Способ получения кремния в электродуговой печи

 

Используется в производстве кремния технической чистоты. Сущность изобретения: отработанную теплоизолирующую кварцевую засыпку катодного устройства электролизера для получения алюминия из криолитглиноземного расплава фракции 20 - 70 мм смешивают с твердными углеродсодержащими восстановителями и раздробленным кварцитом. Полученную шихту подают в электродуговую печь и осуществляют плавку.

Предлагаемое изобретение относится к металлургии и, в частности к производству кремния технической чистоты.

В настоящее время кремний получают в электродуговых печах путем восстановления кремнийсодержащего сырья углеродными восстановителями. В качестве восстановителей могут быть использованы древесный уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности, каменный уголь, нефтяной кокс или их смеси и т. д. а в качестве кремнийсодержащего сырья кварцит.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором для расширения сырьевой базы и удешевления продукта в качестве кремнийсодержащего сырья используют кварцевую мелочь или кварцевый песок, смешиваемый с восстановителями и брикетируемый известным способом.

К недостаткам известной технологии относятся: значительные трудно- и энергозатраты по подготовке шихтовых материалов; привлечение дополнительного оборудования для производства брикетов.

Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение капитальных затрат при получении кремния. Поставленная цель достигается за счет того, что в способе получения кремния в электродуговой печи, включающем подачу в печь кремнийсодержащего сырья и восстановителя, в качестве кремнийсодержащего сырья дополнительно используют отработанную засыпку из крупнозернистого кварцита, извлеченную из катодного устройства алюминиевого электролизера после его эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что натрий является сильным восстановителем и может быть использован для восстановления металлов из их оксидов, например титана, циркония, тантала и т. д. В то же время известна технология получения алюминия электролизом криолитглиноземного расплава в электролизерах, катодные устройства которых выполнены из стального кожуха, выложенного теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом. Внутренние, соприкасающиеся с расплавом, поверхности катодного устройства футерованы углеграфитовыми материалами. Катодный процесс восстановления катионов алюминия сопровождается одновременным восстановлением катионов натрия. Натрий, растворяясь в катодном металле, диффундирует в углеграфитовую футеровку, что сопровождается возникновением механических деформаций в кристаллической решетке графита, и, проникая далее в теплоизолирующую футеровку, взаимодействует с ней.

При использовании в качестве теплоизолирующей футеровки (засыпки) оксида кремния в виде крупнозернистого кварцита можно получать полупродукт, который включает в себя чистый кремний. Под крупнозернистым кварцитом понимается материал фракции от 5 до 20 мм, который засыпается в качестве теплоизолирующей футеровки на стадии монтажа катодного устройства.

Металлический кремний образуется по реакции: 3SiO₂ + 4Na Si + 2Na₂SiO₃ Отработанная засыпка из крупнозернистого кварцита, извлеченная из катодного устройства алюминиевого электролизера после его эксплуатации, представляет собой монолит, который при извлечении разрушают.

Опытно-промышленные испытания были проведены на Иркутском алюминиевом заводе на алюминиевых электролизерах, при футеровке катодных устройств которых (под угольные блоки) вместо угольной подушки и огнеупорного кирпича загружали крупнозернистый кварцит в количестве 12 т. В процессе электролиза алюминия выделялся натрий, который, проникая через угольную подину, попадал в теплоизолирующую засыпку, выполненную из крурпнозернистого кварцита и, компенсируясь, взаимодействовал с ней.

Пробы кварцитовой засыпки после 1,7 лет эксплуатации электролизера, отобранные из катодного устpойства и подвергнутые рентгеноструктурному анализу, показали наличие кремния металлического до 20% силикатов натрия и кварцита в зоне температур 300-950^оС. Таким образом, при демонтаже футеровки после окончания электролиза отработанная засыпка из крупнозернистого кварцита с частично восстановленным до металлического кремния может быть направлена как часть сырья для выплавки кремния.

Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемый способ в качестве кремнийсодержащего сырья использует отработанную засыпку из крупнозернистого кварцита, извлеченную из катодного устройства алюминиевого электролизера после его эксплуатации.

Использование предлагаемого изобретения позволяет: снизить расход электроэнергии на выплавку 1 т кремния в среднем на 5-7% снизить расход кварцита на 10-15% за счет использования отработанной засыпки, которую раньше сбрасывали в отвал; снизить расход восстановителя на 3-5% Пример осуществления способа (расчет выполнен на одну навеску шихты для получения 1 т кремния). Дробленую до фракции 20-300 мм отработанную подсыпку складируют на складе кварцита, затем грейфером подают на линию подготовки кварцита, где ее додрабливают до фракции 20-70 мм и затем подают в печной бункер. При дозировании шихты для подачи в руднотермическую печь часть кварцита и восстановителей заменяют отработанной подсыпкой, содержащей 70-80% окиси кремния и 20-30% кремния. Подача подсыпки ведется по существующей линии дозировки. Например, средняя навеска шихты взята при работе руднотермических печей Иркутского алюминиевого завода за 10 месяцев 1990 г. Содержание кварцита 4,45 т, древесного угля 0,63 т, нефтяного кокса 0,36 т, древесины 1,1, каменного угля 1,25. Расход технологической электроэнергии составил 19,39 тыс.квт./ч. При использовании отработанной подсыпки в количестве 10% от количества подаваемого кварцита навеска шихты на 1 т кремния составляет: отработанной подсыпки 0,450; кварцита 3,6; древесного угля 0,55; нефтяного кокса 0,35; древесины 1,1; каменного угля 1,2. При этом использование отработанной подсыпки позволило сэкономить до 15% кварцита, до 5% восстановителя. Кроме того, наличие кремния и активного кварцита в отработанной подсыпке позволило снизить расход технологической электроэнергии до 7%

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ, включающий восстановление измельченного кремнеземсодержащего вещества углеродсодержащим материалом, отличающийся тем, что, с целью снижения себестоимости продукта, в качестве кремнеземсодержащего вещества используют смесь кварцита с отработанной теплоизолирующей кварцитовой засыпкой катодного устройства электролизера для получения алюминия из криолитглиноземного расплава фракции 20 70 мм.