Карбонизат “рексил” восстановитель для выплавки кристаллического кремния

(51) 10 57/00 (2009.01) 10 55/00 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ методом электротермии, производства фосфора,карбида кальция, металлизации и агломерации рудного сырья. Решаемой задачей изобретения является создание эффективного твердого низкозольного углеродного восстановителя на основе угольного сырья - карбонизата Рексил для выплавки кристаллического кремния, содержащего более 99,3 базового компонента, улучшающего техникоэкономические показатели процесса плавки. Технический результат достигается путем получения карбонизата Рексил из энергетических углей, используемого в качестве базового восстановителя для выплавки кристаллического кремния, имеющего в совокупности следующий состав и свойства - зола 1,0 -5,0, летучие вещества 0,1- 3,5, Углерод (С) (91,5 - 98,9),реакционная способность 7-12 мл/гс, удельное электросопротивление более 0,6106 омсм, удельная площадь поверхности 120-500 м 2/г (йодовое число 12,5 -50), структурная прочность (Пс ) 70-85.(76) Щебентовский Владимир Дмитриевич Ким Василий Анатольевич(56) 1. Нурмуханбетов Ж.У. Исследование и разработка технологии получения и использования спецкокса для выплавки ферросплавов. Автореферат дисс. канд. наук. Караганда, 2006 2.6096706 В 4, кл. 10 57/04, 1994 3.6096707 В 4, кл. 10 57/04, 1194 4.2077123 А 1, кл. 10 57/04, 2002(54) КАРБОНИЗАТ РЕКСИЛ ВОССТАНОВИТЕЛЬ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ(57) Изобретение относится к области черной,цветной металлургии и химической промышленности, а именно к получению эффективного твердого низкозольного углеродного восстановителя из энергетических углей карбонизата Рексил,для выплавки кристаллического кремния и чистых сплавов 23615 Изобретение относится к области черной,цветной металлургии и химической промышленности, а именно к получению карбонизата Рексил -эффективного твердого углеродного восстановителя из энергетических углей, для выплавки кристаллического кремния и чистых сплавов методом электротермии,производства фосфора,карбида кальция,металлизации и агломерации рудного сырья. Известен твердый углеродный восстановитель кокс,получаемый из спекающегося угля классическим способом в коксовых батареях без доступа воздуха путем внешнего подвода тепла для нагрева угольной загрузки. Например, доменный кокс для выплавки чугуна, рядовых марок ферросплавов, содержащий золу 8,7-13,5,летучих веществ 0,8-1,3, серу 0,41,74,фосфор 0,015-0,050 (Технолог-доменщик Волков Ю.П., Шпарбер Л.Я., Гусаров А.К.- М.,Металлургия, 1986, с. 263). Недостатком аналога является высокое содержание золы, низкие реакционная способность углерода кокса, не превышающая 0,5-0,7 мл/гс и низкое удельное электросопротивление, менее 4,0 омсм, отсутствие развитой тонкопористой структуры, йодовое число равно нулю, что не позволяет выплавлять металлы высокой чистоты и затрудняет достижение высоких техникоэкономических показателей технологического процесса. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является спецкокс, с относительно развитой пористой структурой(йодовое число 1-10) получаемый из неспекающихся углей, содержащий углерод - 88,578 , золу 7,0 - 10,0, летучие вещества 4,5-12, серу 0,26-0,40, фосфор - 0,017-0,023(Нурмухамбетов Ж.У. Исследование и разработка технологии получения и использования спецкокса для выплавки ферросплавов, автореферат дисс. канд. наук, Караганда, 2005). Недостатком прототипа является повышенное содержание золы, низкоразвитая тонкопористая структура и относительно не большая удельная площадь поверхности 10-100 м 2 /г (йодовое число не более 10), большое количество остаточных летучих веществ (4,5-12), низкая структурная прочность спецкокса Пс 45-55,что в совокупности не позволяет выплавлять, например,кристаллический кремний методом электротермии,содержащий более 99, 3 кремния, и с низким удельным расходом электроэнергии, менее 14,5 тыс. кВт/т. Задачей изобретения является создание эффективного низкозольного твердого углеродного восстановителя - карбонизата Рексил для выплавки кристаллического кремния, содержащего более 99, 3 базового компонента, улучшающего технико-экономические показатели процесса плавки. Техническим результатом изобретения является повышение чистоты выплавляемого кристалического кремния и достижение высоких 2 технико-экономических показателей процесса в результате использования карбонизата Рексил в качестве восстановителя, например, повышение производительности электропечи в единицу времени и снижение удельного расхода электроэнергии на единицу готовой продукции. Технический результат достигается путем получения карбонизата Рексил из энергетических углей, определенных параметров, таких как пористость обеспечивающая реакционная способность 7-12 мл/гс,удельное электросопротивление 0,6106 - 0,98 106 омсм.,удельная площадь поверхности 120-500 м 2/г(йодовое число 12,5 - 50) и структурная прочность Пс 70-85, имеющего в совокупности следующий состав и свойства - зола 1,0-5,0, летучие вещества 0,1-3,5, углерод (С) (91,5 - 98,9),и использованием его в качестве базового восстановителя для выплавки кристаллического кремния. Предлагаемый продукт названный нами карбонизат Рексил получен путем высокоскоростной термоокислительной карбонизации угля, крупностью 5-50 мм при температуре 1000-1500 С,обеспечивающей скорость нагрева угля в области температур его деструкции более 50 С/мин. Карбонизат Рексил представляет собой сыпучий кусковый материал серебристо-черного цвета. Размер кусков находится в пределах 5-40 мм. Насыпной вес 0,25-0,30 т/м 3 (Фиг. 1).Повышенная температура термоокислительной карбонизации(более 1000 С) способствует получению продукта с высокой структурной прочностью (Пс более 70) и низким содержанием летучих веществ (0,1-3,5). Предварительная подготовка исходного угольного сырья, например обогащение кускового угля и его фракционирование по классу крупности 5-50 мм., позволяет снизить содержание золы и получать карбонизат Рексил с содержанием золы не более 5. Благодаря высокоскоростной карбонизации достигается развитая тонкопористая структура карбонизата Рексил, с высокой удельной поверхностью пор 120- 500 м 2/г (йодовое число 12,550),с преимущественным образованием переходных сообщающихся пор, и микропор,способствующих интенсивному развитию наноразмерных пор на их стенках по всей внутренней поверхности. Как видно из фотографий микроструктуры карбонизата Рексил (Фиг. 2 и 3) ориентация и распределение переходных пор в объеме карбонизата Рексил произвольны и относительно равномерны. Наблюдается большое количество сообщающихся пор, имеющих относительно широкие открытые концы. Как известно,химическая активность углеродного восстановителя в основном определяется наличием микро- (6 нм) и переходных пор (от 6 нм до 22 микрон), т.к. от них зависит эффективная внутренняя или реакционная поверхность,а также условия диффузии 23615 реагирующих с ней газов. При этом особо эффективное поровое пространство образуют сообщающиеся поры, которым отводится решающая роль в процессах массо- и теплообмена. О наличии большого количества наноразмерных микропор, образующихся преимущественно на стенках сообщающихся пор в эффективном поровом пространстве, свидетельствует высокое йодовое число карбонизата Рексил 12,5-50, которое является значением в известном способе определения удельной площади поверхности микропор, так например, в сорбентах (активированный древесный уголь) Известно,что кристаллический кремний получают при температуре 1650-1750 С, однако при более низкой температуре 1300-1400 С образуется газообразный монооксид кремния . Основная часть газообразного монооксида кремнияпроходя через шихтовой слой в реакционной зоне восстанавливается углеродом восстановителей шихты до карбида кремния , а остальная его часть, не успевшая восстановиться уноситься из реакционной зоны вместе с другими газами в систему газоочистки, что приводит к потере производительности электропечи и увеличению расхода электроэнергии на тонну готовой продукции и другим негативным последствиям. Так как, скорость восходящего потока газообразногочерез шихтовой слой в реакционной зоне достаточно высока, и время прямого контакта с поверхностью восстановителя сравнительно не большое, то решающую роль для уменьшения уносаиз реакционной зоны и увеличения количества восстанавливающегося газообразногов карбид кремния, а в последующем и образования самого кристаллического кремния, играет пористость восстановителя, площадь поверхности порового пространства способного к взаимодействию(удельная площадь поверхности) и доступность к нему, а также скорость взаимодействия углерода восстановителя. Доступность порового пространства в основном обусловлена двумя факторами - структурой пор(открытые, закрытые, сообщающиеся, и т.д.) и количеством остаточных летучих веществ,выделяющихся из восстановителя при его разогреве в реакционной зоне, создающих избыточное давление в поровом пространстве в течении времени, необходимого для полного их испарения,которое препятствует эффективному проникновению в него газообразного монооксида кремния . Чем меньше количество остаточных летучих веществ в восстановителе, тем лучше и быстрее газообразный монооксид кремния проникает к эффективному поровому пространству, что приводит к увеличению скорости восстановительного процесса в единицу времени, и как следствие снижению доли уносаиз реакционной зоны. Использование карбонизата Рексил с развитой открытой пористой структурой и низким содержанием остаточных летучих веществ в качестве твердого углеродного восстановителя для выплавки кристаллического кремния и сплавов высокой чистоты,будет способствовать достижению высокой производительности электроплавильной печи вследствие повышенной скорости гетерогенного восстановления монооксида кремнияв реакционном пространстве печи,обусловленного большой и легкодоступной реакционной поверхностью взаимодействия(удельная поверхность пор достигает до 500 м 2/г., а остаточные летучие не более 3,5) и высокой химической активностью углерода. Кроме того,высокое удельное электросопротивление карбонизата Рексил (более 0,6106 омсм) будет оказывать положительное влияние на тепловой режим печи, что в конечном итоге приведет к снижению удельного расхода электроэнергии на единицу выплавляемого металла. Высокая структурная прочность карбонизата Рексил(Пс более 70) позволяет транспортировать его на большие расстояния любыми видами транспорта без измельчения(изменения фракционного состава), а также обеспечивает его доставку без измельчения и в полном объеме непосредственно в реакционную зону печи по тракту шихтоподачи (питатели, пересыпки,дозаторы), без уноса измельченной части в систему газо и пыле очистки, что в итоге оказывает положительное влияние на газопроницаемость шихтового слоя и приводит к существенному снижению естественных потерь восстановителя. Изобретение демонстрируется следующим примером. Предлагаемый продукт названный нами карбонизат Рексил получен путем высокоскоростной термоокислительной карбонизации угля, крупностью 5-50 мм при температуре 1000-1500 С,обеспечивающей скорость нагрева угля в области температур его деструкции более 50 С/мин. Для проведения исследований на электроплавильной печи по выплавке кристаллического кремния мощностью 200 кВА по известной технологии были опробованы два варианта плавки - базовый с использованием прототипа - спецкокса из неспекающегося угля, и опытный - с полной заменой спецкокса предлагаемым карбонизатом Рексил. В испытаниях учитывались следующие показатели- удельная производительность печи т/сут-удельный расход электроэнергии тыс.кВтч Условия плавки на протяжении всего периода исследований были одинаковыми. Результаты испытаний сведены в таблицу. Структурная прочность,Реакционная способность при 1000 С, мл/гс Удельное электросопротивление, омсм Иодовое число Содержание кремния в металле,Производительность печи, кг/сут. Удельный расход электроэнергии кВт.час/кг Из приведенных данных следует, что замена спецкокса карбонизатом Рексил способствует увеличению чистоты выплавляемого металла содержание базового элемента в кристаллическом кремнии увеличилось с 99,25 до 99, 58,повышению производительности печи - с 352 до 396 кг/сутки,снижению удельного расхода электроэнергии с 18,7 до 13, 2 кВтчас/кг. Таким образом, преимуществом изобретения по отношению к прототипу является достижение более высоких технико-экономических показателей выплавки металла и его чистота, что обеспечивается составом и свойствами нового твердого углеродного восстановителя - карбонизата Рексил. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Карбонизат - восстановитель для выплавки кристаллического кремния с пористой структурой,на основе угольного сырья, состоящий из углерода,золы, летучих веществ, отличающийся тем, что имеет развитую тонкопористую структуру, с переходными и сообщающимися макро порами с размерами от 6 нм до 22 микрон, и микро порами размером менее 6 нм, и обладает следующими свойствами и составом Удельная площадь поверхности- 120-500 м 2/г Реакционная способность - 7 - 12 мл/гс Удельное электросопротивление - 0,6106 - 0,98 6 10 омсм. Структурная прочность (Пс) - 70-85 Углерод (С) - 91,5 - 98,9 Зола- 1,0-5,0 Летучие вещества ( ) - 0,1-3,5.