СПОСОБ ОЧИСТКИ ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
METHOD OF PURIFYING TECHNICAL SILICON

Область техники
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для очистки технического кремния, полученного восстановительной плавкой в руднотермических электрических печах.
Уровень техники
Технический кремний получают высокотемпературным восстановлением минерального сырья, кварца или кварцитов, с помощью углеродистых восстановителей. При ведении восстановительной плавки, кроме ведущего элемента кремния, восстанавливаются и другие элементы, оксиды которых входят в состав примесей минерального сырья и золы восстановителей. Большинство примесей ухудшают качество получаемого кремния и требуются дополнительные технологии по их удалению из полученной продукции (Рагулина Р.И., Емлин Б.И. Электрометаллургия кремния и силумина. М., Металлургия, 1972, 240 с.).
Известен способ выплавки кремния (RU 2082783, С01В 33/00, С22В 5/02, опубл. 27.06.1997), для осуществления которого при выпуске кремния в ковш или изложницу в жидкий кремний вводят хлориды щелочных металлов в количестве, которое зависит от массы выпускаемого кремния. После дробления слитков кремния, куски кремния промывают водой. Недостатком данного способа является недостаточно эффективная очистка кремния от примесей.
Известен способ выплавки кремния и его сплавов (RU 2127707, С01В 33/00, С22В 4/06, опубл. 20.03.1999), включающий загрузку кварцита и углеродистых восстановителей в руднотермическую электропечь, карботермическое восстановление кремния, выпуск жидкого кремния из печи в ковш или изложницу. Во время выпуска кремний пропускают через струю сжатого воздуха, обогащенного кислородом, который подают в замкнутое с боков пространство, через которое сверху поступает струя жидкого кремния. Недостатком данного способа является невысокая степень удаления примесей, алюминия и кальция.
Известен способ рафинирования кремния и его сплавов (RU 2146650, С01В 33/037, опубл. 20.03.2000), включающий обработку расплава в ковше кислородом, подаваемым через устройство для продувки газа, в присутствии флюса, в состав которого входят чистый кварцевый песок, известь и/или плавиковый шпат. При этом обработку расплава ведут в две стадии: на первой стадии расплав продувают смесью кислорода с воздухом и/или инертным газом в процессе выливки расплава из печи в ковш до его заполнения при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, на второй стадии после заполнения ковша расплав обрабатывают воздухом и/или инертным газом до достижения температуры расплава в ковше 1450-1550°С, причем продувку расплава газами осуществляют через пористую часть днища ковша.
Цитируем описание способа: «… одновременно с подачей расплава в ковш непрерывно и равномерно подавали флюс в размере ~80 кг, в качестве которого использовали: чистый кварцевый песок фракции - 1 мм, известь фракции - 10 мм и/или плавиковый шпат фракции - 10 мм в стехиометрическом количестве от объема расплава.
Одновременно с подачей расплава через пористую часть днища ковша подавали смесь кислорода с воздухом и/или инертным газом с давлением, превышающим гидростатическое давление столба расплава.
После заполнения ковша расплавом подачу кислорода и флюса прекращали.
3
3
3
При этом использовался осушенный воздух без микровключений 1 класса чистоты с давлением 5-6 атм. с расходом 50-100 м/час с t=10-20°C и кислород с давлением 5-6 атм. и расходом 30-200 м/час. Расход кислорода на этой стадии составил ~9,8 нм».
По технической сущности, по наличию общих признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Недостатком данного способа является неполная очистка кремния от примесей. Рафинирование кремния по данному способу приводит к снижению алюминия и кальция.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача, направленная на повышение качества технического кремния.
При этом техническим результатом является снижение содержания кальция в кремнии до величин менее 0,005 мас.%.
Технический результат достигается тем, что в способе очистки технического кремния, включающем продувку в процессе выливки расплава из печи в ковш сжатым воздухом через пористую часть днища ковша при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, новым является то, что после заполнения ковша расплав кремния отделяют от шлака, сливают в подготовленный новый ковш и продолжают продувку расплава сжатым воздухом в новом ковше при одновременной загрузке на поверхность кремния флюса, состоящего из кварцевого песка, известняка и глинозема, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
кварцевый песок
50-55
известняк
35-40
глинозем
10-12
Осуществление способа
Расплав кремния выпускают в ковш, загружают флюс, состоящий из кварцевого песка и извести, в количестве, пропорционально вылитому из печи расплаву, проводят окислительное рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша. После заполнения ковша расплав кремния сливают в новый ковш, продолжают продувку расплава сжатым воздухом, на поверхность загружают флюс, состоящий из кварцевого песка, известняка и глинозема.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1 (прототип)
Расплав кремния в количестве 3,05 т выпускали в ковш, загружали флюс, состоящий из кварцевого песка и извести, в количестве 80 кг проводили окислительное рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша.
Исходное количество примесей до рафинирования, мас. %: Al 0,68, Са 0,31; после рафинирования, мас. %: Al 0,04, Са 0,01.
Пример 2
Расплав кремния в количестве 3,1 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 82 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование кремния. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 45, известняк 25, глинозем 30, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша.
Исходное количество примесей до рафинирования, мас. %: Al 0,62, Са 0,31; после рафинирования, мас. %: Al 0,052, Са 0,012.
Пример 3
Расплав кремния в количестве 3,05 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 80 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 60, известняк 25, глинозем 15, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша.
Исходное количество примесей до рафинирования, мас. %: Al 0,68, Са 0,38; после рафинирования, мас. %: Al 0,054, Са 0,011.
Пример 4
Расплав кремния в количестве 3 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 80 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 50, известняк 40, глинозем 10, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,82, Са 0,54; после рафинирования, мас. %: Al 0,05, Са 0,0048.
Пример 5
Расплав кремния в количестве 3,3 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 86 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 55, известняк 35, глинозем 10, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,89, Са 0,62; после рафинирования, мас. %: Al 0,049, Са 0,0046.
Пример 6
Расплав кремния в количестве 2,9 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 76 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загрузили флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 53, известняк 35, глинозем 12, и продолжали рафинирование сжатым воздухом. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,55, Са 0,70; после рафинирования, мас. %: Al 0,0051, Са 0,0048.
Пример 7
Расплав кремния в количестве 3,4 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 89 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загрузили флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 60, известняк 35, глинозем 5, и продолжали рафинирование сжатым воздухом. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,46, Са 0,48; после рафинирования, мас. %: Al 0,052, Са 0,0059.
Проведенные испытания показали оптимальное соотношение компонентов флюса, мас. %: кварцевый песок - 50-55, известняк 35-40, глинозем 10-12 (примеры 4-6). Увеличение или уменьшение соотношения компонентов не приводят к получению запланированного результата (примеры 2, 3, 7).
Сравнение предлагаемой технологии рафинирования не только с технологией по прототипу, но технологиями по аналогам показывает, что:
- известно использование воздуха и/или кислорода в процессе рафинирования металлов;
- известно рафинирование расплава в процессе выливки его из печи в ковш;
- известно использование флюсов в процессе рафинирования кремния;
- известна обработка расплава через пористую часть днища ковша.
Новая совокупность признаков как известных, так и неизвестных в их тесной взаимосвязи позволяет получить технический результат более высокого уровня по сравнению с известным, а именно:
- перелив расплава кремния в новый ковш;
- флюсы, с использованием в качестве составляющего компонента глинозема;
- загрузка флюсов определенного соотношения в новый ковш после перелива ковша.