Шихта для производства кристаллического кремния

 

Изобретение относится к шихте для производства кристаллического кремния. Сущность изобретения: шихта для производства кристаллического кремния включает следующие компоненты, мас.%: кварцит 47,0 - 50,0, древесный уголь 2,0 - 6,5, нефтяной кокс 3,0 - 5,0, продукт химической обработки полукокса 9,0 - 15,0, древесная щепа 30,0 - 32,5. Химическая обработка включает последовательную обработку кислотой, затем щелочью и снова кислотой. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кремния и чистых по примесям сортов высококремнистого ферросилиция.

Кристаллический кремний находит все большее применение в технике. Он является основой для производства сплавов кремния с алюминием (силуминов), которые нашли широчайшее применение в моторостроении. Высшие сорта кристаллического кремния используются для производства кремния полупроводниковой чистоты. Без подобных сортов кремния невозможно и производство кремнийорганических соединений.

Наиболее близкой к заявляемой является шихта, состоящая из кварцита, древесного угля, нефтяного кокса, газового угля и древесной щепы. Подобная шихта имеет следующее соотношение компонентов, мас. доля в кварцит 38,5 43,9 др. уголь 8,4 9,6 нефтяной кокс 5,0 5,6 газовый уголь 15,9 18,1 древесная щепа 22,7 32,1 (см. например, Марголан Б.В. Варющенков А.М. Электрический баланс выплавки кремния в мощных электропечах. Цветные металлы, 1983, N 4, с. 47 - 48).

Введение в эту шихты древесной щепы в объеме 1000 2000 кг/т кристаллического кремния почти устраняет ее спекание. Это позволяет вести плавку как в печах небольшой мощности (5 -6 МВА), так и в современных мощных РТП, например в печах 25 МВА. Кроме этого, в этой шихте значительная часть дефицитного древесного угля заменяется низкозольным газовым углем. В результате расход дефицитного древесного угля сокращается на 650 900 кг/т, а себестоимость сплава (в ценах 1992 г.) снижается более чем на 3500 5000 руб/т. Однако и при плавке на этой шихте вынос пылеватых фракций восстановителя остается очень высоким. Поэтому плавка сплава идет нестабильно, а расход электроэнергии колеблется в пределах 15 18 тыс. кВтч/т. Высок и угар углерода. Он достигает 60 70% Задачей изобретения является уменьшение расхода дефицитного древесного угля и уменьшение угара восстановителя. Поставленная задача достигается тем, что в шихту дополнительно вводится продукт химической обработки полукокса, а шихта состоит из следующих компонентов, мас. доля в кварцит 47,0 50,0 древесный уголь 2,0 6,5
продукт химической обработки полукокса 9,0 15,0
нефтяной кокс 3,0 5,0
древесная щепа 30,0 32,5
Замена древесного угля на продукты химической обработки полукокса не изменяет электросопротивления и реакционной способности восстановительной смеси. Вместе с этим замена позволяет стабилизировать шихту и обеспечить как глубокую посадку электродов, так и достаточно полное использование монооксида кремния из газов, отходящих из горна рудно-термической печи. Структурная прочность полукокса в несколько раз выше, чем древесного угля. Поэтому при дозировании, перегрузках и загрузке подобной шихты в ней практически не образуется мелочи. Это в несколько раз уменьшает вынос и угар восстановителя и позволяет значительно повысить точность его дозирования. В результате извлечение кремния с повышением в расходе восстановителей доли полукокса повышается и достигает 74 81% а расход кварцита понижается. Вместе с этим обработка полукокса последовательно кислотой, а затем щелочью позволяет понизить в полукоксе содержание золы примерно до 4 12% в низкозольной части и до 20 24% в высокозольной части полукокса, а содержание Fe₂O₃ и Al₂O₃ в золе соответственно до 1,0 2,0% и 1,0 5,0% Это позволяет при расходе полукокса 700 кг/т при содержании в кварците 0,2% Fe₂O₃ выплавлять кристаллический кремний, соответствующий по содержанию железа и алюминия кремнию марки Кр1-2, а при использовании кварцита с содержанием Fe₂O₃ 0,09% кристаллического кремния марки Кp1-Кр0. Выход Кр00 при этом колеблется в пределах 10 30% от плавок. В результате затраты на производство кремния по сравнению с плавкой на чистом древесном угле (при плавке на шихте, содержащей газовый уголь, сплавы Кр0 и Кр00 даже из особочистого кварцита не получаются) только за счет экономии древесного угля снижаются в современных ценах не менее 5 тыс. руб/т. Кроме этого, экономия за счет уменьшения расхода кварцита и электроэнергии составит 2 2,3 тыс. руб./т.

При расходе продуктов химической переработки полукокса больше чем 15% понижается сортность кремния, преимущественно по железу, а при расходе, меньшем чем 9% сильно растут расход древесного угля и угар восстановителя. Это приводит не только к повышению затрат на производство сплава, но и к расстройствам процесса, понижению извлечения кремния и перерасходу электроэнергии.

Расход щепы влияет на спекание шихты на колошнике и расход электроэнергии. При меньшем чем 30% расходе щепы шихта на колошнике начинает спекаться, что увеличивает расход энергии за счет повышения улета кремния, а при расходе щепы, большем чем 32,5% растет расход энергии на испарение влаги.

Примеры исполнения.

Пример 1. Ангарский полукокс (А_c 29% химсостав золы: SiO₂ 73% Al₂O₃ 14,3% Fe₂O>₃ 7,8%) разделили на две фракции низкозольную (A_c 20%) и высокозольную (A_c 38,5%).

Полукокс каждой фракции крупностью 15 40 мм затем обработали сначала азотной (17%) кислотой (Т:Ж 1:5; температура 90 100^o С; время 2 5 часов), затем после промывки водой щелочью (30% NaOH) при тех же параметрах, после чего повторно соляной кислотой и щелочью и снова кислотой, в результате этого получили следующие результаты (см. табл. 1).

Как видно из приведенных данных, продукты пятикратной обработки (кислота; щелочь; кислота; щелочь; кислота) могут быть использованы не только для плавки Кр1-2, но и Кр0-Кр00 как по железу, так и алюминию.

Пример 2. Для условий плавки из Баничского кварцита (Fe₂O₃ 0,09%) с использованием в качестве восстановителя продуктов химической обработки низкозольного и высокозольного полукокса рассчитали шихту и материальный и тепловой баланс плавки. При этом в зависимости от его расхода получили сплав КР0-Кр00 по железу и Кр0-Кр1 по алюминию при следующих показателях (см. табл. 2).

Как видно из данных, приведенных в табл. 2, введение в шихту продуктов химобработки полукокса позволяет получить следующие преимущества:
уменьшить расход древесного угля в 2 3,5 раза по сравнению с прототипом;
уменьшить долю примесей Fe₂O₃ и Al₂O₃, вносимых заменителями древесного угля, в 2 3 раза;
снизить расход электроэнергии и себестоимость сплава.

Формула изобретения

Шихта для выплавки кристаллического кремния, включающая кварцит, древесный уголь, нефтекокс и древесную щепу, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит продукт, полученный из полукокса его химической обработкой щелочнокислотным обеззоливанием при следующем соотношении компонентов, мас.

Кварцит 47,0 50,0
Древесный уголь 2,0 6,5
Нефтяной кокс 3,0 5,0
Продукт химической обработки полукокса 9,0 15,0
Древесная щепа 30,0 32,5

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2