Спосіб виробництва технічного кремнію

Спосіб виробництва технічного кремнію карботермічним відновленням у руднотермічній електропечі, який включає підготовку шихтових матеріалів з кварциту та вуглецевого відновника, дозування їх відповідно до складу шихти, змішування і завантаження на колошник руднотермічної електропечі, який відрізняється тим, що шихту ділять на дві частини: на суміш частки кварциту і вуглецевого відновника шихти, в якій маса кварциту відноситься до маси вуглецю вуглецевого відновника як 1:(0,6-0,98), і на залишок кварциту від шихти, завантаження частин шихти на колошник електропечі здійснюють окремими шарами. (19) (21) 20040806947 (22) 20.08.2004 (24) 15.03.2006 (46) 15.03.2006, Бюл. № 3, 2006 р. (72) Бережний Іван Архипович, Владиченко Олександр Григорович, Солонін Геннадій Володимирович, Богуславський Дмитро Юрійович, Лебедєв Ігор Володимирович (73) ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "ЗАПОРІЗЬКИЙ ВИРОБНИЧИЙ АЛЮМІНІЄВИЙ КОМБІНАТ" (56) SU 1494861 A3, 15.07.1989 SU 1661143 A1, 07.07.1991 SU 1655900 A1, 15.06.1991 SU 1808811 A1, 15.04.1993 SU 1524806 A3, 23.11.1989 US 5174982 A, 29.12.1992 3 75276 4 Подача готової шихти зі збірних конвеєрів у піч Завдяки тому, що в запропонованому способі здійснюється різними транспортними схемами з виплавки технічного кремнію шихту на колошник наступним перевантаженням шихти в завалочні електропечі завантажують шарами, тому незалежмашини для завантаження в піч. но від послідовності завантаження вуглецевої часСклад колоші шихти, застосований на одному тини шихти і кускового кварциту, у верхній частині з заводів, такий (мас, кг): колошника коло електродів електропечі завжди кварцит 400-440 знаходиться шар шихти зі вмістом на 50% вуглецю деревне вугілля 200-220 більше в порівнянні зі вмістом його в шихті на конафтовий кокс 25 лошнику відомого способу-прототипу [відповідно газове вугілля 40 до хімічних реакцій (2) і (1)]. У процесі рудовідновлюючої плавки при нагріПідвищена концентрація вуглецевого відновванні шихти до 1800-2400°С кремнезем кварциту лювача на колошнику електропечі поліпшує газопвідновлюється вуглецем до кремнію по сумарній роникність колошника, створює умови конденсації хімічній реакції, рівняння якої має вид: газоподібних продуктів відновлення; зменшується SiO2+2С=Si+2СО (1) кількість прогарів колошника і знижуються втрати При протіканні хімічної реакції (1) в об'ємі шихгазоподібних кремнію, що відновився, і оксидів з ти в реакційному тиглі коло електродів печі і на відхідними пічними газами, тобто знижується виколошнику знижується концентрація реагуючих трата шихти на виплавку кремнію. Крім того, при речовин і сповільнюється швидкість реакції (1), що цьому збільшується схід шихти в реакційні тиглі приводить до зменшення фільтруючої здатності коло електродів електропечі, та у результаті збіколошника та утворенню прогарів, через які безльшення проплаву шихти підвищується продуктиповоротно губляться газоподібні оксиди кремнію і вність електропечі і знижується, питома витрата відновлений кремній, а також зниженню продуктиелектроенергії на виплавку технічного кремнію. вності електропечі. Іншою особливістю запропонованого способу Недоліком відомого способу є високі питомі виплавки технічного кремнію є здійснення відноввитрати електроенергії і шихти на виплавку технілення кремнезему до кремнію в дві стадії, що вичного кремнію і низька продуктивність печі. значаються протіканням на першій стадії реакції В основу винаходу поставлена задача зни(2) і на другій стадії - реакції (3). Досягається це ження витрат електроенергії та шихти на виплавку тим, що на колошник електропечі завантажують технічного кремнію і підвищення продуктивності окремим шаром шихту зі вмістом вуглецю і кварелектропечі. циту в співвідношенні необхідному для протікання Поставлена мета досягається тим, що у відохімічної реакції (2) і окремим шаром кусковий квамому способі прототипі, який включає підготовку рцит у стехіометричній кількості, необхідній для шихтових матеріалів, дозування їх відповідно до протікання хімічної реакції (3). За рахунок зміни складу шихти, змішування і завантаження шихти хімізму процесу відновлення кремнезему до кремна колошник руднотермічної електропечі, шихту нію і збільшення швидкості протікання відновлююподілену на дві частини на суміш із частки маси чих реакцій (2) і (3) у порівнянні з хімічною реакцікварциту і із маси вуглецевого відновника, в який єю (1) відомого способу прототипу вдається маса кварциту відноситься до маси вуглецю вугпідвищити продуктивність електропечі і знизити лецевого відновника як 1:(0,6-0,98) і на залишок витрату електроенергії на одержання кремнію. кварциту від шихти, завантажують на колошник Послідовність завантаження кожного шару електропечі окремими шарами в будь-якій послішихти на колошник вибирають у залежності від довності. положення робочих кінців електродів у шахті елекВідповідно до запропонованого способу витропечі. Необхідні зміни положень робочих кінців плавки технічного кремнію зі складу відомої шихти електродів у шахті електропечі по вертикалі досяберуть частину маси кварциту і масу вуглецевого гають за рахунок зміни послідовності завантаженвідновлю-вача при співвідношенні мас кремнезему ня шарів шихти на колошник. і вуглецю 1:(0,6-0,98) і завантажують на колошник. Граничні межі співвідношень кремнезему і вугТаке співвідношення кремнезему і вуглецю в сулецю в суміші кварциту з вуглецевим відновлюваміші забезпечує при нагріванні її до температури чем і масовою часткою окремо завантаженого ква1800°С протікання хімічної реакції утворення каррциту обрані з умови повного протікання хімічних біду кремнію по рівнянню: реакцій (2) і (3). SiO2+3C=SiC+2CO (2) Нижня межа співвідношення кремнезему і вугОкремим шаром завантажують на колошник лецю в суміші кварциту й вуглецевого відновлювазалишок маси кварциту, що знаходиться в складі ча 1:0,6 визначає теоретично необхідну кількість відомої шихти. Маса завантаженого залишку кваркремнезему і вуглецю для повного протікання хіміциту є стехіометричною кількістю, необхідною для чної реакції (2). Із сумішами зі змістом вуглецю протікання при температурі вище 1800°С хімічної менше нижньої межі в електропіч вноситься надреакції між утвореним по хімічній реакції (2) карбілишок кремнезему, що не бере участь у карбідоудом кремнію і кремнеземом завантаженого квартверенню і губиться частина у вигляді шлакової циту, у результаті якої одержують відновлений фази і частина в газоподібному стані виноситься кремній. відхідними пічними газами, погіршуючи показники Рівняння хімічної реакції відновлення кремнію процесу. при взаємодії карбіду кремнію і оксиду кремнію Верхня межа співвідношення кремнезему і вумає вид: глецю 1:0,98 у суміші кварциту та вуглецевого відSiC+0,5SiO2=1,5Si+CO (3) новлювана обраний з урахуванням угару вуглецю і 5 75276 6 пиловиносу його з колошника, величина яких заДля експериментальної перевірки впливу залежить від фізико-хімічних властивостей викорисвантаження на колошник електропечі шихти шатаних у складі шихти вуглецевих відновлювачів і рами на техніко-економічні показники процесу виконструктивних особливостей руднотермічної елеробництва технічного кремнію проведені плавки по ктропечі. При вмісті вуглецю в суміші більше верходержанню технічного кремнію відомим і запропоньої межі в електропечі виникає надлишок його, нованим способами на руднотермічній одноелектякий не бере участі у процесі карбідоутворення, родній з токопідведеною подиною електропечі збільшує електропровідність колошника, що припотужністю 120кВа. водить до погіршення показників плавки. В обох випадках плавили відому шихту, яку Для здійснення запропонованого способу вивикористовують в промислових умовах. При здійсплавки технічного кремнію використовують склади ненні відомого способу виплавки технічного кремвідомих шихт, які поділяють на дві складові частинію на колошник електропечі завантажували зміни відповідно до пропозиції і завантажують на кошану однорідну кускову шихту. лошник кожну частину шихти окремим шаром. Для експериментальної перевірки запропоноПриклади складів шихт, завантажених на кованого способу виплавки технічного кремнію інглошник електропечі і відомого способу виплавки редієнти відомої шихти розподіляли на дві частини технічного кремнію приведені в таблиці 1, в табливідповідно до запропонованих співвідношень і коці 2 приведені состави, що завантажуються на жну складову частину шихти завантажували на колошник окремими шарами суміші кварциту з колошник електропечі окремим шаром. вуглецевим відновлювачем і добавки кварциту. Таблиця 1 Приклади складів шихт, завантажувальних на колошник електропечі (прототип) № приклада 1 2 3 4 5 Кварцит 400 440 400 360 400 Зміст матеріалу в шихті, кг Деревне вугілля Нафтококс 220 25 200 25 200 25 180 200 75 Кам'яне вугілля 40 40 40 100 Стехіометрія С на відновлення SiO2 до Si 135,7 114,5 125,9 137,5 139,3 Таблиця 2 Завантаження шихтових матеріалів на колошник електропечі запропонованим способом № прклада Кварцит 1 2 3 4 5 366,4 335,8 250,6 227,4 197,5 Завантаження шихтових матеріалів на колошник електропечі Склад суміші кварциту з вуглецевим відновлювачем Деревне Кам'яне Відношення Стехіометрія С на Нафтококс вугілля вугілля SiO2:C утворення SiC, % 200 25 40 1:55 91,7 200 25 40 1:06 100 180 100 1:0,79 131,6 200 75 1:0,98 163,3 200 25 40 1:1,02 170,0 Стехіометрія С на відновлення SiO2 до Si у масі, Добавка завантаженої на колошкварциту, кг ник 157,4 96,2 151,1 103,5 125,3 131,6 125,1 158,0 114,6 161,4 У вуглецевому відновлювачі доля вуглецю (маса, %): деревне вугілля - 78,3, кам'яне вугілля - 57,0, нафтококс - 88,3. Отримані результати виплавки технічного кремнію відомим і запропонованим способами приведені в таблиці 3. Таблиця 3 Прототип 1. Склад змішаної однорідної шихти (кг) 1.1. Кварцит 1.2. Деревне вугілля 1.3. Кам'яне вугілля 2. Відношення Si:C 3. Стехіометрія С в шихті на відновлення SiO2 до Si, % 4. Питома витрата електроенергії, квт.ч/кг 5. Питома витрата шихти на 1кг кремнію, кг/кг 6. Продуктивність електропечі, кг/година Si Запропонований спосіб 1. Склад суміші кварциту з вуглецевим відновлювачем (кг) 340 1.1. Кварцит 226,7 150 1.2. Деревне вугілля 150 100 1.3. Кам'яне вугілля 100 1:0,513 1.4. Відношення SiO2:C 1:0,768 128,3 1.5. Стехіометрія С в суміші на відновлення SiO2 до SiC 128,1 84,157 2. Добавка кварциту, кг 113,3 10,48 2.1. Частка доданого кварциту від його маси у суміші, % 50 1,314 3. Відношення SiO2:C у завантаженій масі суміші і кварциту 1:0,513 4. Стехіометрія С в завантаженій масі ішихти на відновлення 128,3 SiO2 до Si, % 5. Питома витрата електроенергії, кВтг/кг 54,581 6. Питома витрата шихти на 1кг кремнію, кг/кг 8,926 7. Продуктивність електропечі по кремнію, кг/кг 1,950 7 75276 8 Порівняльні плавки показали, що при виплавці вань показали, що завдяки поділу шихти на дві технічного кремнію запропонованим способом у частини і завантаження кожної частини шихти на порівнянні зі способом прототипом знижуються колошник електропечі окремим шаром, вдалося питомі, витрати на виплавку кремнію електроенерполіпшити основні техніко-економічні показники гії на 35,14% і шихти на 14,83%, при цьому продуквиплавки технічного кремнію в руднотермічній тивність електроенергії підвищилася на 48,4%. електропечі. Таким чином отримані результати випробу Комп’ютерна верстка Т. Чепелева Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601