FI70199B - Foerfarande foer framstaellning av silicium ur kvarts och kol i elektrisk ugn - Google Patents

Description

701 99

Menetelmä piin valmistamiseksi kvartsista ja hiilestä sähköuunissa - Förfarande för framställning av silicium ur kvarts och koi i elektrisk ugn

Keksinnön kohteena on menetelmä piin valmistamiseksi 5 kvartsista ja hiilestä sähköuunissa, jolloin sähköuuniin sijoitetaan kvartsista ja hiilestä koostuvien agglomeraattien seos sekä rakeista kvartsia, ja seos saatetaan reagoimaan, jolloin muodostuu myös piikarbidia. Sähköuunilla tarkoitetaan keksinnön puitteissa pääasiassa uuneja, jotka ovat me-10 tallurgiassa tavanomaisesti käytettyjä matalia sähkökuilu-uuneja. Kvartsi tarkoittaa keksinnön puitteissa kaikkia tavanomaisia piidioksidikantoaineita, etenkin hiekkaa, kvart-siittia ja vastaavaa.

Keksinnön perustana oleva menetelmä (DE-patenttijulkai-15 su 20 55 565, palsta 3, rivit 4-19) on sen menetelmän edelleenkehitysmuoto, jossa käytetään kvartsista ja hiilestä valmistettua irtonaista seosta ja kerrosta, s.o. ilman agglomeraattien edeltävää muodostusta. Menetelmä jossa käytetään irtonaista kerrosta johtaa kaasumaisen piimonoksidin 20 disproportioinnin kautta niinkutsuttuun sykliseen pelkistykseen ja siten piidioksidin jälleenmuodostukseen, mikä lisää energiankulutusta ja vähentää saantoa. Keksinnön perustana olevassa menetelmässä saadaan sitä vastoin aikaan tosin saannon lisäys, mutta rakeisen kvartsin erillinen lisäys 25 johtaa piidioksidin erottumiseen hiilipitoisesta pelkistys-aineesta sähköuunissa, mikä johtaa uunin epäsäännölliseen ja tehottomaan toimintaan. Agglomeraatit koostuvat mainituista komponenteista hiilen ollessa kivihiilen (Kohle) muodossa ja ne on valmistettu suulakepuristamalla tai vastaa-30 valla tavalla. Tällaiset agglomeraatit eivät kuitenkaan ole kovin kestäviä. Voidaan havaita pastaminen panoksen sulaminen sähköuunin määrätyillä alueilla. Differentioitua prosessia, toisaalta ohjattuine reaktionkulkuineen agglomeraa-teissa, ja toisaalta rakeisesta irtomassasta olevan kvartsin 2 701 99 kanssa, ei voida saada aikaan eikä se ole pyrkimyksenäkään. Tämä pätee myös silloin, kun tarkoituksena on stökiömetri-nen reaktio yhtälön SiC>2 + 2C ——^ Si + 2CO mukaisesti ja lisäksi, kun luovutaan rakeisen hartsin lisäyksestä, käyte-5 tään agglomeroitua panosta, jossa piidioksidin rakeisuus kuten myös rakeisuusosuuksien painosuhde sekä agglomeroidun panoksen irtopaino on erityisesti säädetty. Myös tässä menetelmässä syntyy piimonoksidia, joka pyrkii reagoimaan hiilimonoksidin kanssa, jolloin syntyy tahmeita tuotteita. Olosuh-10 teet ovat samanlaiset, jos panos valmistetaan pelleteistä tai briketeistä, jotka koostuvat hienojakoisen piidioksidin muovatuista kappaleista homogeenisena seoksena tarpeellisten määrien kanssa hiilipitoista pelkistysainetta.

Keksinnön tehtävänä on suorittaa tällainen menetelmä si-15 ten, että differentioitu menetelmä ohjattuine reaktionkulkui-neen on mahdollinen toisaalta agglomeraateissa ja toisaalta kerroksessa olevan kvartsin kanssa ja nimenomaan ilman häiritsevää piimonoksidin muodostusta.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisesti siten, et-20 tä agglomeraatit panostetaan stabiilien brikettien muodossa, joiden hiiliosuus on 30 - 60 painoprosenttia ja jotka on valmistettu hienorakeisesta kvartsista ja hienorakeisesta hiilestä 350 - 650°C:n lämpötiloissa, mieluummin 500 - 600°C:n lämpötiloissa kuumabriketoinnin avulla, että edelleen sähkö-25 uunissa ensin brikettien kvartsi saatetaan reagoimaan brikettien hiilen kanssa piikarbidiksi hiilimonoksidin muodostuessa sekä sulatetaan rakeinen kvartsi, ja että muodostunut piikarbidi saatetaan reagoimaan sulaneen kvartsin kanssa hiilimonoksidin muodostuessa piiksi. Keksinnön eräässä edul-30 lisessa suoritusmuodossa työskennellään yli 1600°C:n lämpötilassa saatettaessa brikettien kvartsi reagoimaan brikettien hiilen kanssa, 1800 - 2000°C:n lämpötiloissa saatettaessa piikarbidi reagoimaan sulaneen kvartsin kanssa.

Yleensä käytetään brikettejä, joiden paino on 10 - 100 g, 35 mieluimmin 20 - 60 g. Rakeisen kvartsin rakeisuuden tulee 3 701 99 olla 3 - 12 mm. Tarkoin määritellyt olosuhteet joissa menetelmä suoritetaan saavutetaan silloin, kun briketit muodostavat kerroksen, joka on olennaisesti mahdollisimman tiiviisti pakattu, esim. maksimaalisen tiheyden omaavana pallopak-5 kauksena, ja että brikettien välisiin rakoihin on sijoitettu rakeinen kvartsi.

Jos tarkastellaan piidioksidin pelkistystä, niin voitaisiin ajatella piimonoksidin muodostuksen eliminoimiseksi lähes täydellisesti, että kvartsiin lisätään hiiltä suurena 10 ylimääränä, jotta voisi tapahtua nopea ja perusteellinen pelkistys piiksi. Tätä ajatusta ei kuitenkaan käytännössä voida toteuttaa, koska ylimääräinen hiili muodostaa piin kanssa seoksen, joka tunnetaan nimellä piikarbidi:

Si02 + 3C -> SiC + 2CO

15 Näiden yhteyksien tunteminen ei ole aikaisemmin vaikuttanut alussa esitettyjen ongelmien ratkaisuun. Keksintö lähtee edellä esitetystä yhtälöstä ilmenevästä tosiasiasta, että ylimääräinen hiili seostuu piin kanssa piikarbidiksi. Keksinnön mukaisesti käytetään tätä ilmiötä hyväksi siten, että 20 suoritetaan syöttöaineiden kahtiajako. Toinen osa koostuu briketeistä, jotka sisältävät suuren hiiliylimäärän suhteessa piidioksidin pelkistykseen; toinen osa koostuu yksistään rakeisesta kvartsista, jonka rakeet on sovitettu kooltaan brikettien välisen vapaan tilan mukaan. Sähköuunia voidaan 25 ilman muuta käyttää siten, että ensimmäisessä vaiheessa bri-ketti muunnetaan piikarbidiksi kerroksen alaspainumisen aikana, samalla kun piikarbidi reagoi toisessa vaiheessa sulaneen kvartsin kanssa:

2Si C + Si02 -^ 3 Si + 2CO

30 Ensimmäinen etu on, että reagoivien aineiden erittäin tiiviissä kosketuksessa suuri hiiliylimäärä tukahduttaa pii-oksidin muodostusta briketissä, koska syntyvä piioksidi voi 4 701 99 reagoida edelleen heti läsnäolevan hiilen kanssa. Toinen etu on nähtävissä piikarbidin korkeassa ominaispainossa, joka mahdollistaa sen kulkeutumisen syvälle kevyempään kvartsisu-laan, minkä ansiosta reaktion nopeus kasvaa voimakkaasti.

5 Käytännössä nämä yhteydet merkitsevät seuraavaa:

Yhtälön mukaisesti

Si02 + 2C -^ Si + 2CO

tarvitaan noin 400 kg hiiltä pelkistämään 1000 kg kvartsia, kun jätetään häviöt huomiotta. Tämä seos vastaa stökiömet-10 ristä reaktiota. Kuitenkin voidaan 666 kg kvartsia saattaa reagoimaan tämän 400 kg:n hiilimäärän kanssa piikarbidiksi. Jäljelle jää 334 kg kvarsia, joka reagoi edelleen väliaikana uunissa tuotetun piikarbidin kanssa. Tämä kvartsi on parhaiten 3-12 mm:n pieninä kappaleina syötettäessä se uu-15 niin. Jos otetaan huomioon aina esiintyvät häviöt, niin hii-limäärää on lisättävä n. 5 - 10%. Reaalisena esimerkkinä voidaan tässä pitää 8%. Tämän mukaisesti on siis 432 kg hiiltä briketoitava 666 kg:n hiekkamäärän kanssa. Prosentuaalisesti ilmaistuna merkitsee tämä 39,3 % hiiltä brike-20 tissä. On kuitenkin osoittautunut, että prosessia voidaan parantaa edelleen, kun kvartsista/hiilestä koostuviin bri-ketteihin lisätään hiiltä piikarbidin muodostukseen tarvittavan määrän yli. Tämä ehkäisee edelleen, kuten yllä on esitetty, piioksidin muodostusta. Tästä aiheutuu piidioksi-25 diosuuden siirtyminen briketeissä, josta tulee hiilirik-kaampi. Rakeisen kvartsin määrää on nostettava. On osoittautunut, että hyvät tulokset käytännössä saadaan kun kvartsimäärät panostetaan suunnilleen puoliksi rakeina, seulottujen kvartsiittien muodossa ja puoliksi hiekkana 30 tai hienokvartsiittina sekoitettuna hiilikantoaineisiin. Ottamalla huomioon häviöt merkitsee tämä, että briketoi-daan esim. 500 kg hiekkaa tai hienokvartsiitteja hiilen kanssa, jota on 432 kg ja siten 46% briketissä.

5 701 99

Tekniset ja taloudelliset edut ovat moninaiset. Toisaalta voidaan keksinnön mukaisen menetelmän puitteissa käyttää n. 50% halvempaa jokihiekkaa tai tuskin käyttökelpoista hienoa kvartsiittia, mikä huomattavasti alentaa raaka-ainekus-5 tannuksia. Toisaalta virrankulutus laskee 25 - 30% käytettäessä seosta, joka koostuu rakeisesta kvartsista ja hiekka/ hiilibriketeistä. Samoin etuna mainittakoon ympäristön suojelu.

Sopivan stabiileja, esitetyn koostumuksen omaavia bri-10 kettejä voidaan valmistaa parhaiten sintrautuvan hiilen avulla kuumabriketoimalla. Tätä varten tarvitaan 25 + 3 % hiiltä, joka tuottaa 20 + 3% hiiltä briketissä. Tämä vastaa tuskin puolta tarvittavasta hiilestä, jota tulee olla 40 - 50%.

Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää muita hiilikantoaineita. 15 Parhaimpana pidetään petrolikoksia, koska tässä aineessa on vähän epäpuhtauksia.

Claims (4)

1. Menetelmä piin valmistamiseksi kvartsista sähköuunissa, joka menetelmä käsittää ensin agglomeraattien muodossa olevan kvartsin ja hiilen muuttamisen piikarbidiksi ja hiilimonoksidiksi ja sen jälkeen muodostuneen piikarbidin muuttamisen lisäkvartsilla piiksi ja hiilimonoksidiksi, tunnettu siitä, että agglomeraatit syötetään hiilipitoisuudeltaan 30 - 60 painoprosenttia olevien stabiilien bri-kettien muodossa, jotka on valmistettu hienorakeisesta kvartsista ja hiilestä kuumabriketoimalla 350 - 650°C;n lämpötilassa, jolloin rakeista kvartsia syötetään sähköuunissa olevien brikettien välissä oleviin rakoihin, ja että sähköuunissa brikettien kvartsi saatetaan ensin reagoimaan brikettien hiilen kanssa briketeissä ainakin 1600°C;n lämpötilassa, jolloin muodostuu hiilimonoksidia ja piikarbidia, sekä sulatetaan rakeinen kvartsi ja sen jälkeen muodostunut piikarbidi saatetaan reagoimaan sulaneen kvartsin kanssa 1800 - 2000°C;n lämpötilassa piiksi hiilimonoksidin muodostuessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että brikettien paino on 10 - 100 g.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että brikettien paino on 20 - 60 g.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rakeisen kvartsin rakeisuus on 3-12 mm.