CN1081164C - 全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺，包括准备原料、配料、入炉冶炼，其特点是硅质原料全部用石英砂直接与碳质还原剂配制炉料，并按要求送入炉内冶炼。本发明具有节能十分显著，比常规冶炼节电达40%左右；还原反应速度快，产量提高，电极消耗量少，大幅度降低生产成本；省去了造块工艺和设备的技术效果。

Description

全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺

本发明属于全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺。

结晶硅亦称工业硅或金属硅，广泛用于冶金、机械、电子、化工、船舶制造和新能源开发等工业领域。已知的生产结晶硅的方法：用优质的块状硅石或块状石英为原料，用石油焦、木炭、木块和煤等为还原剂，经配料、入炉冶炼、出硅和炉外处理工序在还原电炉中冶炼。《铁合金冶炼技术操作》(1994年东北大学出版社出版)一书中对硅石的物理性能要求为：硅石应具有较好的机械强度和抗爆裂性能，入炉粒度视炉子容量大小而定，一般5000KVA以上的炉子，硅石粒度为50～100mm，5000KVA以下的炉子为25mm～60mm，其中40mm～60mm中粒度的硅石应占50％以上。

《铁合金》杂志1998年1期列出了世界上生产结晶硅的主要国家如美国、原苏联、德国、瑞士和中国的原材料消耗量，其中含硅原料均为硅石。电炉炉容为5000～29000KVA，电极消耗87～150Kg/t，电耗为11000～14000KWh/t。

可见，尽管国外已采用大容量封闭式旋转电炉，计算机监控等先进技术，以硅石为原材料冶炼结晶硅的能耗仍然很高，而电耗占总成本60％以上。

上述现有冶炼结晶硅工艺的不足之处在于通常只考虑了块状硅石透气性好的一面，而忽视了块状硅石粒度太大，比表面积太小，因而还原反应速度太慢的缺陷，从而导致传统冶炼结晶硅工艺的高能耗。

1998年6月1日，虽然向中国专利局提交了申请号为981 12042.3发明专利申请，名称为《以石英砂冶炼工业硅的生产工艺》是以石英砂配以煤粉和粘合剂、压块、烘干后入炉冶炼结晶硅，或以这种压块配加部份石英砂冶炼结晶硅的工艺，这种工艺虽然可以降低能耗，但其不足之处在于：增加了造块的机械设备和烘干设备，比直接用块状硅石冶炼的流程长而复杂，投资和运行费用提高，因而成本提高。且加入粘合剂增加了原材料的杂质，影响产品的纯度，产品质量难于达到国家标准。

本发明旨在针对上述现有技术的不足，提供一种全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺，该工艺能省去造块工艺和设备，减少工艺步骤，提高了还原反应的速度和产量，大幅度地降低冶炼结晶硅的能耗和提高产品质量。

为达上述发明目的，本发明的技术解决方案是：在《以石英砂冶炼工业硅的生产工艺》的基础上，全部用石英砂，配以碳质还原剂，该还原剂包括：低灰份烟煤，石油焦和木炭或其代用品，如木块、玉米芯，混匀后加入电炉中冶炼结晶硅。

本发明对原材料要求如下：

石英砂的化学成份：

SiO₂＞98.5％；  Al₂O₃≤0.8％：    Fe₂O₃≤0.4％；

CaO≤0.2％      MgO≤0.15％

碳质还原剂：还原剂的成份和粒度要求如下：

碳质还原剂    固定碳含量(％)    灰份(％)  粒度(mm)

木炭            ＞75              ＜3      3～10

石油焦          ＞85              ＜1      1～10

烟煤            ＞55              ＜9      1～5

电炉结构与用硅石冶炼结晶硅的电炉类似。但本发明电炉炉膛的径高比要小于一般电炉。通常设计电炉的径高比D/H＝2.2～2.7。而全石英砂冶炼结晶硅的电炉的径高比的取值应偏于下限，因石英砂堆比重大于块状硅石，相同容量的电炉炉膛高度降低有利于炉况顺行。

根据所用石英砂SiO₂含量，以90％SiO₂进入合金，7％以SiO挥发，3％进入炉渣，按炼硅主要反应式：    

               计算出批料所用硅质原料所需的理论纯碳量。计算中石墨电极和还原剂中固定碳的分配如下：

               木炭 石油焦 烟煤  电极

还原SiO₂(％)   85    90    70    90

炉口烧损(％)    15    10    30    10

扣除电极提供的纯碳量，即为应由还原剂提供的理论碳量。实际配碳量按理论纯碳量的95％～100％配制。适当欠碳有利于电极深插，改善炉况，同时冶炼中便于调节炉况。

 还原剂用低灰份烟煤，石油焦和木炭或其代用品。选定各碳质还原剂的比例后，用各该比例乘以所需实际配碳量即为应由各还原剂提供的固定碳数量，再根据各还原剂的固定碳含量，水份含量和烧损量算出各还原剂所需的实际称量。

各还原剂提供纯碳量分配比例范围如下：

木炭      大于50％～小于等于75％

石油焦    等于大于20％～45％

烟煤      等于大于5％～小于10％冶炼工艺除与用硅石冶炼结晶硅的工艺基本相同外，其不同之处为：石英砂与各还原剂必须用人工或机械充分混匀；

加料时要勤加薄盖，料面要平，不应加成锥形；

一般20～30分钟即基本熔空，料面发红变软，此时应集中沉料。沉料后立即加料；

单位时间内加料次数多于用块状硅石冶炼；

单位时间内沉料次数多于用块状硅石冶炼；

石英砂比电阻大，电极易深插，炉底不易上涨，有利炉温提高。

出硅操作与用硅石冶炼相同。为提高产品的质量和纯度，应采用常规炉外处理。

本发明与传统工艺冶炼结晶硅相比有明显的技术效果。

节能显著  冶炼结晶硅是高能耗产品，小于5000KVA的小型电炉由于热损失大，一般冶炼一吨结晶硅要耗电14000～17000度(《电炉铁合金生产与节能》P.192)。本发明在750KVA的小电炉上用100％的石英砂冶炼结晶硅的平均电耗为10455.7度/吨。扣除由于炉衬结构不合理造成的热损失，平均电耗为9785.5度/吨。比常规冶炼节电达40％左右。在相同条件下，用60％石英砂加40％的石英砂团块冶炼，平均电耗为19066.9度/吨，与之相比，本发明节电48.68％。可见本发明节能效果十分显著。

产品质优  在相同的冶炼条件下，产品均未经炉外处理，用石英砂团块分别配加60％(S60)、80％(S80)的石英砂和100％(S100)石英砂冶炼，产品各炉的平均含硅和最高含硅如下：

      平均含硅(％)    最高含硅(％)

S60    95.82           97.02

S80    96.14           97.59

S100   96.45           98.26可见，全石英砂冶炼，由于原料带入的杂质少，产品纯度提高。未经炉外处理，产品含硅已达到二级硅标准。

产量提高由于全石英砂冶炼，还原反应速度大大加快，单位时间内加料批数增多，产量提高显著。相同条件下，用全石英砂团块和全石英砂冶炼比较如下：

              全石英砂团块  60％石英砂配40％团块    全石英砂平均产量，Kg/炉   85.31               104.6             124全石英砂冶炼比全石英砂团块产量提高了45.35％。

电极消耗量少  一般冶炼一吨结晶硅需消耗电极100kg，而全石英砂冶炼结晶硅电极单耗仅50Kg/吨。

本发明与《以石英砂冶炼工业硅的生产工艺》相比，还具有以下技术效果：省去了造块工艺与设备，大幅度的降低生产成本。

全石英砂冶炼与国内外用硅石冶炼结晶硅的原料单耗对比见表1。

表1  冶炼吨结晶硅原料单耗和能耗对比项  目           S100     A       B          C       D炉容KVA          750     10500    ---       ---      ---石英砂(Kg)       2820    0        0         0        0硅石(Kg)         0       2800     2500      2500     2950木炭(Kg)         800     1550     937.5     910      1450石油焦(Kg)       230     700      500       610      275煤(Kg)           170     950      250       320      ---石墨电极(Kg)     30      ---      100       100      ---电极糊(Kg)       ---     350      ---       ---      90电耗(度)         10455   14000    12000-    11000-   12000

                              14000     13000

A：G.Volkert，铁合金冶金学，上海科学技术出版社，1978

B：许传才，铁合金冶炼工艺学，西安冶金学院出版社，1988

C：周进华，铁合金生产技术，科学出版社，1991

D〖苏〗.M.A.雷斯，铁合金冶炼，冶金工业出版社，1981

图1为石英砂配比与产品质量和电耗关系图。

图2为图1中符号表示的意义。

实施例

1本发明专利申请人所在地的原材料的理化性质  原材料的理化性质见表2和表3。

表2  原材料的理化性质(Wt％)原料名称 SiO₂   Fe       Al      Ca   挥发份  固定碳  灰份   水份石英砂   98.17   0.062   0.376   0.176                        4--7烟煤     5.62    0.60    1.09    0.27   29.62   59.69   9.09  4--6石油焦   0.54    0.139   0.129   0.157  1.57    96.42   1.70  0.3--0.5木炭     0.28    0.019   0.027   0.29    --     95.24   1.04  3.72表3  原料粒度组成原料名称           网       目       ％      mm     ％

      -80    -80+120  -120+200  -200    -3+1    -1石英砂    65.8    17.2     12.8      4.2烟煤       -       3.5     5.0       4.0    39.5   48.0木炭     3～200mm

2电炉结构和电气参数

电炉容量为750KVA。电炉结构的主要尺寸如下：

炉壳直径    3000mm

炉壳高      1900mm

炉膛直径    2100mm.

炉膛深度    900mm

径高比      2.33

极心园直径  800mm

电气参数：

一次电压    10000V

二次电压       70V

二次电流       45A

3配料不同配料方案列于表4。

表4不同搭配方案的配合采取数序号    不同搭配方案  ％    配比采取数  Kg

石油焦 木炭  烟煤  石英砂(干基)  石油焦    木炭     烟煤1     21    70     9    100           8.50      30      5.852     20    70    10    100           8.10      30      6.503     20    70    10    200           16.20     60      13.04     41    50     9    200           33.08     42.70   11.705     36    55     9    100           14.52     23.48   5.85

Claims (1)

1、一种全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺，其特征在于：

(1)原料准备

1)对石英砂化学成份的要求：

SiO₂＞98.5％，    Al₂O₃≤0.8％，    Fe₂O₃≤0.4％，

CaO≤0.2％，      MgO≤0.15％；

2)对碳质还原剂的要求：

碳质还原剂    固定碳含量(％)  灰份(％)  粒度(mm)

木炭                ＞75        ＜3      3～10

石油焦              ＞85        ＜1      1～10

烟煤                ＞55        ＜9      1～5

(2)配制炉料

1)根据所用石英砂中的SiO₂含量，按SiO₂与C反应的化学方程式，计算出批料石英砂还原所需的理论纯碳量；

2)扣除石墨电极提供的纯碳量，得出应由碳质还原剂提供的理论纯碳量；

3)实际配碳量按理论纯碳量的95％～100％配制；

4)选定碳质还原剂提供纯碳量的配合比例

20％≤石油焦≤45％

50％＜木炭  ≤75％

5％≤烟煤   ＜10％；

5)用选定的各碳质还原剂比例乘以实际配碳量，得出各还原剂提供的固定碳数量；

6)再根据各还原剂的固定碳含量，水份含量，烧损量算出各还原剂所需的实际称量；(3)入炉冶炼

1)石英砂与各还原剂入炉前必须充分混匀；

2)向炉内加料时要勤加薄盖，料面要平；

3)冶炼20～30分钟熔空，料面发红变软时集中沉料后加料；

4)单位时间内加料次数多于用块状硅石冶炼；

5)单位时间内沉料次数多于用块状硅石冶炼。

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