Брикетированная смесь для получения кремния и способ ее приготовления

Изобретение относится к области производства кремния восстановительной плавкой кремнеземсодержащих материалов в дуговых печах.

Известно техническое решение «Шихта для производства кремния и способ приготовления формованного материала для производства кремния» [Патент №2151738 от 27.06.2000], направленное на переработку кремния, сущность которого заключается в шихте для производства кремния и способе получения одного из ее компонентов, при этом шихта для производства кремния включает кварцит, древесную щепу, нефтяной кокс, древесный уголь, мелкодисперсный кремнезем и щелочное связующее, содержит мелкодисперсный кремнезем в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварцит 35-45; древесная щепа 19-26; нефтяной кокс 11-15; древесный уголь 7-10; пыль электрофильтров газоочистки производства кремния 4,5-11; щелочное связующее 0,5-1,3, причем часть кремнезем-углеродсодержащей шихты представлена в виде предварительно сформованного материала в количестве 10-30% от массы шихты. Приготовление ее компонента - формованного материала включает смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего материала с углеродсодержащим восстановителем и щелочным связующим, формование и сушку, в качестве кремнеземсодержащего материала используют пыль электрофильтров газоочистки производства кремния, восстановителя - нефтяной кокс, на формование подают шихту следующего состава, мас.%: нефтяной кокс 55-70, пыль электрофильтров газоочистки производства кремния 25-50, щелочное связующее 3-5 и формуют материал крупностью 6-50 мм и сушат до влажности 6-8%, кроме того, на формование подают нефтекокс, содержащий фракцию не более 8 мм, в количестве не менее 70 мас.%, а на смешение подают 10-15%-ный водный раствор щелочи натрия.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является «Брикетированная смесь для получения технического кремния и способ ее приготовления» [Патент №2036144 от 27.05.1995], в котором брикетированная смесь для получения технического кремния, включает в себя кремнеземсодержащее сырье кварцевый песок, лигнин и нефтяной кокс при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварцевый песок 30-50; гидролизный лигнин 45-60; нефтяной кокс 5-10, а получают кремний по данному патенту в шихте, состоящей из кремнеземсодержащего сырья, например кварцевого песка, и лигнина. Компоненты шихты перемешивают и брикетируют. Получают брикетированную смесь смешением кремнеземсодержащего сырья кварцевого песка и лигнина, их брикетированием, причем на смешение подают нефтяной кокс, который предварительно измельчают до крупности 3 мм, а гидролизный лигнин обезвоживают до влажности 12-15% и брикетирование производят под давлением 80-95 МПа.

Однако в известных технических решениях из-за высокого содержания летучих компонентов в брикетах, полученных из брикетированной смеси, часть кремнийсодержащего сырья в виде тонкодисперсной фракции не участвует в технологическом процессе и уносится из шихты с дымовыми газами, что уменьшает реакционную способность углеродного восстановителя и снижает качество получаемого металлического кремния из рудного сырья.

Задачей изобретения является создание брикетированной смеси, способной повысить качество получаемого кремния, брикеты из которой обладают повышенными механическими свойствами.

Данный технический результат достигается тем, что брикетированная смесь для получения кремния включает в себя кремнесодержащее сырье микросилику в количестве не более 20% и углеродосодержащее сырье растительного происхождения, в качестве которого выступают отходы зерновой и/или деревообрабатывающей промышленности, что повышает качество получаемого кремния, увеличивает реакционную способность углеродного восстановителя, повышает производительность металлургических процессов восстановления кремния, удешевляет процесс его выплавки, а брикеты, полученные в процессе пиролиза из предложенной брикетированной смеси, представляют собой высокопрочный твердый микропористый высокоуглеродный продукт с равномерными по объему кремнеземсодержащими вкраплениями, что значительно повышает механические свойства брикетов и позволяет использовать полученные брикеты не только как компонент кусковой шихты, но и как самостоятельное сырье для производства металлургического кремния.

Приготовление брикетированной смеси для получения кремния включает смешение кремнеземсодержащего сырья (например, мелкодисперсный кремнезем в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния) и углеродосодержащего вещества растительного происхождения отходов производств (например, шелуха овса, опилки, отходы деревообработки и т.д.), их брикетирование для получения кремнийорганических брикетов, которые подвергают термическому пиролизу в ретортах без доступа кислорода до полного выхода пирогазов из брикета. Полученные брикеты представляют собой высокопрочный твердый микропористый высокоуглеродный продукт с равномерными по объему кремнеземсодержащими вкраплениями, что значительно повышает механические свойства брикетов.

Перед брикетированием углеродосодержащее вещество растительного происхождения, в качестве которого используют шелуху овса, высушивают до влажности 8-12% и измельчают до крупности частиц не более 3 мм. Затем формованный материал смешивают до образования однородной массы с кремнеземосодержащим сырьем - отходами кремниевого производства или микропорошком оксида кремния (микросиликой), представляющим собой ультрадисперстный материал, состоящий из частиц сферической формы, получаемый в процессе газоочистки печей при производстве кремнийсодержащих сплавов, или микропыль электрофильтров.

Далее прессование брикетируемой смеси производят в экструдере методом жесткого формирования в системе граненых фильер с подачей брикетированной массы коническим вращающимся шнеком, создающим давление, достаточное для смешения сырья в твердую массу в виде непрерывного рукава без добавления связующих элементов.

В качестве связующего вещества шелухи, опилок или отходов деревообрабатывающей промышленности выступает лигнин, содержащийся в углеродосодержащем веществе растительного происхождения. Процесс спекания брикетирующей смеси осуществляют традиционным способом, например, при температуре 170-220°C и давлении 80-90 МПа.

Температуру прессования задают в зависимости от характеристик исходного растительного сырья, которая достигается как за счет принудительного подогрева зоны прессования, так и за счет самого процесса.

После прессования брикетированной массы полученные кремнийорганические брикеты нарезают на куски необходимых размеров и загружают их в реторту. Далее подвергают их пиролизу в ретортах без доступа кислорода при температуре свыше 450°C до 520°C.

В процессе пиролиза углеродосодержащего вещества растительного происхождения из него выделяются пирогазы (CO₂, H₂, CO, углеводороды, смолы и проч. летучие вещества), которые естественным образом отводятся в топку для сжигания с образованием тепла, необходимого для поддержания процесса пиролиза в реторте. О завершении процесса пиролиза судят по прекращению горения пирогазов.

По окончании процесса пиролиза брикеты охлаждают до температуры окружающей среды.

Результаты лабораторных испытаний кремнийорганических брикетов при разном содержании микросилики в сырых брикетах приведены в таблице:

При массовой доле микросилики не более 20% брикеты после пиролиза имеют высокую механическую прочность, сравнимую с прочностью древесного угля (механическая прочность березового древесного угля находится в пределах 19,5 до 33,4 МПа), что позволяет их использование как высокореакционного восстановителя при производстве кремния.

Определение механической прочности брикетов после пиролиза проводили по ГОСТ 21289-75.

Экспериментальным путем было подтверждено, что брикетированная смесь для получения кремния, содержащая кремнесодержащее сырье, которым является микросилика, в количестве не более 20%, а углеродосодержащее вещество растительного происхождения, в качестве которого выступают отходы зерновой и/или деревообрабатывающей промышленности, повышает качество получаемого кремния, увеличивает реакционную способность углеродного восстановителя, повышает производительность металлургических процессов восстановления кремния и удешевляет процесс его выплавки, а брикеты, полученные в процессе пиролиза из предложенной брикетированной смеси, представляют собой высокопрочный твердый микропористый высокоуглеродный продукт с равномерными по объему кремнеземсодержащими вкраплениями, которые возможно использовать не только как компонент кусковой шихты, но и как самостоятельное сырье для производства металлургического кремния.

Основным преимуществом предложенного технического решения является сохранение природных богатств, т.к. в предложенном техническом решении используются только отходы производств: зернового производства, например из шелухи овса, деревообрабатывающей промышленности, например опилок, а также отходов, имеющих место в процессах получения металлургического кремния, например микросилики.

Брикетированная смесь для получения кремния, включающая кремнесодержащее сырье и углеродосодержащее сырье растительного происхождения, отличающаяся тем, что кремнесодержащим сырьем является микросилика в количестве не более 20%, а углеродосодержащее сырье имеет растительное происхождение, в качестве которого выступают отходы зерновой и/или деревообрабатывающей промышленности.