной задачей является организация постоянного рынка сбыта материала и, в идеале, объединение с другой организацией для совместного производства конечного продукта: солнечного элемента.

Цели.

1.Поиски организаций, производящий солнечный кремний.

2.Организация цеха для производства конечного продуктиа самомтоятельно или объединение с партнёром.

3.Довести стоимость 1кг солнечного элемента сначала до точки безубыточности (90долл/кг),а затем до теоретически-расчётного уровня, около 46$/кг.

Описание продукта.

Блоки мультикристаллического кремния/ резаный мультикремний по желанию клиента.

Увеличение рентабельности.

Снижение цены продукта достигается уменьшением накладных расходов, снижающихся с течением времени, и уменьшением цена сотрудников относительно числа установок (т.е. введение второго и третьего цехов).

Охрана труда

Необходимый уровень безопасности и безвредности труда на производстве обеспечивает система охраны труда, в соответствии с ГОСТ 12.0.002-80, которой следует уделять большое внимание.

В данном разделе приводятся токсические и пожаровзрывоопасные свойства веществ, используемые в работе. Обосновываются меры безопасности при проведении потенциально опасных операций, а также санитарно-гигиенические условия в лаборатории и вопросы пожарной безопасности.

Пожароопасные свойства горючих веществ и материалов и меры безопасности при работе с ними. Пожарная безопасность.

Требования пожарной безопасности изложены в Федеральном законе Российской Федерации от 19 июля 2009 г. N 198-ФЗ "О внесении изменений в Федеральный закон "О пожарной безопасности".

Сведения о пожаровзрывоопасных свойствах веществи материалов,применяемых в работе или получающихся в ходеее выполнения, представлены втабл. 17.

При использовании водородных баллонов на производстве следует помнить.

Водород - бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воздуха, плотность = 0,0899 кг/м³, t_кип = -252,76°С.

Водород физиологически инертен. Человек может выдерживать воздействие довольно больших концентраций водорода в окружающей среде. При загрязнении воздуха водородом опасность низкотемпературного поражения или удушья от недостатка кислорода вследствие падения его концентрации ниже 13% гораздо меньше, чем взрывопожароопасность водорода. Поэтому существующий комплекс мер по технике безопасности при работе с газообразным водородом предусматривает предотвращение

Таблица 17.

Пожаровзывоопасные свойства веществ, используемых в работе.

Наименование вещества

Агрегатное состояние

Температура, 0 С

Пределы воспламенения

Средства пожаротушения вещества

вспышки

самовоспламенения

воспламенения

концентрационные, % об.

температурные, 0 С

Сажа

тв.

790˚C

нижн - 60 гр/м3

Вода со смачивателями, пена, порошок ПФ.

Плавиковая,соляная кислоты HF, HCl

жид.

Свойства: негорючая пожароопасная жидкость; плотность пара по воздуху – 3,4. разбавленная кислота растворяет металлы с выделением водорода, концентрированная кислота вызывает самовоспламенение горючих веществ.

Азотная кислота HN03

жид.

Свойства: негорючая пожароопасная жидкость; плотность пара по воздуху – 2. разбавленная кислота растворяет металлы с выделением водорода, концентрированная кислота вызывает самовоспламенение горючих веществ.

Изопропиловый спирт, С3Н8О

жид.

14˚C (з.т.) 18˚C (о.т.)

430˚C

21˚C

2,23-12,7% (об.)

нижн 11˚C верх 42˚C

1) при крупных проливах – пена, распыленная вода, порошок ПСБ; 2) в помещениях – объемное тушение; 3) небольшие очаги – СО2, вода.

нижн - 60 гр/м3

пожаров и взрывов водородных смесей, а также мероприятия по устранению их последствий.

При использовании водородных баллонов на производстве следует помнить. Водород - бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воздуха, плотность = 0,0899 кг/м³, t_кип = -252,76°С.

Водород физиологически инертен. Человек может выдерживать воздействие довольно больших концентраций водорода в окружающей среде. При загрязнении воздуха водородом опасность низкотемпературного поражения или удушья от недостатка кислорода вследствие падения его концентрации ниже 13% гораздо меньше, чем взрывопожароопасность водорода. Поэтому существующий комплекс мер по технике безопасности при работе с газообразным водородом предусматривает предотвращение пожаров и взрывов водородных смесей, а также мероприятия по устранению их последствий.

Обеспечение безопасности при работе с баллонами. При неправильном хранении и эксплуатации возможны взрывы баллонов. Нередко причинами взрывов являются удары, особенно в условиях повышенных или низких температур.

Водородные баллоны могут взрываться вследствие водородной коррозии, если водород загрязнен кислородом в количестве 1%, а так же в результате накопления в баллонах окалины.

Для правильного использования баллонов в них должно быть достаточное давление газа, которое необходимо для взятия пробы газа и проведения контрольных анализов перед наполнением баллонов.

Аварии могут возникать и при неправильном использовании баллонов. Чтобы предупредить это в боковом патрубке вентиля делают разную резьбу для различных газов:

- для кислорода и инертных газов – правую;

- для водорода и горючих газов – левую.

Баллоны окрашивают в отличительные цвета и снабжают соответствующими надписями:

- для водорода – темно зеленый цвет и красной краской «водород».

Вентили у всех баллонов защищены металлическими колпаками.

Все баллоны подвергаются наружному и внутреннему осмотру и гидравлическому испытанию на менее 1 минуты. После гидравлического испытания баллоны испытывают не менее 2-х минут при рабочем давлении, погружение их в ванну с водой.

Осмотр баллонов проводиться для выявления коррозии, трещин, вмятин, а также для установления неисправности вентиля. В соответствии с правилами Гостехнадзора, при потере в весе вследствие коррозии, баллоны бракуются или относят к другому типу баллонов, рабочее давление которых меньше.

Характеристика рабочего помещения (лаборатории) по пожаровзрывоопасности приводится в соответствии с действующими нормативными документами. В настоящее время таким документом являются нормы Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности. НПБ 105-03».

Категории помещений и зданий предприятий и учреждений определяются на стадии проектирования зданий и сооружений в соответствии с настоящими нормами и ведомственными нормами технологического проектирования, утвержденными в установленном порядке.

Категории помещений и зданий, определенные в соответствии с настоящими нормами, следует применять для установления нормативных требований по обеспечению взрывопожарной и пожарной безопасности указанных помещений и зданий в отношении планировки и застройки, этажности, площадей, размещения помещений, конструктивных решений, инженерного оборудования.

Категории взрывопожарной и пожарной опасности помещений и зданий определяются для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода, исходя из вида находящихся в аппаратах и помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, особенностей технологических процессов.

По данным о свойствах применяемых и получаемых в работе веществ категорию помещения определяем по изопропиловому спирту.

Расчет начинаем с определения избыточного давления взрыва DР, рассчитываемого по формуле:

,где (16)

Р_max – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, кПа; принимаем для водорода Р_max = 634 кПа;

Р₀ – начальное давление, соответствующее атмосферному, кПа; для Москвы можно принять Р₀ = 100 кПа;

m – масса паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), вышедших в результате расчетной аварии в помещение, соответствует массе жидкости, испарившейся с поверхности разлива, кг;

Z – коэффициент участия горючего во взрыве, принимаем его значение 0,3;

V_св – свободный объем помещения, м³; определяется как разность между объемом помещения и объемом, занимаемым технологическим оборудованием; допускается принимать его равным 80 % геометрического объема помещения;

V_пом=5,2·7,3·3,8=144,25м³, отсюда V_св=115,4м³.

r_г – плотность газа или пара при расчетной температуре t_р, кг/м³, вычисляемая по формуле:

, где (17)

М – молярная масса, 60 кг/кмоль;

V₀ – мольный объем, равный 22,413 м³/кмоль;

t_р – расчетная температура, ^оС, допускается принимать ее равной температуре вспышки; t_{вспышки}=18 ^оС.

Для изопропилового спирта соответственно r_г=2,51 кг/м³.

С_ст – стехиометрическая концентрация паров ЛВЖ и ГЖ, % (об.), вычисляемая по формуле:

(18)

, где (19)

b – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции сгорания;

n_С, n_Н, n_Х, n_О – число атомов углерода, водорода, галоидов и кислорода в молекуле горючего. Для изопропилового спирта коэффициент b=4,5,

соответственно С_ст=4,38 %(об.);

К_н – коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатично