Способ получения брикетов для производства кремния восстановительной плавкой
METHOD OF PRODUCING BRIQUETS FOR SILICON PRODUCTION BY REDUCTIVE MELTING

Изобретение относится к области производства кремния, в частности к получению кремния восстановительной плавкой из кварцитсодержащих материалов.
Известен способ получения кремния (авторское свидетельство СССР №1518300, опубл. 30.10.1989 г.), включающий загрузку мелкодисперсных отходов кремния в тигель рудно-термической печи после прекращения подачи основной шихты, при этом снижают мощность печи в 1,5 раза от первоначального значения.
Недостатком данного способа является пыление при загрузке шихты и значительные потери мелкодисперсных отходов кремния и восстановителей в виде уноса из печи газовым потоком.
Известны шихта для производства кремния и способ приготовления формованного материала для производства кремния (патент РФ №2151738, опубл. 27.06.2000 г.), включающий смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего материала с углеродсодержащим восстановителем и щелочным связующим, формование и сушку, в качестве кремнеземсодержащего материала используют пыль электрофильтров газоочистки производства кремния, восстановитель - нефтяной кокс, которые формуют в материал крупностью от 6 до 50 мм и сушат до влажности от 6 до 8%.
Недостатком данного технического решения является образование внутренних полостей в брикете, которые возникают при формовании из-за неравномерного распределения мелких частиц в объеме матрицы.
Известен способ подготовки шихты для выплавки кремния (патент РФ №2042721, опубл. 27.08.1995 г.), включающий смешивание компонентов в стехиометрическом соотношении и окускование в присутствии связующего. При этом окускование проводят при температуре от 50 до 200°C, перед окускованием добавляют в смесь элементарный кремний крупностью 0,01 мм, а в качестве связующего применяют жидкое стекло.
Недостатками данного технического решения является низкая пористость получаемого брикета и большое содержание внутренней влаги из-за использования жидкого стекла.
Известна брикетированная смесь для получения кремния и способ ее приготовления (патент РФ №2528666, опубл. 27.05.2014 г.), включающий сушку углеродсодержащего сырья растительного происхождения (шелуха овса) до влажности от 8 до 12% и измельчение до крупности не более 3 мм. Затем формованный материал смешивают до образования однородной массы с кремнеземосодержащим сырьем (микросиликой), далее проводят прессование смеси в экструдере методом жесткого формирования в системе. Процесс спекания брикетирующей смеси осуществляют традиционным способом при температуре от 170 до 220°C и давлении от 80 до 90 МПа. 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 от 450°С до 520°С.
Недостатками данного технического решения являются многостадийность и сложность технологической схемы. Использование недостаточного давления в экструдере приводит к осыпанию граней брикетов.
Известна брикетированная смесь для получения технического кремния и способ ее приготовления (патент РФ №2036144 опубл. 27.05.1995), принятый за прототип, включающий смешение кремнеземсодержащего сырья кварцевого песка и лигнина, их брикетирование. На смешение дополнительно подают нефтяной кокс, который предварительно измельчают до крупности 3 мм, гидролизный лигнин обезвоживают до влажности от 12 до 15% и брикетирование производят под давлением от 80 до 95 МПа.
Недостатками данного технического решения являются многостадийность и сложность технологической схемы. А также применение низкого диапазона давления при прессовании, при котором полученные брикеты не достигают прочности, необходимой для транспортировки, хранения и применения брикетов без осыпания боковых граней.
Техническим результатом является получение высокопрочных брикетов с повышенным содержанием микросилики и однородными размерами пор.
Технический результат достигается тем, что полученную смесь смешивают с мелассой, при этом в качестве кремнеземсодержащего сырья используют микросилику, а в качестве углеродсодержащего сырья - сланцевую и древесную пыль, причем брикетирование смеси ведут путем прессования при давлении от 100 до 110 МПа с последующим отжигом полученных брикетов при температуре от 200 до 250°С в течение от 45 до 60 мин.
Способ осуществляется следующим образом. При перемешивании порошков в смеситель добавляется меласса, побочный продукт сахарного производства; применение мелассы обеспечивает удовлетворительное перемешивание порошков, а также исключает оседание порошков на выходе из пуансона (при прессовании).
Предлагаемый диапазон значений давления прессования от 100 до 110 МПа позволяет обеспечить наибольшую площадь контакта между порошками, сформировать прочную связь между микросиликой и углеродсодержащим восстановителем. Диапазон давления прессования выбирается из условий достижения заданной пористости и прочности, необходимой для транспортировки, хранения и применения брикетов без разрушения боковых граней. При использовании значений давлений более 110 МПа получаются переуплотненные брикеты с низкой пористостью, что в дальнейшем приводит к снижению восстановления кремния. При использовании значений давлений менее 100 МПа снижается прочность брикетов, что приводит к разрушению боковых граней при транспортировке и хранении.
Отжиг брикетов проводят при температуре от 200 до 250°С в течение от 45 до 60 мин, данная операция проводится с целью повышения прочности брикетов при одновременном развитии пор за счет удалении влаги. При температуре более 250°С понижается пористость брикетов за счет проплавления смеси, использование температуры менее 200°С приводит к увеличению времени удаления влаги из брикета.
На первом этапе производится смешивание до однородной массы порошков кремнеземсодержащего сырья - микросилики и углеродсодержащего сырья - сланцевой и древесной пыли, при смешивании в смеситель добавляется меласса. После перемешивания прессуются брикеты цилиндрической формы. После прессования полученные кремниевые брикеты загружают в печь и проводят отжиг при температуре от 200 до 250°С в течение от 45 до 60 мин. По окончании процесса отжига брикеты охлаждают до комнатной температуры.
Полученные брикеты вводят в качестве сырьевой добавки к основной шихте при восстановительной плавке кремнеземсодержащих материалов в дуговых или электротермических печах.
Способ поясняется следующими примерами.
Пример 1. 60 г сланцевой пыли смешивают с 60 г древесной пыли и 150 г микросилики и перемешивают в течение 10 мин, затем вводят 0,05 л мелассы и продолжают перемешивание в течение 25 мин до получения однородного состава, полученную смесь прессуют при давлении 90 МПа и проводят отжиг полученных брикетов при температуре 150°С в течение 30 мин. Полученные брикеты имеют недостаточную механическую прочность 15,2 МПа (Таблица 1).
Пример 2. 75 г сланцевой пыли смешивают с 60 г древесной пыли и 135 г микросилики и перемешивают в течение 15 мин, затем вводят 0,06 л мелассы и продолжают перемешивание в течение 20 мин до получения однородного состава, полученную смесь прессуют при давлении 100 МПа и проводят отжиг полученных брикетов при температуре 200°С в течение 45 мин. Полученные брикеты имеют необходимую механическую прочность 19,4 МПа и пористость (Таблица 1).
Пример 3. 65 г сланцевой пыли смешивают с 60 г древесной пыли и 145 г микросилики и перемешивают в течение 15 мин, затем вводят 0,04 л мелассы и продолжают перемешивание в течение 30 мин до получения однородного состава, полученную смесь прессуют при давлении 110 МПа и проводят отжиг полученных брикетов при температуре 250°С в течение 60 мин. Полученные брикеты имеют необходимую механическую прочность 20,1 МПа и пористость (Таблица 1).
Пример 4. 60 г сланцевой пыли смешивают с 60 г древесной пыли и 150 г микросилики и перемешивают в течение 10 мин, затем вводят 0,05 л мелассы и продолжают перемешивание в течение 25 мин до получения однородного состава, полученную смесь прессуют при давлении 120 МПа и проводят отжиг полученных брикетов при температуре 300°С в течение 30 мин. Полученные брикеты имеют достаточную механическую прочность 24,6 МПа, но низкую пористость (Таблица 1).
Преимуществами брикетов, полученных новым способом, является высокая механическая прочность и повышенная пористость, что позволяет их использовать в качестве сырьевой добавки к основной шихте при производстве кремния.