Способ выплавки кристаллического кремния

(51) 22 4/00 (2006.01) 22 4/06 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ ВЫПЛАВКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ(57) Изобретение относится к металлургии ферросплавов,конкретно к выплавке кристаллического кремния методом электротермии. Решаемой задачей изобретения является выплавка кристаллического кремния с использованием в качестве твердого восстановителя карбонизата -продукта пиролиза низкозольного угля Шубаркольского разреза (зольностью 2-4) для полной или частичной замены нефтяного кокса,древесного угля,а также низкозольного Шубаркольского угля для замены древесной щепы,обеспечивающей, без потерь технологических показателей процесса (извлечения кремния) и качественных свойств выплавляемого металла(содержание кремния), снижение себестоимости конечной продукции.(72) Ким Василий Анатольевич Толымбеков Манат Жаксыбергенович Жарменов Абдурасул Алдашевич Ким Сергей Васильевич Кударинов Сагинтай Хинаятович(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Химикометаллургический институт им. Ж. Абишева Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан Министерства индустрии и торговли Республики Казахстан 23501 Изобретение относится к металлургии ферросплавов,конкретно к выплавке кристаллического кремния. Существующие способы получения кристаллического кремния включают восстановление диоксида кремния металлами ( , 1), а также гидро- и пирометаллургическое рафинирование ( ,,. 1970, . 62). Недостатками этих способов является сложная технологическая схема и вовлечение в процесс дорогостоящих чистых металлов, что существенно повышает стоимость конечного продукта. Наиболее близким к данному изобретению является способ производства кристаллического кремния совместным проплавлением в электропечи кварца и твердых восстановителейдревесного угля, нефтяного кокса, каменного угля и древесной щепы (Гасик М.И., Лякишев Н.П. Теория и технология электротермии ферросплавов. М. СП Интермет Инжиниринг, 1999). Соотношение восстановителей - нефтяного кокса, угля и щепы принимается (по массе) 151. Основным восстановителем является древесный уголь. Древесный уголь характеризуется высокой реакционной способностью и низким показателем зольности (1,5-4,0). Аналогичный показатель по зольности имеет нефтяной кокс,однако реакционная способность у него существенно ниже(на порядок), чем у древесного угля. Древесная щепа применяется в основном для разрыхления шихты - предотвращения спекания шихты на колошнике электропечи. Повышение показателей зольности отрицательно отражается на технологических показателях электроплавки, что выражается в восстановлении оксидов алюминия и железа, их переходу в металл. Повышение концентрации железа и алюминия в кристаллическом кремнии приводят к получению не кремния, а ферросилиция. Основным недостатком известного способа является использование древесного угля дорогостоящего и дефицитного твердого восстановителя, а также нефтяного кокса обладающего низкой реакционной способностью,что в конечном итоге обуславливает 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). Решаемой задачей изобретения является выплавка кристаллического кремния с использованием в качестве твердого восстановителя карбонизата -продукта пиролиза низкозольного угля Шубаркольского разреза (зольностью 2-4) для полной или частичной замены нефтяного кокса, древесного угля,а также низкозольного Шубаркольского угля для замены древесной щепы,обеспечивающей, без потерь технологических показателей процесса (извлечения кремния) и качественных свойств выплавляемого металла(содержание кремния), снижение себестоимости конечной продукции. Поставленная задача достигается проплавлением в руднотермической печи шихты, состоящей из кварца и твердых восстановителей в виде древесного угля и продукта пиролиза низкозольного угля Шубаркольского разреза, а также древесной щепы (при частичной замене, вариант ), либо шихты, состоящей из кварца, продукта пиролиза Шубаркольского угля и древесной щепы (полная замена традиционных восстановителей, вариант ),либо шихты, состоящей из кварца, продукта пиролиза Шубаркольского угля,а также низкозольного Шубаркольского угля взамен древесной щепы (полная замена традиционных восстановителей и древесной щепы по варианту ). Карбонизат - продукт пиролиза низкозольного угля Шубаркольского разреза зольностью 3,15 характеризуется пористой структурой и высокими значениями реакционной способности и удельного электросопративления (таблица 1), а также низкой стоимостью (стоимость продукта пиролиза Шубаркольского угля в 2-3 раза ниже стоимости импортируемого древесного угля). Реакционная способность твердого восстановителя характеризует его химическую активность по отношению к процессу восстановления диоксида кремния. Для нефтяного кокса указанная величина составляет 0,42 мл/(гс), в то время как у продукта пиролиза Шубаркольского угля она достигает 9,1 мл/(гс), т.е. больше чем в 20 раз. По этой причине при замене нефтяного кокса продуктом пиролиза угля увеличивается степень извлечения кремния, содержание его в металле и производительность в руднотермической печи. Использование низкозольного угля Шубаркольского разреза, являющегося каменным,длиннопламенным газовым углем при карботермии кварца предпочтительней применения древесной щепы, т.к. угли обладают более высоким показателем удельного электросопротивления,стоимость угля на порядок ниже стоимости древесной щепы. При этом древесная щепа дефицитный материал и для ее получения используется сложная технология и дорогостоящее оборудование. Пример. Карбонизат - продукт пиролиза Шубаркольского угля по техническому и химическому составу золы близок к древесному углю, а низкозольный Шубаркольский уголь - к древесной щепе. Результаты анализов твердых восстановителей представлена в таблице 1. Таблица 1 Твердые восстановители для выплавки кристаллического кремния Продукт пиролиза Шубаркольского угля Структурная прочность,Реакционная способность при 1273 К, мл/(гс) Удельное электросопротивление, Ом-м Химический состав золы,2 А 2 О 3 СаО 23 Р 2 О 5 2 О 2 2 3) в скобках указано количество вредных примесей, вносимых на 100 кг углерода Показатели извлечения кремния и его содержание в металле, а также относительные величины по стоимости приведены в таблице 2. Задано, кг Кварц Древесный уголь Нефтяной кокс Древесная щепа Продукт пиролиза Шубаркольского угля Низкозольный Шубаркольский уголь Извлечение кремния,Содержание кремния в металле,Относительная величина стоимости 1 тонны металла,Таким образом, использование карбонизата продукта пиролиза Шубаркольского угля для частичной или полной замены традиционных восстановителей - нефтяного кокса и древесного угля, а также низкозольного Шубаркольского угля взамен древесной щепы улучшает показатели по извлечению кремния и качеству металла и обеспечивает снижение стоимости конечной продукции в 1,08-3,46 раза. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ выплавки кристаллического кремния,включающий совместное проплавление кварца и твердого углеродистого восстановителя в руднотермической электропечи, отличающийся тем, что в качестве углеродистого восстановителя используют карбонизат продукт пиролиза Шубаркольского угля, а в качестве древесной щепы низкозольный Шубаркольский уголь.