CN106542514A

CN106542514A - 金属硅的高温复合兰炭还原剂及其制备方法和使用方法

Info

Publication number: CN106542514A
Application number: CN201610904878.7A
Authority: CN
Inventors: 李永安
Original assignee: Malone County Ming Long Coking Industry Co Ltd
Current assignee: Malone County Ming Long Coking Industry Co Ltd
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2017-03-29

Abstract

本发明公开了一种金属硅的高温复合兰炭还原剂,制备原料及重量百分比为：长焰煤 30%～50%气煤，20%～40%肥煤，15%～35%煤焦油沥青，3%～7%。制备方法为：混合、破碎、高温干馏，破碎。使用方法为：将硅石与还原剂按重量比（2.4～2.7）:1.1混合均匀后加入高温电炉。本还原剂，原材料成本低，降低性能优良，能够很好地满足金属硅地制造要求，使用时能够提高金属硅的产量、出硅率及生产成本。

Description

金属硅的高温复合兰炭还原剂及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明属于金属硅制造技术领域，尤其是一种金属硅的高温复合兰炭还原剂及其制备方法和使用方法。

背景技术

随着半导体产业及光伏产业的迅猛发展，金属硅的需求量与日俱增。金属硅属高能耗产业，其生产主要采用硅石为原料，炭质材料作为还原剂，在电热炉内生产的。金属硅在还原的过程中需要的还原剂量大，并且对还原剂有着严苛的要求：高含量固定碳、灰分含量低、反应活性好、高比电阻等，具体的原理请参照论文《浅谈工业硅的几种碳质还原剂》（《价值工程》2014年26期，作者陈升、陈雯等）、《木炭还原剂替代技术在工业硅冶炼中的应用，作者张忠益、卢国洪、周杰等》（《铁合金》2016年2期）以及《工业硅生产过程中还原剂研究进展》（《当代化工》2014年12期，作者任思帅、王辉、杨帅）。在金属硅的生产成本中，各项费用与总费用的百分比为：硅石7.9；电费36.6；还原剂34.7；电极14；人工费用1.7；制造费用5.1，还原剂成本占了总成本的三分之一，因此，好的还原剂对控制生产成本至关重要。

常用的还原剂包括木炭、烟煤、石油焦，在实际的生产过程中，一般都是将木炭、烟煤、石油焦中的几种按比例搭配使用，如申请号为200510026545.0的发明公开专利申请，将烟煤和石油焦混合作为还原剂；又如申请号为201210551123.5的发明公开专利申请，将提纯碳粉、木炭粉、石油焦粉按比例混合作为还原剂；又如申请号为201210551081.5的发明公开专利申请，由烟煤提取的精煤粉和石油焦粉混合作为还原剂；除上述情况外，还可以添加木块、稻壳等材料。

木炭的生产需要砍伐大量的树木，破坏生态环境，不利于持续发展，且木炭的生产成本较高，不利于保障炼硅企业的经济效益。烟煤的各项性能较好，但灰分含量较高，固定碳含量低，生产的还原剂灰分也较高，机械强度差，冶炼过程中烧损大。石油焦的固定碳含量高，但是石油焦会导致强石墨化，使炉底上涨，影响生产。采用上述材料生产的还原剂，某些指标较好地满足了对还原剂的要求，但部分指标差强人意，不利于金属硅的生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属硅的高温复合兰炭还原剂，及其制备方法和使用方法，降低还原剂的生产成本，且能提高还原剂的各项指标，更好地满足金属硅地生产需要。

本发明的目的是这样实现的：一种金属硅的高温复合兰炭还原剂，由以下重量百分比的原料制备：

长焰煤 30%～50%

气煤 20%～40%

肥煤 15%～35%

煤焦油沥青 3%～7%

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的总重量百分比为100%。

进一步地，在制备原料中，长焰煤的质量百分比为40%，气煤的质量百分比为30%，肥煤的质量百分比为25%，煤焦油沥青的质量百分比为5%。

上述金属硅的高温复合兰炭还原剂的制备方法，包括以下步骤：

A、按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；

B、将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%；

C、将步骤B得到的颗粒与气煤、肥煤混合均匀，再进行粉碎，粉碎后粒度小于2mm的部分的质量分数大于95%；

D、将步骤C得到的颗粒进行振动筛分除铁；

E、将步骤D得到的颗粒制成煤饼；

F、将煤饼送入炼焦炉，在950℃～1250℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；

G、熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；

H、除铁，得到高温复合兰炭。

进一步地，步骤G中，熄焦、冷却后，先将焦炭筛分破碎至粒度小于50mm，再进行二次破碎、筛分，得到粒度为10mm～22mm的焦炭。

进一步地，在步骤G中，熄焦方式为水熄焦。

上述金属硅的高温复合兰炭还原剂的使用方法，将硅石与还原剂按重量比（2.4～2.7）:1.1混合均匀后加入高温电炉。

本发明的有益效果是：金属硅的高温复合兰炭还原剂及制作方法，采用长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青作为制造原料，替代烟煤、石油焦和造价昂贵的木炭，降低了原料成本；采用特定的工艺，保证制得的高温复合兰炭还原剂性能良好，其组成成分及重量百分比为：内水0.1%～0.3%，灰分3%～7%，挥发分1%～6%，硫0.2%～0.5%，固定碳90%～96%，铁0.1%～0.15%，钙0.02%～0.05%，磷0.002%～0.008%，钛0.02%～0.04%，铝0.3%～0.8%，其比电阻为3500Ω·m～6000Ω·m，孔隙率55%～62%，气孔直径360μm，气孔壁厚度280μm，反应性不低于58%，反应后强度不低于48%，满足固定碳含量高、杂质元素少、高比电阻、强度高的要求，同时由于孔隙率较高，反应活性较好，能够更好地满足金属硅地生产需要。

金属硅的高温复合兰炭还原剂的使用方法，现有技术采用多种还原剂混合添加，容易出现混合不均匀导致炉内还原反应不均匀，各种还原剂的消耗速度不一致。传统工艺中使用的主要还原剂石油焦、精煤均为粉状，加之比电阻较低，物料进入冶炼炉后，还原剂在炉膛的上部就大量然烧，并被环保负压引风机抽走，其结果就是还原剂损耗增加、硅微粉增加，还原剂不能较好的沉入直达炉膛底部，出现炉膛内上部料轻（固定炭过剩）烟气量大、热损失大；炉膛内底部料重（固定炭缺少）、高温区还原反应效果差，产量不高、产品质量下降、炉底容易上涨，情况严重时就需要停炉清理维修，最终生产周期缩短、设备维修费用增加。使用高温复合兰炭作为还原剂时，因其固定碳高、碳含量稳定、颗粒状好、比电阻高、孔隙率高，正好弥补了上述存在的问题，均匀分布在炉膛内各个区域，还原反应效果显著提高，特别是能较好的沉入直达炉膛底部，高温区还原反应效更果好，完全符合冶炼还原反应的原理，炉况好、产量高、质量好。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

本发明的一种金属硅的高温复合兰炭还原剂，由以下重量百分比的原料制备：

长焰煤 30%～50%

气煤 20%～40%

肥煤 15%～35%

煤焦油沥青 3%～7%

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的总重量百分比为100%。

长焰煤、气煤和肥煤均为常见煤种，储量大，与木炭相比，成本更加低廉，且开采不会砍伐森林，避免了破坏环境。煤焦油沥青包括高温煤焦油沥青和低温煤焦油沥青，本发明优选采用高温煤焦油沥青。各煤种的占比根据各煤种的煤化度及各项理化指标（焦炭热强度、焦炭热反性、膨胀度、收缩度、镜质组最大反射率、灰分、含硫、挥发份、粘结指数、胶质层、铁、铝、钙、磷、钛、）加权互补确定，以扩大煤资源的使用范围。

作为优选，在制备原料中，长焰煤的质量百分比为40%，气煤的质量百分比为30%，肥煤的质量百分比为25%，煤焦油沥青的质量百分比为5%。

A、按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；洗煤加工包括粗洗和精洗，除去原料煤中的杂质，提高煤的品质。

B、将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%；干燥在滚筒干燥系统中进行，长焰煤与煤焦油沥青的混合、粉碎在球磨机中进行。

D、将步骤C得到的颗粒进行振动筛分除铁，利用振动分级筛进行。

E、将步骤D得到的颗粒制成煤饼；在捣固炉中将颗粒制成煤饼，煤饼的重量为25t。

F、将煤饼送入炼焦炉，在950℃～1250℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；采用高温干馏，温度过低会影响焦炭的强度和产量，但炼焦炉的炭化室采用硅砖材料砌筑，硅砖耐高温性能有限，温度过高容易造成高温事故，因此，综合考虑，干馏温度设置为950℃～1250℃。

G、熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；

H、除铁，得到高温复合兰炭。除铁采用磁选机。

步骤G中，熄焦、冷却后，先将焦炭筛分破碎至粒度小于50mm，再进行二次破碎、筛分，得到粒度为10mm～22mm的焦炭。

在步骤G中，熄焦方式为水熄焦。

采用上述制作工艺，保证制得的高温复合兰炭还原剂性能良好，其组成成分及重量百分比为：内水0.1%～0.3%，灰分3%～7%，挥发分1%～6%，硫0.2%～0.5%，固定碳90%～96%，铁0.1%～0.15%，钙0.02%～0.05%，磷0.002%～0.008%，钛0.02%～0.04%，铝0.3%～0.8%，其比电阻为3500Ω·m～6000Ω·m，孔隙率55%～62%，气孔直径360μm，气孔壁厚度280μm，反应性不低于58%，反应后强度不低于48%，满足固定碳含量高、杂质元素少、高比电阻、强度高的要求，同时由于孔隙率较高，反应活性较好，能够更好地满足金属硅地生产需要。

上述金属硅的高温复合兰炭还原剂的使用方法，将硅石与还原剂按重量比（2.4～2.7）:1.1混合均匀后加入高温电炉。硅石与还原剂的重量比优选采用2.7:1.1。

实施例一：

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的重量百分比分别为30%、32%、35%和3%，按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%，再与气煤、肥煤混合均匀，进行粉碎，粉碎后粒度小于2mm的部分的质量分数大于95%；利用振动筛分除铁，再在捣固炉中将混合颗粒捣固成重量为25t煤的饼；将煤饼送入炼焦炉，在950℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；水熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；除铁，得到高温复合兰炭。

本实施例制得的高温复合兰炭的组成成分及重量百分比为，内水0.1%，灰分4%，挥发分3%，硫0.3%，固定碳92%，铁0.12%，钙0.02%，磷0.005%，钛0.02%，铝0.4%，其余为其他微量杂质；其比电阻为4200Ω·m，孔隙率57%，气孔直径约360μm，气孔壁厚度约280μm，反应性58%，反应后强度48%。

实施例二：

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的重量百分比分别为35%、40%、20%和5%，按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%，再与气煤、肥煤混合均匀，进行粉碎，粉碎后粒度小于2mm的部分的质量分数大于95%；利用振动筛分除铁，再在捣固炉中将混合颗粒捣固成重量为25t煤的饼；将煤饼送入炼焦炉，在1000℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；水熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；除铁，得到高温复合兰炭。

本实施例制得的高温复合兰炭的组成成分及重量百分比为，内水0.1%，灰分3%，挥发分2%，硫0.4%，固定碳94%，铁0.1%，钙0.03%，磷0.004%，钛0.02%，铝0.3%，其余为其他微量杂质；其比电阻为4800Ω·m，孔隙率58%，气孔直径约360μm，气孔壁厚度约280μm，反应性59%，反应后强度51%。

实施例三：

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的重量百分比分别为40%、30%、25%和5%，按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%，再与气煤、肥煤混合均匀，进行粉碎，粉碎后粒度小于2mm的部分的质量分数大于95%；利用振动筛分除铁，再在捣固炉中将混合颗粒捣固成重量为25t煤的饼；将煤饼送入炼焦炉，在1100℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；水熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；除铁，得到高温复合兰炭。

本实施例制得的高温复合兰炭的组成成分及重量百分比为，内水0.1%，灰分3%，挥发分2.5%，硫0.25%，固定碳93.5%，铁0.14%，钙0.02%，磷0.003%，钛0.04%，铝0.3%，其余为其他微量杂质；其比电阻为5600Ω·m，孔隙率62%，气孔直径约360μm，气孔壁厚度约280μm，反应性61%，反应后强度51%。

实施例四：

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的重量百分比分别为45%、25%、15%和5%，按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%，再与气煤、肥煤混合均匀，进行粉碎，粉碎后粒度小于2mm的部分的质量分数大于95%；利用振动筛分除铁，再在捣固炉中将混合颗粒捣固成重量为25t煤的饼；将煤饼送入炼焦炉，在1180℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；水熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；除铁，得到高温复合兰炭。

本实施例制得的高温复合兰炭的组成成分及重量百分比为，内水0.2%，灰分4%，挥发分4%，硫0.4%，固定碳90.5%，铁0.1%，钙0.04%，磷0.006%，钛0.02%，铝0.7%，其余为其他微量杂质；其比电阻为5200Ω·m，孔隙率59%，气孔直径约360μm，气孔壁厚度约280μm，反应性59%，反应后强度50%。

实施例五：

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的重量百分比分别为，50%、20%、23%和7%，按比例称取煤焦油沥青和经过洗煤加工后的长焰煤、气煤和肥煤；将长焰煤干燥后与煤焦油沥青混合均匀，并将混合物粉碎，粉碎后粒度小于1mm的部分的质量分数大于95%，再与气煤、肥煤混合均匀，进行粉碎，粉碎后粒度小于2mm的部分的质量分数大于95%；利用振动筛分除铁，再在捣固炉中将混合颗粒捣固成重量为25t煤的饼；将煤饼送入炼焦炉，在1250℃的温度下干馏，干馏时间为30h至40h；水熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；除铁，得到高温复合兰炭。

本实施例制得的高温复合兰炭的组成成分及重量百分比为，内水0.25%，灰分6%，挥发分2%，硫0.25%，固定碳91%，铁0.1%，钙0.03%，磷0.004%，钛0.04%，铝0.3%，其余为其他微量杂质；其比电阻为5100Ω·m，孔隙率56%，气孔直径约360μm，气孔壁厚度约280μm，反应性58%，反应后强度49%。

以某厂实际使用效果为例对本发明还原剂的效果进行说明，采用1000kg硅石作为原料进行制备，现有技术的还原剂采用石焦油250kg、精煤150kg、木炭300kg和木片100kg的混合物，冶炼电极消耗85kg，冶炼电单耗12600 kwh，产硅量392kg，出硅率39.2%，制得的金属硅质量等级牌号：4210、4410、5210、5530（参照GB T 2881-2014），12500KVA工业硅矿热炉日产量24.5-25吨，直接生产成本概算9000元。

实施例六：

称取1000kg硅石，称取本发明高温复合兰炭450kg，加入12500KVA工业硅矿热炉进行冶炼，冶炼电极消耗65kg，冶炼电单耗12200 kwh，产硅量408kg，出硅率40.8%，制得的金属硅质量等级牌号：3303、4110、4210、4410，12500KVA工业硅矿热炉日产量25.5-26吨，直接生产成本概算8500元。与现有技术相比，还原剂消耗量减少350kg，冶炼电极消耗减少20kg，冶炼电单耗减少400 kwh，金属硅产量增加16kg，出硅率增加1.6%，制得的金属硅质量提升一个等级，节约成本500元。采用12500KVA工业硅矿热炉进行生产时，日产量增加1吨。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金属硅的高温复合兰炭还原剂，其特征在于，由以下重量百分比的原料制备：

长焰煤 30%～50%

气煤 20%～40%

肥煤 15%～35%

煤焦油沥青 3%～7%

长焰煤、气煤、肥煤和煤焦油沥青的总重量百分比为100%。

2.如权利要求1所述的一种金属硅的高温复合兰炭还原剂，其特征在于，在制备原料中，长焰煤的质量百分比为40%，气煤的质量百分比为30%，肥煤的质量百分比为25%，煤焦油沥青的质量百分比为5%。

3.权利要求1所述金属硅的高温复合兰炭还原剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

D、将步骤C得到的颗粒进行振动筛分除铁；

E、将步骤D得到的颗粒制成煤饼；

G、熄焦、冷却后，将焦炭粉碎至粒度为10mm～22mm；

H、除铁，得到高温复合兰炭。

4.权利要求3所述金属硅的高温复合还原剂的制备方法，其特征在于，步骤G中，熄焦、冷却后，先将焦炭筛分破碎至粒度小于50mm，再进行二次破碎、筛分，得到粒度为10mm～22mm的焦炭。

5.权利要求3所述金属硅的高温复合还原剂的制备方法，其特征在于，在步骤G中，熄焦方式为水熄焦。

6.权利要求1所述金属硅的高温复合兰炭还原剂的使用方法，其特征在于，将硅石与还原剂按重量比（2.4～2.7）:1.1混合均匀后加入高温电炉。

7.权利要求6所述金属硅的高温复合兰炭还原剂的使用方法，其特征在于，将硅石与还原剂按重量比2.7:1.1混合均匀后加入高温电炉。