ШИХТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЯ
FURNACE-CHARGE FOR SILICIUM MANUFACTURING

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермическому способу получения кремния и кремнистых сортов ферросплавов.
Известен способ выплавки кремния в электрических руднотермических печах, в котором в качестве шихты используется кварцит, древесная щепа, нефтяной кокс, древесный уголь, мелкодисперсный кремнезем, щелочное связующее и мелкодисперсный кремнезем в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварцит 35-45; древесная щепа 19-26; нефтяной кокс 11-15; древесный уголь 7-10; пыль электрофильтров газоочистки производства кремния 4,5-11; щелочное связующее 0,5-1,3, причем часть кремнезем-углеродсодержащей шихты представлена в виде предварительно сформованного материала в количестве 10-30% от массы шихты (RU, патент №2151738, С01В 33/025, опубл. 27.06.2000).
Недостатком выплавки кремния данным способом является дополнительные затраты на формирование материала из пыли электрофильтров газоочистки и щелочного связующего, в процессе восстановления кремния, потери промежуточного продукта восстановления, газообразного монооксида кремния - SiO, с отходящими газами.
Известно, что процесс восстановления кремния протекает в несколько стадий с образованием газообразных и твердых продуктов (Толстогузов Н.В. Теоретические основы и технология плавки кремнистых и марганцевых сплавов. М., Металлургия, 1992, с.17, 27-28):
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ выплавки кремния в электрических руднотермических печах, где в качестве шихты используется руда, в виде кварцита, и углеродистые восстановители: древесный и каменный угли, нефтяной кокс и древесная щепа (Варюшенков A.M., Меньшиков П.С., Сметанин В.Н. и др. Применение каменноугольного концентрата в качестве восстановителя при производстве кремния. - Цветные металлы, 1987, №1, с.43). Состав шихты, применяемый для выплавки кремния имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Кварцит
45,6
Древесный уголь
9,9
Нефтяной кокс
6,45
Каменный уголь
7,08
Древесная щепа
30,97
По мнению авторов статьи, использование данного состава шихты, с использованием каменного угля позволяет снизить удельный расход электроэнергии на 6,2%, а удельный расход кварцита на 500 кг на 1 т кремния.
Недостатком способа выплавки кремния с помощью композиции углеродистых восстановителей по прототипу являются потери в процессе восстановления кремния, промежуточного продукта восстановления, газообразного монооксида кремния - SiO, с отходящими газами.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение расхода сырья и технологической электроэнергии.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является снижение потерь получаемого кремния за счет уменьшения образующегося в процессе выплавки монооксида.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что шихта для производства кремния, включающая кварцит, древесный уголь, нефтяной кокс, каменный уголь, древесную щепу, дополнительно содержит карбид кремния на нитридной связке, в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцит
42,7-50,3
Древесный уголь
2,7-5,1
Нефтяной кокс
1,6-3,0
Каменный уголь
13,3-24,9
Древесная щепа
6,1-10,4
Карбид кремния на нитридной связке
6,2-33,5
В качестве карбида кремния на нитридной связке могут использоваться карбидокремниевые плиты, применяемые для футеровки ванн электролизеров для получения алюминия.
Уменьшение потерь кремния с отходящими газами при введении в шихту карбида кремния происходит из-за снижения образования монооксида кремния, так как в этом случае получение кремния идет по реакции (3), минуя образование монооксида кремния по реакции (1).
Введение в шихту кремния в виде карбида кремния на нитридной связке, приведет к снижению расхода сырья и электроэнергии на производство кремния.
Дополнительно, с целью снижения затрат на производство кремния вместо товарного карбида кремния на нитридной связке можно использовать отработанные карбидокремниевые плиты, применяемые для футеровки электролизеров при получения алюминия.
Для футеровки электролизеров для производства алюминия применяют карбидокремниевые плиты. При замене футеровки отработанные карбидокремниевые плиты (вместе с остальной футеровкой) являются отвальным продуктом и складируются в отвалах. Использование отработанных карбидокремниевых плит снизит стоимость сырья для производства кремния. Кроме того, использование отвальных продуктов имеет дополнительный экологический эффект, уменьшая воздействие на окружающую среду складируемых отходов. Отработанные карбидокремниевые плиты содержат карбид кремния 70-74 мас.% и 20-24 мас.% нитрид кремния, который служит связующим зерен карбида кремния для получения монолитного изделия. При температурах получения кремния (1600-1800°C) нитрид кремния разлагается на кремний и газообразный азот и вместе с отходящими газами покидает реакционные зоны ванны печи и удаляется на газоочистку.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
Пример 1. При выплавке технического кремния в руднотермической электрической печи в состав шихты вводили карбид кремния на нитридной связке в количестве 300 кг на тонну выплавляемого кремния. Расход сырья при проведении опытной плавки составил:
по массе, кг/т
соотношение, мас. %
Кварцита
2434
50,3
Древесного угля
247
5,1
Нефтяного кокса
102
3,0
Каменного угля
1203
24,9
Древесной щепы
500
10,4
Карбид кремния на нитридной связке
300
6,3
Расход технологической электроэнергии снизился с 15500 кВт·ч на 1 тонну кремния (прототип) до 15200 кВт·ч/т.
Пример 2. При проведении следующего этапа испытаний в состав шихты вводили карбид кремния на нитридной связке в количестве 800 кг на тонну кремния. Расход сырья составил:
по массе, кг/т
соотношение, мас.%
Кварцита
1366
44,6
Древесного угля
103
3,4
Нефтяного кокса
61
2,0
Каменного угля
505
16,5
Древесной щепы
230
7,5
Карбид кремния на нитридной связке
800
26,0
Расход электроэнергии снизился до 14800 кВт·ч/т.
Пример 3. При увеличении количества карбида кремния на нитридной связке в шихте, 1000 кг на тонну выплавленного кремния, расход сырья составил:
по массе, кг/т
соотношение, мас.%
Кварцита
1274
42,7
Древесного угля
81
2,7
Нефтяного кокса
48
1,6
Каменного угля
396
13,3
Древесной щепы
182
6,1
Карбид кремния на нитридной связке
1000
33,6
Расход электроэнергии составил 14710 кВт·ч/т.
Пример 4. При дальнейшем увеличении количества карбида кремния на нитридной связке в шихте до 1100 кг на тонну кремния расход сырья составил:
по массе, кг/т
соотношение, мас.%
Кварцита
1099
41,5
Древесного угля
52
1,9
Нефтяного кокса
30
1,1
Каменного угля
251
9,5
Древесной щепы
115
4,3
Карбид кремния на нитридной связке
1100
41,7
Расход электроэнергии составил 14705 кВт·/т.
При введении в шихту карбида кремния на нитридной связке менее 200 кг/т нет существенного изменения в выходе кремния и расходе технологической электроэнергии. При увеличении количества карбида кремния на нитридной связке в шихте, более 1000 кг/т происходит уплотнение колошника печи и не достигается снижения потерь кремния.
Оптимальным количеством вводимого дополнительно в шихту карбида кремния на нитридной связке является количество 300-1000 кг на тонну кремния, что соответствует соотношению компонентов в шихте (по массе), мас.%:
Кварцит
42,7-50,3
Древесный уголь
2,7-5,1
Нефтяной кокс
1,6-3,0
Каменный уголь
13,3-24,9
Древесная щепа
6,1-10,4
Карбид кремния на нитридной связке
6,2-33,5
При этом соотношении достигается снижение расхода технологической электроэнергии с 15500 до 14710 кВт·ч на тонну кремния.