Способ производства технического кремния

 

Изобретение относится к способу производства технического кремния, включающему дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты из кварцита, нефтяного кокса, древесного угля и древесной щепы. Сущность: нефтяной кокс перед введением в шихту обрабатывают раствором каустической соды, подсушивают до влажности 6-12% и смешивают с кварцитом, древесным углем и древесной щепой; при этом проплавление ведут во вращающейся руднотермической печи с профилем ванны в виде усеченного конуса большим основанием вверх. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве технического кремния.

Известен способ производства кремния, включающий в себя дозирование, смешение, загрузку и проплавление в электропечи шихты из кварцита и древесного угля (Рагулина Р. И. Емлин Б.Н. Электротермия кремния и силумина. М: Металлургия, 1972, с. 240). Однако, такой способ производства связан с расходом крайне дефицитного и дорогого вида сырья древесного угля. Кроме того, такой способ сопровождается исключительно большими потерями восстановителя. Последнее объясняется тем, что древесный уголь очень непрочен и при введении в шихту и особенно при ее перегрузках интенсивно дробится и истирается.

Наиболее близким к заявляемому является способ плавки кремния в мощных печах, в котором часть древесного угля заменяется нефтяным коксом и каменным углем, а полученная шихта перед загрузкой на колошник предварительно смешивается с древесной щепой (Варюшенков А.М. Меньшиков П.С. Применение каменноугольного концентрата в качестве восстановителя при выплавке кремния. Цветные металлы. 1987, N 1, с. 67). При таком способе плавки часть древесного угля заменяется более дешевым нефтяным коксом и каменным углем, а спекание шихты частично устраняется и глубина посадки электродов повышается за счет рыхления шихты древесной щепой. Затраты на производство кремния при таком способе плавки заметно ниже. Однако, реакционная способность нефтяного кокса низкая, кроме того, при замене древесного угля нефтяным коксом увеличивается электропроводность шихты. Это приводит к уменьшению заглубления электродов в ванну печи, а в сочетании с низкой реакционной способностью к увеличению выноса пыли, повышению расхода электроэнергии и снижению качества кремния. Поэтому для большего заглубления электродов в шихту вместе с нефтяным коксом вводится каменный уголь. Это несколько уменьшает вынос пыли, однако, обычно ухудшает качество кремния, в особенности по содержанию железа и алюминия.

Целью изобретения является повышение качества кремния, в первую очередь по содержанию железа и алюминия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе плавки кремния, включающем в себя дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты в руднотермической печи с круглой ванной, нефтяной кокс предварительно обрабатывается водным раствором соды, после чего сушится до содержания влаги 6-12 и смешивается с кварцитом и древесной щепой, после чего загружается на колошник печи конусами высотой 400-500 мм вокруг электродов.

Решению поставленной цели способствует и то, что обработка нефтяного кокса раствором соды производится в закрытой емкости, а давление во время обработки повышается до 500-1000 кПа.

Решению поставленной цели способствует и то, что плавка на шихте подобного состава ведется в круглой вращающейся печи с футеровкой горна, выполненной в виде обратного конуса.

Нефтяной кокс по химическому составу является одним из самых чистых восстановителей. Он почти не содержит золы. Содержание таких вредных примесей, как оксиды железа и алюминия в нефтяном коксе составляют только ≈0,3 кг/100 кг углерода, что близко к древесному углю. Структурная прочность нефтяного кокса в 1,5-2 раза выше, чем у древесного угля. Однако, нефтяной кокс отличается низкой реакционной способностью, а при нагревании и повышенной проводимостью. Последнее связано с тем, что нефтяной кокс имеет заметно меньшую, чем древесный уголь и даже обычный кокс пористость. Кроме того, в нефтяном коксе поры в большинстве закрытые. Обработка нефтяного кокса водным раствором соды примерно на порядок повышает его реакционную способность. Реакционная способность также значительно повышается в результате того, что при давлении 500-1000 кПа значительно растет объем и поверхность открытых пор. Наконец, для повышения реакционной способности нефтяного кокса очень важным является и режим сушки, при котором содержание влаги в нефтяном коксе сохраняется в пределах 6-12% При таком содержании влаги в нефтяном коксе расход электроэнергии на ее испарение из шихты почти не увеличивается. Вместе с этим при загрузке такого нефтяного кокса на колошник печи влага, особенно в закрытых порах нефтяного кокса, вскипает, что увеличивает объем открытых пор. При содержании влаги менее 6% подобный эффект почти не проявляется. При увеличении содержания влаги более 12% реакционная способность нефтяного кокса почти не увеличивается, тогда как расход электроэнергии растет.

Реакционная способность нефтяного кокса повышается в результате того, что отложившаяся в порах сода при нагревании нефтяного кокса диссоциирует по реакции Na₂CO₃ _→ Na₂O+CO₂ (1). а выделяющаяся углекислота активирует поверхность как за счет механического разрушения перегородок закрытых и полузакрытых пор, так и в результате окисления поверхности по реакции CO₂ + C 2CO.

Таким образом, повышение реакционной способности нефтяного кокса достигается как за счет активации поверхности щелочами, так и за счет увеличения реакционной поверхности открытых пор и повышения доступности пор для отходящих из горна печи реакционных газов (разрушение перегородок при обработке раствором под давлением; испарение влаги; выделение CO₂).

Поставленные цели достигаются также в результате того, что плавка кремния на шихте, в которой в качестве восстановителя используется нефтяной кокс, осуществляется во вращающейся печи с футеровкой горна, выполненной в виде обратного конуса большим основанием вверх. Последнее вызвано тем, что нефтяной кокс отличается от древесного угля более низким удельным электросопротивлением. Поэтому плавка в печи с футеровкой, выполненной в виде обратного конуса, с одной стороны, увеличивает путь тока и электросопротивление печи, с другой стороны, сохраняет необходимую для плавки кремния теплонапряженность на подине.

Пример 1. Нефтяной кокс под давлением 1000 кПа обрабатывали водным раствором соды (Na₂CO₃ 5-60 г/л) в течение 0,5-1 ч, после чего просушивали в сушильном шкафу до влажности 8% и контролировали реакционную способность по стандартной методике при 1323 К. Реакционная способность исходного нефтяного кокса составляла 0,42 мл/г·с, после обработки - 1,2-1,6 мл/г·с.

Пример 2. Нефтяной кокс, обработанный водным раствором соды, подсушивали до влажности 8% затем кратковременно нагревали до 1273 К и определяли плотность пикнометрическим взвешиванием. В результате обработки истинная плотность нефтяного кокса выросла с 1,4 до обработки до 1,7 после обработки, а объем пор, доступных для газовой фазы, увеличился в 1,6 раза.

Пример 3. Способ реализуется в условиях плавки кремния в печи PKO 25-КрИ1 следующим образом. Нефтяной кокс обрабатывается в закрытой емкости под давлением 750 кПа водным раствором соды, после чего подсушивается за счет тепла колошниковых газов. После чего смешивается с кварцитом и древесной щепой. Шихта состоит из 300 кг кварцита, 50 кг древесного угля, 85 кг нефтяного кокса и 200 кг древесной щепы. Шихта загружается на колошник конусами высотой 400-500 мм вокруг электродов, периодически опиковывается и подгребается машиной. Печь во время проплавления вращается со скоростью 80-100 об/ч. Извлечение кремния в сплав колеблется в пределах 72-78% Выход кремния марки Кр1 составляет 93% Предлагаемый способ плавки позволяет по сравнению с прототипом получить следующие преимущества.

1. Заменить часть древесного угля менее дорогим и менее дефицитным нефтяным коксом.

2. Исключить из шихты каменный уголь и тем самым повысить выход кремния марок Кр1 и КрО до 93% 3. Обеспечить глубокую посадку электродов, уменьшить до 14-15 тыс. кВт·ч/т расход электроэнергии и на 3-5% повысить извлечение кремния.

Формула изобретения

1. Способ производства технического кремния, включающий дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты из кварцита, нефтяного кокса, древесного угля и древесной щепы, отличающийся тем, что нефтяной кокс перед введением в шихту обрабатывают раствором каустической соды, подсушивают до влажности 6 12% и смешивают с кварцитом, древесным углем и древесной щепой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проплавление ведут во вращающейся руднотермической печи, с профилем ванны в виде усеченного конуса большим основанием вверх.