Способ получения кристаллического кремния с использованием рексила

Номер патента: 26747

Опубликовано: 15.03.2013

Авторы: Ким Василий Анатольевич, Щебентовский Владимир Дмитриевич

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Способ выплавки кристаллического кремния с использованием РЕКСИЛа
Изобретение относится к металлургии ферросплавов, конкретно к выплавке кристаллического кремния.
Технический результат изобретения - изменение состава шихты для выплавки кристаллического кремния, повышение степени извлечения кремния и чистоты выплавляемого металла, снижение удельного расхода электроэнергии и повышение производительности руднотермической печи в единицу времени.
Поставленная задача достигается путем проплавления в руднотермической печи многокомпонентной шихты состоящей из кварцита и/или кварцаи смеси различных видов твердых углеродных восстановителей содержащей РЕКСИЛ, либо проплавления двухкомпонентной шихты, состоящей только из кварцита и/или кварца и только одного твердого углеродного восстановителя - РЕКСИЛа.

Текст

Смотреть все

(51) 01 33/025 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Технический результат изобретения - изменение состава шихты для выплавки кристаллического кремния, повышение степени извлечения кремния и чистоты выплавляемого металла,снижение удельного расхода электроэнергии и повышение производительности руднотермической печи в единицу времени. Поставленная задача достигается путем проплавления в руднотермической печи многокомпонентной шихты состоящей из кварцита и/или кварца и смеси различных видов твердых углеродных восстановителей содержащей РЕКСИЛ,либо проплавления двухкомпонентной шихты,состоящей только из кварцита и/или кварца и только одного твердого углеродного восстановителя РЕКСИЛа.(76) Щебентовский Владимир Дмитриевич Ким Василий Анатольевич(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКСИЛА Изобретение относится к металлургии ферросплавов,конкретно к выплавке кристаллического кремния. Существующие способы производства кристаллического кремния включают совместную проплавку в руднотермической печи многокомпонентной шихты состоящей из кварцита и/или кварца и смеси различных видов углеродных восстановителей - древесного угля, нефтяного кокса, каменного угля, древесной щепы и т.д. (Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электротермии ферросплавов. М. СП Интермет Инжиниринг, 1999). Недостатком известных способов является вовлечение в производство дорогостоящих и дефицитных углеродных восстановителей, таких как древесный уголь, нефтяной кокс, а также низкоэффективных углеродных восстановителей таких как, каменный уголь, древесная щепа и т.д., а также низкое извлечение кремния - не более 67,(Черных А.Е. Теоретические и прикладные аспекты подготовки шихты для выплавки кремния. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. - Иркутск, 1994 г.). Выведение и/или замена какого-либо из вышеперечисленных углеродных восстановителей из состава шихты не позволяет получить ожидаемый технический результат, а именно высокую степень извлечения кремния и снижение расхода электрической энергии на тонну кремния. Наиболее близким к данному изобретению является способ выплавки кристаллического кремния, где в качестве углеродного восстановителя используется карбонизат, полученный путем термоокислительного обжига шубаркольского угля при температуре 600-950 С, а в качестве древесной щепы - низкозольный шубаркольский уголь(2006.01), С 22 В 4/06 (2006.01) опубл. 15.12.2010,бюл.12). В указанном способе выплавки кристаллического кремния основным углеродным восстановителем является названный карбонизат,имеющий следующий состав,(масс.) Ств (твердый углерод) 78,07(зола) 3,15(летучие вещества) 14,40 3,80(влага)(сера) 0,58 Этот карбонизат низкотемпературного коксования(менее 950 С) характеризуется повышенным содержанием остаточных летучих веществ (до 14,40) и, как следствие, низким содержанием твердого углерода (Ств)80. Высокое содержание летучих веществ в карбонизате отрицательно влияет на технологические показатели процесса электроплавки. Это обусловлено тем, что указанный карбонизат не может должным образом выполнять одну из главных функций углеродного восстановителя - улавливать в среднетемпературной(верхней) зоне колошникового слоя восходящие потоки газообразного монооксида кремния,2 выделяющиеся из нижней (реакционной) зоны колошникового слоя печи, так как при его нагревании происходит интенсивное выделение остаточных летучих веществ в большом количестве,которое создает существенное избыточное давление в его поровом пространстве в течении длительного периода времени, необходимого для полного их удаления. Наличие избыточного давления в теле названного карбонизата явно отталкивает газообразный монооксид кремния от порового пространства, делая его недоступным для улавливания и возвращения в зону основных реакций. Также наличие большого количества остаточных летучих веществ в названном карбонизате способствует спеканию колошникового слоя и как следствие уменьшению его газопроницаемости. По этой причине происходит снижение степени извлечения кремния, так как он не улавливается поровым пространством углеродного восстановителя, а уносится из зоны основных реакций в систему пыле-газоочистки печи. Кроме того, низкое содержание твердого углерода в названном карбонизате требует, для соблюдения стехиометрически заданного соотношения между 2 и углеродом Ств. в составе шихты, повышенного расхода карбонизата, что также негативно отражается на техникоэкономических показателях плавки. Снижение показателей электроплавки кремния происходит также при избыточном количестве в шихте сырого угля, основная функция которого сводится к разрыхлению колошника и предотвращению его спекаемости. Для исключения вышеуказанных факторов необходимо в составе шихты (смеси различных видов углеродных восстановителей) использовать высокореакционный углеродный восстановитель с развитой пористой структурой и низким содержанием остаточных летучих веществ. В этом случае спекание колошника происходить не будет, и надобность в каменном угле полностью отпадает. Решаемой задачей изобретения является выплавка кристаллического кремния с использованием в качестве твердого углеродного восстановителя карбонизата РЕКСИЛ, далее по тексту РЕКСИЛ полученного по патенту 23615 С 10 В 57/00 (2009.01), С 10 В 55/00 (2009.01), опуб. 15.12.2010 г., бюл. 12, имеющего доступную высокоразвитую, тонкопористую структуру с удельной площадью поверхности пор 120-500 м 2/г.,представленную в основном открытыми сообщающимися макро и микро порами, с низким содержанием остаточных летучих веществ 0,13,5, и высоким содержанием углерода Ств 91,598,9. Техническим результатом изобретения является изменение состава шихты для выплавки кристаллического кремния, и достижение высоких технико-экономических показателей процесса в результате использования РЕКСИЛа, в качестве восстановителя, например, повышение степени извлечения кремния и чистоты выплавляемого металла,снижение удельного расхода электроэнергии и повышение производительности руднотермической печи в единицу времени. Также были выявлены новые восстановительные свойства РЕКСИЛа,позволяющие ему эффективно участвовать в процессе восстановления кремния, как самостоятельно (один восстановитель), так и в составе (смеси) с другими видами углеродных восстановителей. Технический результат достигается путем проплавления в руднотермической печи многокомпонентной шихты состоящей из кварцита и/или кварца и смеси различных видов твердых углеродных восстановителей содержащей РЕКСИЛ,либо проплавления двухкомпонентной шихты,состоящей только из кварцита и/или кварца и только одного твердого углеродного восстановителя РЕКСИЛа. Выведение и/или замена какого-либо другого из ранее перечисленных углеродных восстановителей из состава шихты не позволяет получить ожидаемый технический результат, а именно высокую степень извлечения кремния и снижение расхода электрической энергии на тонну кремния. Известно,что кристаллический кремний получают при 1650-1900 С, однако при более низкой температуре 1300-1400 С образуется газообразный монооксид кремния,взаимодействие которого с углеродом восстановителя приводит к образованию карбида кремния , являющегося промежуточной фазой в суммарном механизме восстановления кварцита и/или кварца 2. Основная часть газообразного , проходя через шихтовый слой, восстанавливается до карбида кремния, а остальная его часть, не успевшая восстановиться, уносится из реакционной зоны вместе с другими газами в систему газоочистки, что приводит не только к потере производительности печи, но и росту удельного расхода электроэнергии,а главное - снижению степени извлечения кремния из рудного сырья, сопровождаемого рядом негативных факторов. Так как скорость восходящего потока газообразногочерез слой шихты достаточно высока и, как следствие, время прямого контакта его с поверхностью углеродного восстановителя небольшое, то решающую роль для уменьшения уноса -газа из реакционной зоны и увеличения количества восстановленногов карбид кремния, а в последующем и образование самого кристаллического кремния , играет пористость углеродного восстановителя и его доступность для газообразного монооксида кремнияв среднетемпературной зоне колошникового слоя. Именно, доступное поровое пространство (без избыточного давления собственных выделяющихся газов), способно адсорбировать газообразный монооксид кремния и вернуть его в зону основных реакций,с последующим химическим взаимодействием его с углеродом восстановителя. Доступность порового пространства углеродного восстановителя обусловлена двумя факторами структурой пор(открытые,сообщающиеся,закрытые и т.д.) и количеством остаточных летучих веществ, выделяющихся из восстановителя при его разогреве,создающих избыточное давление собственных пиролизных газов в течение времени,необходимого для полного его испарения, которое препятствует эффективному проникновению в него газообразного . Чем меньше количество остаточных летучих веществ в твердом углеродном восстановителе, тем легче и быстрее газообразный проникает в эффективное поровое пространство, что приводит к увеличению скорости восстановительного процесса в единицу времени и,как следствие,снижению степени уноса газообразногоиз печи. Таким образом, именно использование РЕКСИЛа с развитой пористой структурой и низким содержанием остаточных летучих веществ в качестве твердого углеродного восстановителя в составе шихты для выплавки кристаллического кремния способствует достижению высокой производительности печи вследствие повышенной скорости гетерогенного восстановления газообразного монооксида кремнияв реакционном пространстве печи, обусловленной большой и легкодоступной реакционной поверхностью взаимодействия твердого углеродного восстановителя (удельная поверхность пор достигает 500 м 2/г, а содержание остаточных летучих веществ составляет 0,1-3,5.), также авторами изобретения были выявлены новые восставительные свойства РЕКСИЛа, позволяющие ему эффективно участвовать в процессе восстановления кремния, как самостоятельно (один восстановитель), так и в смеси с другими видами углеродных восстановителей. Изобретение демонстрируется следующим примером. В состав шихты для выплавки кристаллического кремния введен РЕКСИЛ в разных пропорциях. В качестве прототипа выбран вышеназванный карбонизат низкотемпературный полученный при 600-950 С. Результаты анализа твердых углеродных восстановителей приведены в таблице 1. Таблица 1 Твердые углеродные восстановители для выплавки кристаллического кремния Показатели Показатели Содержание твердого углерода,Структурная прочность,Реакционная способность при 1273 К, мл/гс Удельное электросопротивление, Омсм-1 в шихту РЕКСИЛа для замены компонентов известной шихты - частичным выводом из состава шихты карбонизата низкозольного, и полным выводом низкозольного угля, а также опытный по варианту- с использованием в составе шихты только одного углеродного восстановителя РЕКСИЛа и полным выводом других указанных твердых углеродных восстановителей. Результаты испытаний представлены в таблице 2. Таблица 2 Показатели электроплавки кристаллического кремния с использованием РЕКСИЛа Испытания проведены на руднотермической печи мощностью 200 кВА с использованием в качестве рудного сырья кварцита и/или кварца месторождения Актас крупностью 10-25 мм следующего состава,2-99,8 А 123-0,17 СаО 0,02. Были опробованы три варианта плавки базовый (вариант ), с использованием в шихте карбонизата низкотемпературного и низкозольного угля и опытный по варианту -с частичным вводом Базовый по варианту ,прототип Показатели Задано в кг кварцит и/или кварц Карбонизат низкотемпературный (прототип) РЕКСИЛ (предлагаемый) Низкозольный шубаркольский уголь Степень извлечения кремния,Содержание кремния в металле,Удельный расход электроэнергии, кВтчас/кг Производительность в ед. времени, кг/час Из приведенных данных следует, что при частичном использовании РЕКСИЛа в составе многокомпонентной шихты для выплавки кристаллического кремния для замены известных восстановителей (вариант ), а также при проплавке двухкомпонентной шихты, состоящей только из кварцита и/или кварца и только одного углеродного восстановителя РЕКСИЛа (вариант ), введение РЕКСИЛа способствует увеличению степени извлечения кремния с 81,62 до 93,48, повышению чистоты выплавляемого металла - увеличению содержания кремния с 99,2 до 99,58 и снижению удельного расхода электроэнергии с 14,07 до 13,20 кВт и увеличению производительности руднотермической печи в единицу времени с 2,31 до 2,76 кг/час. Опытный по варианту ,предлагаемый Опытный по варианту ,предлагаемый ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ выплавки кристаллического кремния с использованием рексила, отличающийся тем, что выплавка кристаллического кремния производится путем проплавления в руднотермической печи многокомпонентной шихты состоящей из кварцита и/или кварца и смеси различных видов твердых углеродных восстановителей содержащей рексил,либо проплавления двухкомпонентной шихты,состоящей только из кварцита и/или кварца и только одного твердого углеродного восстановителя рексила.

МПК / Метки

МПК: C01B 33/025

Метки: кремния, получения, способ, использованием, рексила, кристаллического

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/4-26747-sposob-polucheniya-kristallicheskogo-kremniya-s-ispolzovaniem-reksila.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Способ получения кристаллического кремния с использованием рексила</a>

Похожие патенты