CH663610A5 - METHOD FOR PRODUCING SILICON FROM RAW MATERIAL QUARTZ IN AN ELECTRONIC LOWER STOVE. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäss auf ein Verfahren zur Herstellung von Silicium aus Rohstoff-Quarz in einem Elektroniederschachtofen, wobei in den Elektroniederschachtofen der Rohstoff-Quarz in körniger Form und ausserdem Reduktionsmittelbriketts aus Quarz und Kohlenstoff eingebracht werden, die in bezug auf die Reaktion Si02 + 3C = SiC + 2CO einen Überschuss an Kohlenstoff aufweisen, wobei in einem oberen Teil des Elektronieder-schachtofens zuerst bei einer Temperatur von unter 1600 °C der Quarz in den Reduktionsmittelbriketts zu SiC umgesetzt wird und wobei danach in einem unteren Teil des Elektro-niederschachtofens bei einer Temperatur von über 1600 °C der flüssige Rohstoff-Quarz reduziert wird. Die Reduktionsmittelbriketts werden vorzugsweise im Wege der Heissbrikettierung hergestellt und die Temperatur, bei welcher der flüssige Rohstoff-Quarz reduziert wird, beträgt vorzugsweise 1800 bis 2000 °C - Rohstoff-Quarz bezeichnet alle für die Herstellung von Silicium eingesetzten Siliciumdioxidträger, insbesondere Quarzite und Quarzsand. Zur Herstellung der Reduktionsmittelbriketts wird im allgemeinen mit Quarzsand gearbeitet. Heissbrikettierung bezeichnet eine bindemittelfreie Brikettierung, bei der die Ausgangsstoffe auf eine The invention relates generically to a process for the production of silicon from raw material quartz in an electronic shaft furnace, the raw material quartz in granular form and also reducing agent briquettes of quartz and carbon are introduced into the electronic shaft furnace, which are related to the reaction Si02 + 3C = SiC + 2CO have an excess of carbon, with the quartz in the reducing agent briquettes first being converted to SiC in an upper part of the electronic low-shaft furnace at a temperature of below 1600 ° C. and then in a lower part of the electrical low-shaft furnace Temperature of over 1600 ° C the liquid raw material quartz is reduced. The reducing agent briquettes are preferably produced by hot briquetting and the temperature at which the liquid raw material quartz is reduced is preferably 1800 to 2000 ° C. - raw material quartz denotes all silicon dioxide carriers used for the production of silicon, in particular quartzites and quartz sand. Quartz sand is generally used to produce the reducing agent briquettes. Hot briquetting refers to binder-free briquetting in which the starting materials are based on a
Temperatur von 430 bis 540 °C erwärmt und unter Anwendung von Druck zu Briketts geformt werden (vgl. DE-PS 1 915 905). Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet werden, die auf andere sWeise hergestellt wurden. Temperature of 430 to 540 ° C heated and formed into briquettes using pressure (see. DE-PS 1 915 905). Within the scope of the invention, however, it is also possible to work with reducing agent briquettes which have been produced in another way.
Bei dem bekannten gattungsgemässen Verfahren (DE-PS 3 032 720) wird mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet, die in bezug auf die Reaktion Si02 + 3C = SiC + 2CO allenfalls einen geringen Überschuss an Kohlenstoff aufweisen. ^Tatsächlich strebt man eine möglichst vollständige Umsetzung der Reaktionspartner bei der angegebenen Reaktion in den Reduktionsmittelbriketts an, und zwar zu SiC und CO, um danach die Reduktion des flüssigen Rohstoff-Quarzes im unteren Teil des Niederschachtofens bei den angegebenen 15hohen Temperaturen mit dem SiC als Reduktionsmittel durchzuführen. Der Überschuss an Kohlenstoff ist nur vorhanden, weil der Kohlenstoff bei der Reduktion des Silici-umdioxids in den Reduktionsmittelbriketts auch mit Sauerstoff reagiert und insoweit für die Reduktion des Silicium-20dioxids verlorengeht. Im Rahmen der bekannten Massnahmen bestehen die Reduktionsmittelbriketts nach der Reduktion des Siliciumdioxids jedoch praktisch aus Siliciumcarbid und nicht mehr aus Kohlenstoff. Die bekannten Massnahmen haben sich bewährt, sind jedoch in bezug auf die Silici-25umausbeute und damit in bezug auf den Energiebedarf verbesserungsbedürftig. In the known generic method (DE-PS 3 032 720), use is made of reducing agent briquettes which, at most, have a slight excess of carbon in relation to the reaction Si02 + 3C = SiC + 2CO. In fact, the aim is to convert the reactants in the specified reaction in the reducing agent briquettes as completely as possible, namely to SiC and CO, and then to reduce the liquid raw material quartz in the lower part of the downhole furnace at the specified 15 high temperatures with the SiC as reducing agent perform. The excess of carbon is only present because the carbon also reacts with oxygen in the reduction of the silicon dioxide in the reducing agent briquettes and is thus lost for the reduction of the silicon dioxide. Within the framework of the known measures, however, the reducing agent briquettes practically consist of silicon carbide after the reduction of the silicon dioxide and no longer of carbon. The known measures have proven themselves, but are in need of improvement with regard to the silicon yield and thus with regard to the energy requirement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungs-gemässe Verfahren so zu führen, dass man bei reduziertem Energieeinsatz eine hohe Siliciumausbeute erhält. 30 Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, dass mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird, die in bezug auf die Reaktion Si02 + 3C = SiC + 2CO einen Überschuss an Kohlenstoff von mehr als 50 Gew.-% aufweisen, dass im oberen Teil des Elektroniederschachtofens in den Reduk-35tionsmittelbriketts bei der Temperatur von unter 1600 °C neben dem SiC aktivierter Kohlenstoff gebildet wird, wobei die Reduktionsmittelbriketts eine koksartige Struktur annehmen, und dass einerseits mit diesem aktivierten Kohlenstoff und andererseits mit dem gebildeten SiC der eingesetzte 40 Rohstoff-Quarz in dem unteren Teil des Elektroniederschachtofens reduziert wird. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung mit einem Überschuss an Kohlenstoff in den Reduktionsmittelbriketts gearbeitet, der weniger als 90 Gew.-%, vorzugsweise etwa 80 Gew.-%, ausmacht. Eine 45 Optimierung erreicht man fernerhin dadurch, dass das Verfahren insgesamt so geführt wird, dass mit dem aktivierten Kohlenstoff zumindest 50 Gew.-% des eingesetzten Roh-stoff-Quarzes in dem unteren Teil des Elektroniederschachtofens reduziert werden. - Insgesamt wird der Möller so eingestellt, dass die Stoffbilanz stimmt. Dabei ist es nicht erforderlich, ausschliesslich mit den Reduktionsmittelbriketts der beschriebenen Zusammensetzung zu arbeiten. Es kann vielmehr in Grenzen ein klassischer Möller beigegeben werden (z.B. aus 3 t Quarz / 0,41 Holzkohle / 0,41 Torfkoks / 0,3 t 55Petrolkoks / 0,5 t aschearme Kohle), solange nur sichergestellt ist, dass aus den Reduktionsmittelbriketts in ausreichendem Masse aktivierter Kohlenstoff zur Verfügung gestellt wird. The invention has for its object to carry out the generic method so that a high silicon yield is obtained with reduced energy consumption. 30 To achieve this object, the invention teaches that use is made of reducing agent briquettes which, in relation to the reaction Si02 + 3C = SiC + 2CO, have an excess of carbon of more than 50% by weight that in the upper part of the electronic shaft furnace Reductant briquettes are formed at a temperature of below 1600 ° C next to the SiC activated carbon, the reducing agent briquettes taking on a coke-like structure, and that on the one hand with this activated carbon and on the other hand with the SiC formed, the 40 raw material quartz used in the lower part of the electronic low shaft furnace is reduced. In the context of the invention, preference is given to working with an excess of carbon in the reducing agent briquettes which is less than 90% by weight, preferably about 80% by weight. Optimization is also achieved if the process is carried out overall in such a way that at least 50% by weight of the raw material quartz used in the lower part of the electronic shaft furnace is reduced with the activated carbon. - Overall, the Möller is adjusted so that the material balance is correct. It is not necessary to work exclusively with the reducing agent briquettes of the composition described. Rather, a classic Möller can be added within limits (e.g. from 3 t quartz / 0.41 charcoal / 0.41 peat coke / 0.3 t 55 petroleum coke / 0.5 t low-ash coal), as long as it is only ensured that from the reducing agent briquettes sufficient activated carbon is made available.
Wie bereits erwähnt, ist für das erfindungsgemässe Verfahren die Art und Weise der Herstellung der Reduktionsmittelbriketts grundsätzlich beliebig. Es muss allerdings sichergestellt werden, dass die Reduktionsmittelbriketts entsprechend standfest sind, um in der beschriebenen Weise gleichsam als Möller zusammen mit dem Rohstoff-Quarz in 65einen Elektroniederschachtofen eingebracht zu werden und dort in der beschriebenen Weise zu reagieren. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird dabei so verfahren, dass mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird, As already mentioned, the method of producing the reducing agent briquettes is basically arbitrary for the method according to the invention. However, it must be ensured that the reducing agent briquettes are stable in order to be introduced in the manner described as a Möller together with the raw material quartz in an electronic shaft furnace and to react there in the manner described. According to a preferred embodiment of the invention, the procedure is such that one works with reducing agent briquettes,
die im Wege der Heissbrikettierung in Form von Eierbriketts oder Kissenbriketts hergestellt sind und die eine Grösse von 15 bis 60 cm3 aufweisen. Im Zusammenhang damit empfiehlt die Erfindung fernerhin, dass mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird, deren Kohlenstoffgehalt, soweit für die Heissbrikettierung erforderlich, aus backender Kohle und im übrigen aus inerten Kohlenstoffträgern wie Petrolkoks, Anthrazit, Graphit, Braun- und Steinkohlenkoksen besteht. - Es versteht sich, dass das erfindungsgemässe Verfahren zu Ferrosilicium und zu Silicometall fortgeführt werden kann, indem man neben dem Rohstoff-Quarz geeignete Substanzen, z.B. Eisenspäne oder Eisengranulat, in den Elektroniederschachtofen einbringt. which are produced by hot briquetting in the form of egg briquettes or pillow briquettes and which have a size of 15 to 60 cm3. In connection with this, the invention further recommends working with reducing agent briquettes whose carbon content, insofar as is necessary for hot briquetting, consists of baking coal and, moreover, inert carbon carriers such as petroleum coke, anthracite, graphite, brown and hard coal coke. It goes without saying that the process according to the invention for ferrosilicon and for silicon metal can be continued by using suitable substances, e.g. Iron shavings or iron granulate, into the electronic low-shaft furnace.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei der Reduktion von Siliciumdioxid mit Kohlenstoff in den Reduktionsmittelbriketts neben der Bildung des Siliciumcarbids auch eine Bildung von aktivem Kohlenstoff erfolgt, der gleichsam als jungfräulicher Kohlenstoff im unteren Teil des Elektroniederschachtofens, nebem dem Siliciumcarbid, zur Reduktion des Siliciumdioxids zur Verfügung steht, was im Ergebnis die Ausbeute verbessert und den Energieeinsatz reduziert. Das wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen ausführlicher erläutert. The invention is based on the knowledge that, in the reduction of silicon dioxide with carbon in the reducing agent briquettes, in addition to the formation of the silicon carbide, active carbon is also formed, which as it were as virgin carbon in the lower part of the electronic shaft furnace, in addition to the silicon carbide, to reduce the Silicon dioxide is available, which improves the yield and reduces the energy consumption. This is explained in more detail below using exemplary embodiments.
Beispiel 1 example 1
Zur Erzeugung von rund 600 t Silicium wurden 1200 t Briketts hergestellt, die mit einer nahezu gleich grossen Menge von stückigem Quarz in den Elektroofen eingesetzt wurden. To produce around 600 t of silicon, 1200 t of briquettes were produced, which were used in the electric furnace with an almost equal amount of lumpy quartz.
Im ersten Verfahrensschritt wurden die Briketts aus einer Mischung von In the first process step, the briquettes were made from a mixture of
30% backender Kohle 30% baking coal
32% Petrolkoks und 32% petroleum coke and
38% Quarzsand (99,8% Si02) 38% quartz sand (99.8% Si02)
nach dem Heissbrikettierungsverfahren hergestellt, d.h., dass die Kohle bei Temperaturen um 500 °C als Binder verwendet wurde. Die fertigen, erkalteten Briketts wurden untersucht und enthielten produced by the hot briquetting process, i.e. the coal was used as a binder at temperatures around 500 ° C. The finished, cooled briquettes were examined and contained
(42 +/- 0,4) Si02 und (52 +/- 0,7) Cfix. (42 +/- 0.4) Si02 and (52 +/- 0.7) Cfix.
Eine Festigkeitsuntersuchung zeigte, dass Punktdruckfestigkeiten von 150 bis 200 kg erreicht worden waren, die durch das Einbinden der inerten Stoffe wie Petrolkoks und Sand in die geschmolzene und wieder erkaltete Kohle zu erklären ist. Eine Messung der inneren Oberfläche des Briketts ergab 0,5 bis 1,0 m2/g. Das bedeutet, dass keine reaktionskinetisch interessanten Flächen vorliegen, an denen heterogene Umsetzungen zwischen Gasen wie SiO einerseits und Kohlenstoff andererseits mit hohen Umsätzen stattfinden können. A strength test showed that point compressive strengths of 150 to 200 kg had been reached, which can be explained by the inclusion of the inert substances such as petroleum coke and sand in the melted and cooled coal. Measurement of the inner surface of the briquette showed 0.5 to 1.0 m2 / g. This means that there are no reaction kinetically interesting areas where heterogeneous conversions between gases such as SiO on the one hand and carbon on the other hand can take place with high conversions.
In einem zweiten Verfahrensschritt wurden die Briketts einem Elektroniederschachtofen zugeführt. Vor dem Ofen wurde das Material abgesiebt, was als Abrieb und Bruch während des Transportes entstanden war, dieses Feinmaterial lag in seinem Anteil unter 5%. Das ist ein sehr gutes Ergebnis, werden doch Holzkohle, Torfkohle und Kohlen viel stärker zerstört. Zahlen von mehr als 10% sind bekannt. In a second process step, the briquettes were fed to an electronic low shaft furnace. The material was screened off in front of the oven, which had resulted in abrasion and breakage during transport. This fine material was less than 5% in proportion. This is a very good result, since charcoal, peat and coal are destroyed much more. Numbers of more than 10% are known.
663 610 663 610
Im Elektroofen befand sich bei kontinuierlicher Füllung eine Mischung von stückigem Quarz und Briketts, die aufgrund ähnlicher Verhaltensweisen beim Schütten in statistisch guter Verteilung aufgeheizt und zur Reaktion gebracht wurden. In the electric furnace there was a mixture of lumpy quartz and briquettes with continuous filling, which were heated up and reacted in a statistically good distribution due to similar behavior during pouring.
Betrachtet man die pauschale Reaktion der Si-Erzeugung Consider the blanket response of Si generation
Si02 + 2C = Si + 2CO, Si02 + 2C = Si + 2CO,
so kann man aus der Analyse der Briketts entnehmen, dass der Kohlenstoff in ihnen überdosiert vorhanden ist und erst die weitere Reaktion mit den Quarzstücken den vollen Umsatz gewährleistet. Da aber vor der Si-Bildung Siliciumcarbid nach der Gleichung it can be seen from the analysis of the briquettes that the carbon is overdosed in them and only the further reaction with the quartz pieces ensures full conversion. But because of the equation before silicon formation, silicon carbide
Si02 + 3C = SiC + 2CO Si02 + 3C = SiC + 2CO
entsteht, bleibt die Frage, ob für diesen Fall ausreichend Kohlenstoff im Brikett vorhanden ist. Die Rechnung ergibt, dass rund doppelt soviel Kohlenstoff im Brikett vorliegt, wie die Reaktion erfordert. Das ist ein Molverhältnis von 1:5 bis 1:6. Dieses war angestrebt worden, damit die beim Heissbri-kettieren geprägten Koksstrukturen erhalten bleiben, auch wenn Verluste durch Reaktion zu Siliciumcarbid eintreten. arises, the question remains whether there is sufficient carbon in the briquette for this case. The calculation shows that there is around twice as much carbon in the briquette as the reaction requires. This is a molar ratio of 1: 5 to 1: 6. This was aimed at so that the coke structures embossed during hot briquetting are preserved, even if losses occur as a result of reaction to silicon carbide.
Ein Beweis für diese Auffassung wurde erbracht, indem man mittels Thermoelementen die Temperaturzone herausfand, in der die Carbidreaktion stattfindet. Im 1500 bis 1600 CC heissen Material wurden Proben gezogen, die eindeutig belegten, dass die Briketts noch ihre ursprüngliche Form aufweisen, obwohl der Umsatz zwischen Kohlenstoff und Silicium schon angefangen hatte, bzw. vollends abgelaufen war. Evidence for this view was provided by using thermocouples to find out the temperature zone in which the carbide reaction takes place. Samples were taken in the 1500 to 1600 CC hot material, which clearly demonstrated that the briquettes still have their original shape, although the sales between carbon and silicon had already begun or had completely expired.
Die meisten Briketts zeigten eine weisse Oberfläche, dies bedeutet, dass hier Reaktionen stattgefunden hatten. Bedeutender war aber die Messung der inneren Oberfläche der erkalteten Briketts. Die Messung zeigte eine stark aufgeweitete innere Oberfläche von 20 bis 230 m2/g. Most of the briquettes had a white surface, which means that reactions had taken place here. However, the measurement of the inner surface of the cooled briquettes was more important. The measurement showed a greatly expanded inner surface of 20 to 230 m2 / g.
Das führt zu einem starken Rückgang des Si02-Anfalls in der Gasreinigung. Damit eng gekoppelt sind der Energieverbrauch und die Siliciumausbeute. Am Ofen wurde gemessen, dass der Stromverbrauch um rund 14% zurückging und die Si-Ausbeute um mehr als 20% anstieg. Ein nicht erwarteter, aber wichtiger wirtschaftlicher Vorteil war die Halbierung des Elektroden Verbrauchs. Dieser sank von 128 kg/t Si auf 59 kg/t Si. Die Bewegungen der Elektroden gingen auf ein Minimum zurück. This leads to a sharp decrease in the amount of Si02 generated in gas cleaning. Energy consumption and silicon yield are closely linked to this. It was measured on the furnace that the power consumption decreased by around 14% and the Si yield increased by more than 20%. An unexpected, but important economic advantage was the halving of the electrode consumption. This decreased from 128 kg / t Si to 59 kg / t Si. The movements of the electrodes were kept to a minimum.
Beispiel 2 Example 2
Bei der Erzeugung von Ferrosilicium liegen die Verhältnisse günstiger. Hier sind die Verluste durch die Bildung von SiO geringer. The situation is more favorable for the production of ferrosilicon. The losses due to the formation of SiO are lower here.
Verfährt man nach der oben beschriebenen Weise so, If one proceeds in the manner described above,
dass der Stückquarz- und Briketteinsatz untereinander im Verhältnis von 50:50 bleiben, und dass Eisenschrott in dem Mass zugesetzt wird, dass eine 75er Legierung entsteht, so sind noch deutlich die Vorteile der Briketts zu erkennen: Der Stromverbrauch sinkt um 8% und die Ausbeute an Silicium steigt um 12% an. The fact that the piece of quartz and briquette remain in a ratio of 50:50 to each other, and that scrap iron is added to the extent that a 75 alloy is produced, the advantages of the briquettes can still be clearly seen: the power consumption drops by 8% and the yield silicon increases by 12%.
3 3rd
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
c c
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1986
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