Способ подготовки шихты для выплавки кремния

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству кремния. Сущность изобретения: шихту на основе кремнеземсодержащего материала и углеродистого восстановителя дробят, смешивают компоненты в стехиометрическом соотношении и окусковывают в присутствии связующего. При этом окускование проводят при температуре 50 200°С, перед окускованием добавляют в смесь элементарный кремний крупностью 0,01 мм, а в качестве связующего применяют жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас. элементарный кремний 1 6, жидкое стекло 12 20, стехиометрическая смесь кремнеземсодержащего материала и углеродистого восстановителя 74 87. 6 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству кремния.

В настоящее время технический кремний получают электротермическим способом путем восстановления кремния из кремнезема углеродом, в процессе электроплавки кремния используется шихта, состоящая из кварцита и смеси углеродистых восстановителей. Наиболее распространенным промышленным способом подготовки шихтовых материалов к плавке является их дробление до крупности 60 мм с последующим отсевом мелких (-5-10 мм) фракций (Венгин С.И. и Чистяков А.С. Технический кремний. М. Металлургия, 1972, с.28-29).

Основным недостатком такого способа является низкая реакционная способность получаемой шихты, в результате чего электроплавка кремния осложнена высокими потерями оксида кремния полупродукта восстановления с отходящими газами, что приводит к снижению извлечения кремния в сплав (до 60%) и повышению удельного расхода электроэнергии.

Наиболее близким к предлагаемому является способ подготовки шихты для выплавки кремния на основе кремнийсодержащего материала и углеродистого восстановителя, в котором исходные компоненты дробят, смешивают окусковывают в присутствии связующего (Заявка Великобритании N 1335351, кл. С 01 В 33/02, 1973).

Чтобы повысить извлечение кремния в сплав и снизить удельный расход электроэнергии за счет повышения пористости шихты, увеличения ее удельного электросопротивления и адсорбционной способности по отношению к газообразному оксиду кремния, в предлагаемом способе углеродистый восстановитель и кремнеземсодержащий материал дробят до крупности 5 мм, смешивают их в стехиометрическом соотношении, а окускование производят при температуре 50-200^оС в присутствии в качестве связующего жидкого стекла, при этом перед окусковыванием в смесь добавляют элементарный кремний при следующем соотношении компонентов, мас. Элементарный кремний 1-6 Жидкое стекло 12-20 Стехиометрическая смесь 74-87 В основе способа подготовки шихты лежат химические реакции окисления кремния в щелочной среде жидкого стекла с образованием кремнезема и силикатов щелочных металлов, а также газообразного водорода. Например, при использовании натриевого жидкого стекла данные реакции имеют вид Si (тв) + 2H₂O (ж) SiO₂ (тв) + 2H₂ (г), (1) Si (тв) + 2NaOH (p-p) + H₂O (ж) Na₂O^.SiO₂ (тв) + 2H₂ (г), (2) Si (тв) + Na₂O^.SiO₂ (p-p) + +2H₂O (ж) Na₂O^.2SiO₂ (тв) + 2H₂ (г) (3) При использовании калиевого жидкого стекла химизм процесса окисления аналогичен представленному.

Приведенные химические реакции протекают с выделением значительного количества тепла, что приводит к резкому ускорению процесса испарения водной части жидкого стекла, вплоть до полного затвердевания. Повышение вязкости жидкого стекла протекает одновременно с выделением газообразного водорода. В результате испарения воды и выделения водорода в объеме шихтовой смеси формируется развитая система микро-, мезо- и макропор, причем микро- и мезопоры характерны для поверхности куска шихты, а микропоры для его объема. Суммарная пористость шихты зависит от крупности частиц вводимого в ее состав элементарного кремния и его количества, массовой доли и вязкости жидкого стекла, а также от температуры, при которой проводится окускование.

Измельчение вводимого в состав шихты элементарного кремния приводит к повышению его удельной поверхности, а следовательно, к увеличению скорости реакций, генерирующих водород и тепло. Поэтому в период обезвоживания жидкого стекла и полного затвердевания шихты при прочих равных условиях (массовые доли жидкого стекла и элементарного кремния, температура окускования) введение более тонкодисперсного порошка элементарного кремния приводит к более сильному вспениванию шихтовой смеси, чем грубодисперсного, в связи с выделением большого объема водорода и водяного пара. Кроме того, для всего объема шихты, полученной при введении тонкодисперсного кремния, характерны поры значительно более тонкие, чем поры, образующиеся при введении грубодисперсного кремния. Введение кремния грубого помола приводит к образованию в объеме и в поверхностном слое шихты ноздреватой структуры сквозных пор диаметром до 10 мм, что вызывает резкое снижение механической прочности.

Массовая доля вводимого элементарного кремния при прочих равных условиях влияет на пористость полученной шихты, однако верхний предел содержания кремния ограничен невозможностью расходования избытка кремния в реакциях 1-3 по причине монотонного повышения вязкости и исчезновения жидкой фазы, способной к взаимодействию с кремнием в процессе вспенивания.

Количество жидкого стекла и его свойства (модуль основности, вязкость) оказывают влияние на пористость и механическую прочность получаемой шихты. Применение жидкого стекла с модулем основности выше 3,0 вызывает снижение механической прочности шихты в связи с низкой адгезионной прочностью связующего вещества. Снижение модуля основности ниже 2,0 путем добавления к жидкому стеклу едкого натра (NaOH) приводит к снижению вязкости связующего ниже значения, достаточного для формирования устойчивой до полного затвердевания связующего вещества пенистой структуры (образующиеся пузырьки лопаются, газовые полости сливаются по мере выделения газов). В связи с этим для получения шихты использовали раствор промышленно производимого растворимого стекла (ГОСТ 13079-81 "Силикат натрия растворимый") плотностью 1,4 г/см³, с модулем основности 2,61-3. Разбавление жидкого стекла указанного состава водой приводит к снижению его вязкости и клейкости, а следовательно, к ухудшению механических свойств шихты. Повышение массовой доли жидкого стекла в смеси выше 20 мас. вызывает ухудшение условий формирования пористой структуры в связи со снижением вязкости смеси, увеличением времени затвердевания связующего, как следствие, снижается пористость шихты и повышается ее себестоимость. Уменьшение количества жидкого стекла в смеси ниже 10 мас. приводит к повышению вязкости смеси, что существенно затрудняет гомогенизацию смеси и затормаживает процессы вспенивания.

Повышение температуры вспенивания приводит к увеличению скорости пенообразования вследствие ускорения процессов обезвоживания жидкого стекла и химических реакций 1-3. Заметное влияние температуры на скорость вспенивания имеет место только при температуре выше 50^оС. При увеличении температуры выше 200^о скорость эндотермического процесса обезвоживания жидкого стекла превышает скорость экзотермических реакций окисления кремния и быстрое повышение вязкости жидкого стекла снижает полноту протекания реакций 1-3 препятствует расходование кремния. В этом случае суммарный объем газов, выделяющихся в период времени от начала реакции до полного затвердевания связующего вещества, уменьшается, а следовательно, снижается пористость полученной шихты.

Применение при выплавке кремния шихты, характеризующейся повышенной пористостью, способствует увеличению извлечения кремния в сплав и снижению расхода электроэнергии, что объясняется высокой сорбционной активностью шихты по отношению к газообразному оксиду кремния и снижению потерь кремния с отходящими газами.

Повышение пористости шихты приводит к увеличению ее удельного электросопротивления за счет уменьшения суммарной поверхности электрических контактов между частицами (возникновение пор вызывает разрывы электрических цепочек в объеме куска шихты). Высокое удельное электросопротивление шихты, загружаемой в печь для выплавки кремния, способствует улучшению электрического режима работы электропечи в связи с увеличением глубины посадки электродов в шихту (уменьшение дугового промежутка), увеличению теплового КПД электропечи за счет повышения толщины теплоизолирующего колошникового слоя шихты и концентрация теплового поля в нижних горизонтах печи в районе электрических дуг, улучшению условий массообмена, выраженного в повышении толщины колошникового слоя шихты и снижении его температуры, что приводит к повышению полноты улавливания восходящего из нижних горизонтов печи газообразного оксида кремния в колошниковом слое благодаря интенсификации экзотермических процессов конденсации и диспропорционирования SiO с образованием конденсированных продуктов кремния и кремнезема по реакции 2SiO(г) __ SiO(тв) + SiO₂(тв), а также улучшению условий взаимодействия SiO(г) с углеродом с образованием конденсированного карбида кремния SiO(г) + 2С(тв) SiC(тв) + СО(г).

Возникновение перечисленных эффектов, вызывающих снижение потерь кремния с отходящими газами, приводит к повышению извлечения кремния в сплав и снижению расхода (удельного) электроэнергии.

Шихту получали следующим образом.

Кремнеземсодержащий материал (кварцевый песок с содержанием SiO₂S 98,0 мас. ) и углеродсодержащий восстановитель (смесь древесного угля с нефтяным коксом в массовом соотношении 1:1, с содержанием твердого углерода 78,5 мас. ) в соотношении, необходимом для вплавки кремния, смешивали с порошком элементарного кремния и жидким стеклом, полученную смесь делили на порции и вспенивали связующее путем изотермической выдержки до полного затвердевания. Изучено влияние размера частиц кремнеземсодержащего материала и углеродистых компонентов, количества вводимого кремния (элементарного) и его крупности, количества жидкого стекла и температуры вспенивания связующего на механическую прочность, пористость и удельное электросопротивление шихты, а также время ее полного затвердевания. Результаты исследований представлены в табл. 1-4.

В табл. 1 показано влияние крупности частиц смеси кремнеземсодержащего материала и углеродистых компонентов на механическую прочность, пористость и удельное электросопротивление шихты, полученной при смешении 5 мас. элементарного кремния фракции 0,01 мм, 15 мас. жидкого стекла, остальное смесь кварцевого песка, древесного угля и нефтяного кокса, температура вспенивания 100^оС.

Из табл.1 следует, что оптимальный вариант для верхнего предела крупности компонентов смеси составляет не более 5 мм. Нижний предел крупности компонентов смеси не устанавливается, так как любое уменьшение размеров частиц компонентов смеси приводит к увеличению механической прочности, пористости и удельного электросопротивления шихты. Увеличение размера частиц компонентов выше 5 мм приводит к резкому снижению механической прочности шихты несмотря на незначительное снижение общей ее пористости. Это обусловлено образованием в объеме шихты большого количества крупных макропор диаметром до 4-8 мм. Помимо этого когезионная прочность крупных частиц углеродистых материалов меньше, чем мелких, в связи с большим количеством микротрещин, локализованных в объеме крупных частиц. По этой причине увеличение крупности частиц компонентов шихты приводит к снижению ее механической прочности.

В табл.2 представлено влияние количества элементарного кремния на механическую прочность, пористость, удельное электросопротивление и время полного затвердевания шихты, полученной при смешении 15 мас. жидкого стекла, остальная смесь кварцевого песка, древесного угля, нефтяного кокса и элементарного кремния, температура вспенивания 100^оС, крупность частиц компонентов 5 мм. Представленные данные свидетельствуют, что оптимальный вариант для элементарного кремния, т.е. количество, необходимое для приготовления достаточно механически прочной и пористой шихты, составляет 1-6 мас. Введение элементарного кремния в состав шихты в количестве менее 1 мас. практически не вызывает повышения пористости и удельного электросопротивления, а увеличение массовой доли кремния выше 6 мас. приводит к резкому снижению механической прочности шихты за счет образования в ее объеме крупных газовых полостей с тонкими стенками.

В табл. 3 представлено влияние крупности частиц элементарного кремния, вводимого в состав шихты, на ее механическую прочность, пористость, удельное сопротивление и время полного затвердевания. Шихта содержит 15 мас. элементарного кремния, остальное смесь кварцевого песка, древесного угля и нефтяного кокса (крупность частиц -5 мм), температура вспенивания 100^оС.

Результаты исследований позволяют заключить, что оптимальный класс крупности частиц элементарного кремния составляет -0,01 мм, уменьшение размера частиц ниже указанного предела вызывает улучшение свойств шихты (повышение пористости, удельного электросопротивления, уменьшение времени полного затвердевания) при незначительном уменьшении ее механической прочности, а увеличение крупности выше 0,01 мм приводит к резкому усилению диффузионных затруднений процессов окисления кремния и, как следствие, к увеличению времени затвердевания шихты, снижению ее удельного электросопротивления, пористости и адсорбционной способности по отношению к газообразному оксиду кремния.

В табл.4 показано влияние количества жидкого стекла на механическую прочность, пористость, удельное электросопротивление и время полного затвердевания шихты, полученной при смешении 4 мас. порошка элементарного кремния крупностью -0,01 мм, остальное смесь кварцевого песка, древесного угля, нефтяного кокса (крупность частиц -5 мм) и жидкого стекла, температура вспенивания 100^оС.

Представленные данные показывают, что приемлемые свойства шихты достигаются при введении в ее состав жидкого стекла в количестве 12-20 мас. Снижение массовой доли жидкого стекла ниже 12 мас. вызывает значительное уменьшение механической прочности шихты, а увеличение содержание жидкого стекла выше 20 мас. приводит к резкому повышению времени полного затвердевания связующего, снижению пористости и удельного электросопротивления.

В табл.5 показана зависимость механической прочности, пористости, удельного электросопротивления и времени полного затвердевания шихты, полученной при смешении 5 мас. элементарного кремния крупностью -0,01 мм, 15 мас. жидкого стекла, остальное смесь кварцевого песка, древесного угля и нефтяного кокса (крупность частиц -5 мм) от температуры вспенивания связующего.

Представленные данные свидетельствуют о том, что оптимальные температуры вспенивания связующего укладываются в интервале 50-200^оС. Проведение операции вспенивания при температуре ниже 50^оС приводит к получению шихты, характеризующейся низкими пористостью и удельным электросопротивлением. При этом операция вспенивания отличается большой, технологически неприемлемой продолжи- тельностью, снижающей производительностью предела. Увеличение температуры вспенивания выше 200^оС приводит к незначительному повышению пористости и удельного электросопротивления шихты, однако вызывает повышение расхода электроэнергии и увеличение себестоимости шихты.

Для исследования особенностей выплавки кремния с использованием подготовленной предлагаемым способом шихты проводили опытные плавки на крупнолабораторной однофазной электропечи мощностью 100 кВА с графитовым электродом диаметром 200 мм. В ходе экспериментов проведено сравнение металлургических свойств шихты, полученной методом смешения кварцевого песка, крупностью 5 мм и углеродистого восстановителя (древесного угля с нефтяным коксом в массовом соотношении 1:1, крупностью 5 мм) с 6 мас. порошка элементарного кремния крупностью 20,01 мм и 15 мас. жидкого стекла, разделения смеси на порции массой 5-20 г и окускования в процессе изотермической выдержки при температурах 50-200^оС в присутствии связующего, и шихтового материала, подготовленного путем смешения предварительного раздробленного до крупности -5 мм кварцита и углеродистого восстановителя (смесь нефтяного кокса с древесным углем в массовом соотношении 1:1), диспергирования смеси в планетарной мельнице М-4 в течение 20 мин с последующим смешением продукта диспергирования с 4 мас. концентрата сульфитно-спиртовой барды (связующее) и окускования при давлении прессования 300 кгс/см². Стехиометрическое соотношение кремнезема и углерода в обоих вариантах принято равным. Результаты экспериментов представлены в табл.6. Металлургические свойства шихтовых материалов и технико-экономические показатели электроплавки кремния с их использованием показывают, что применение при выплавке кремния шихты, обладающей повышенными пористостью, удельным электросопротивлением и сорбционной способностью по отношению к газообразному оксиду кремния, позволяет увеличить извлечение кремния в сплав на 5,66-7,55% снизить удельный расход электроэнергии на 1517 кВт.ч/т, за счет снижения содержания оксида кремния в отходящих газах, уменьшить запыленность производственного помещения и улучшит условия труда.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ КРЕМНИЯ на основе кремнеземсодержащего материала и углеродистого восстановителя, включающий дробление исходных компонентов, смешивание их и окускование в присутствии связующего, отличающийся тем, что исходные компоненты дробят до крупности 5 мм, смешивают в стехиометрическом соотношении, а окускование производят при 50-200^oС, при этом перед окускованием в смесь добавляют элементарный кремний крупностью -0,01 мм, а в качестве связующего применяют жидкое стекло при следующем соотношении компонентов, мас.

Элементарный кремний 1 6
Жидкое стекло 12 20
Стехиометрическая смесь кремнеземсодержащего материала и углеродистого восстановителя 74 87

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4