DK151218B - Fremgangsmaade til fremstilling af silicium i en elektroovn ud fra kvarts og carbon - Google Patents

Description

151218

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af silicium af kvarts og carbon i en elektroovn, hvorved man i elektroovnen indfører en blanding af agglomerater af kvarts og carbon samt partikelfor-5 met kvarts. Ved elektroovne forstås i den foreliggende sammenhæng hovedsageligt ovne af den type, der svarer til de i metallurgien sædvanlige lave elektro-skakt-ovne. Kvarts betyder i den foreliggende sammenhæng alle sædvanlige siliciumdioxidbærere, især sand og 10 kvartsitter.

Den kendte fremgangsmåde, der er af samme art som fremgangsmåden ifølge opfindelsen (DE-PS 20 55 564, spalte 3, linie 4 til 19) er videreudviklingen af en fremgangsmåde, ved hvilken man arbejder med en løs 15 blanding og sammenrystet masse af kvarts og carbon, dvs. uden forudgående dannelse af agglomerater. Fremgangsmåden med løs, sammenrystet masse fører via en disproportionering af gasformigt siliciummonoxid til en såkaldt cyklisk reduktion og dermed til en tilbage-20 dannelse af siliciumdioxid, hvilket forøger energifor- forbruget og forringer udbyttet. Ved den kendte fremgangsmåde, der er af samme art som fremgangsmåden ifølge opfindelsen, opnår man derimod ganske vist en forøgelse af udbyttet, men den separate tilsætning af partikel-25 formet kvarts fører til separation af siliciumdioxid fra det carbonholdige reduktionsmiddel inden i elektroovnen, hvilket fører til en uregelmæssig og ikke aktiv arbejdsmåde af ovnen. Agglomeraterne består af de angivne komponenter med carbon i form af kul og er frem-30 stillet ved extrudering eller lignende. Sådanne agglo merater er dog lidet dimensionsstabile. Man iagttager en pastaformig smeltning af chargen i visse områder af elektroovnen. En differentieret gennemførelse af fremgangsmåden med på den ene side et målrettet reaktions-35 forløb i agglomeraterne, og med på den anden side 151218 2 kvartsen fra den partikelformede, sammenrystede masse lader sig ikke indstille og er ikke tilsigtet. Dette gælder også i det tilfælde, hvor man indstiller på en støkiometrisk omsætning i henhold til reaktionsskemaet 5 S1O2 + 2C -> Si + 2CQ, og hvor man tillige, ved at give afkald på tilsætningen af partikel formet kvarts, anvender en agglomereret masse, hvori siliciumdioxidet er indstillet hvad angår dets partikelstørrelsesfordeling, og hvori desuden vægtforholdet af partikelandelen 10 samt den løse massefylde af den agglomererede masse er særligt indstillet. Også ved denne udøvelse af fremgangsmåden opstår der siliciummonoxid, der har tendens til at omsætte sig med carbonmonoxidet, hvorved der opstår klæbrige produkter. Forholdene er af lignende art, 15 når massen opbygges af tabletter eller briketter, der består af formede legemer af fint fordelt silicium-dioxid i homogen blanding med de nødvendige mængder af det carbonholdige reduktionsmiddel.

Det er opfindelsens formål at gennemføre en fremgangs-20 måde af samme art som fremgangsmåden ifølge opfindelsen på en sådan måde, at man muliggør et differentieret fremgangsmådeforløb med målrettet reaktionsforløb, uden forstyrrende dannelse af siliciumdioxid, på den ene side i agglomeraterne og på den anden side med kvart-25 sen fra den sammenrystede masse.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af kravet angivne.

I almindelighed vil man anvende briketter, der har en vægt mellem 10 og 100 g, fortrinsvis 20 til 60 g, og 30 med partikelformet kvarts med partikelstørrelse mellem 3 og 12 mm. Man opnår særligt veldefinerede forhold ved driften, når man frembringer en sammenrystet masse, hvori briketterne i det væsentlige foreligger i den 151218 3 tættest mulige sammenpakning, f.eks. den tætteste kuglepakning, og hvor det partikelformede kvarts er an-ordnet i de kileformede mellemrum mellem briketterne.

Hvis man betragter reduktionen af siliciumdioxid, 5 kunne man for næsten fuldstændigt at udelukke dannel sen af siliciummonoxid tænke på at tilføre carbon til kvartsen i stort overskud for at bringe en hurtig, gennemgribende reduktion af silicium til at forløbe.

Denne tanke er dog i praksis uigennemførlig, fordi det 10 overskydende carbon indgår i en legering med silici ummet, hvilken legering er kendt under navnet silicium-carbid:

Si02 + 3C -> SiC + 2C0

Kendskabet til disse sammenhænge har hidtil ikke på-15 virket løsningen af de allerede beskrevne problemer.

Opfindelsen går ud fra den kendsgerning, der er et resultat af det i det foregående angivne reaktionsskema, nemlig at overskydende carbon legeres med silicium til siliciumcarbid. Ifølge opfindelsen nyttiggøres 20 denne proces, idet der foretages en todeling af ud gangsstofferne. Den ene del består af briketter, der indeholder et højt carbonoverskud i forhold til reduktionen af siliciumdioxid; den anden del udgøres udelukkende af partikelformet kvarts, hvis partikler 25 bliver tilpasset det frie volumen i briketterne hvad angår deres størrelse. Elektroovnen lader sig uden videre drive sådan, at briketten i første skridt under den nedadgående bevægelse af den sammenrystede masse omdannes til siliciumcarbid, mens siliciumcar-30 bidet i det andet trin reagerer med det smeltede kvarts: 2SiC + Si02 -> 3 Si + 2C0 151218 4

En første fordel består i, at det høje carbonover-skud undertrykker siliciumdannelsen i briketten ved meget tæt kontakt mellem reaktionspartnerne, idet opstående siliciumoxid straks kan viderereagere med 5 det tilstedeværende carbon. En anden fordel skal ses i den høje massefylde af siliciumcarbidet, hvilket betyder, at det kan trænge dybt ind i den lettere kvartssmelte, hvorved reaktionshastigheden af omsætningen forhøjes stærkt. Ued den driftsmæssige udøvel-10 se af reaktionen betyder disse sammenhænge følgende: I henhold til reaktionsskemaet:

Si02 + 2C -> Si + 2C0 er rundt regnet 400 kg carbon nødvendigt til reduktion af 1000 kg kvarts. Denne charge svarer til den 15 støkiometriske reaktion. Med disse 400 kg carbon kan imidlertid også 666 kg kvarts omsættes til sili-ciumcarbid. Der bliver 334 kg kvarts tilbage, hvilke kan reagere videre med det siliciumcarbid, der i mellemtiden er dannet i ovnen. Denne kvarts når i bedste 20 fald i form af små stykker over 3 til 12 mm ind i ovnen. Tager man de stadigt optrædende tab i betragtning, må man forøge mængden af tilsat carbon med rundt regnet 5 til 10%. Som et reelt eksempel antages her 8%. I henhold hertil må altså 432 kg carbon bri-25 ketteres med 666 kg sand. Procentuelt udtrykt betyder dette, at der foreligger 39,3% carbon i briketten.

Det har imidlertid vist sig, at man kan opnå en yderligere forbedring af processen, når der i briketterne af kvarts/carbon er indlejret carbon ud-30 over den mængde, der er nødvendig til dannelse af siliciumcarbid. Dette undertrykker igen, som be- 151218 5 skrevet i det foregående, dannelsen af siliciumoxid.

Dette resulterer i en forskydning af andelene af si-liciumdioxid i briketten, der bliver mere rig på carbon. Anvendelsen af partikel formet kvarts må hæves.

5 Det har vist sig, at man kommer frem til gode drifts mæssige resultater, når man anvender kvartsmængden på den måde, at omtrent halvdelen deraf foreligger som partikler i form af sønderbrudte, frasigtede kvartsitter, og at den anden halvdel foreligger som ig sand eller finkvartsit i blanding med carbonbærere.

Under hensyntagen til tabene betyder dette f.eks. en brikettering af 500 kg sand eller finkvartsitter med 432 kg carbon, der dermed foreligger i en mængde af 46% i briketten.

15 De tekniske og økonomiske fordele er af flere for skellige arter. For det første kan man i forbindelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen gøre brug af fladsand, der rundt regnet er 50% billigere, eller fine kvartsitfraktioner, der næppe kan anven-20 des til andre formål, hvorved omkostningerne for råmaterialer bliver sænket betydeligt. For det andet reduceres strømforbruget 25 til 30%, når man gør brug af en blanding af partikel formet kvarts og sand/car-bon-briketter. De miljømæssige fordele skal tillige 25 anføres.

Tilsvarende dimensionsstabile briketter med den angivne sammensætning kan bedst fremstilles ved hjælp af kul med bageevne i en varm brikettering. Til dette formål behøver man 25 - 3% kul, der i briketten leverer 20 - 3% carbon. Dette udgør knapt halvdelen 30 af det nødvendige carbon, der skal ligge mellem 40 og 50%. Her kan man anvende andre carbonbærere.

Claims (1)

151218 Man foretrækker petrolkoks, fordi dette stof udviser få forureninger. P a t_e n t_k r a v_£ Fremgangsmåde til fremstilling af silicium ud fra kvarts og 5 carbon i elektroovn, hvorved man indfører en blanding af agglomerater af kvarts og carbon samt partikelformet kvarts i elektroovnen, kendetegnet ved, at agglomeraterne indføres i form af dimensionsstabile briketter med et carbonindhold på 30 til 60 vægt-?0, 10 hvilke briketter er fremstillet ved varm brikettering af finkornet kvarts og carbon ved en temperatur mellem 350° og 650° C, at i elektroovnen først kvartsen i briketterne omsættes med carbonet i briketterne ved en temperatur på 1600° C eller derover under dannelse 15 af carbonmonoxid til siliciumcarbid, at det partikel-formede kvarts smeltes, og at'det dannede siliciumcarbid omsættes med det smeltede kvarts under dannelse af carbonmonoxid til silicium ved en temperatur af 1800° til 2000Dv C.