LU83218A1 - Verfahren zur herstellung von silicium-und kohlenstoffhaltigen rohstoff-formlingen und verwendung der rohstoff-formlinge - Google Patents
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Description
-2- f
Verfahren zur Herstellung von silicium- und kohlenstoffhaltigen Rohstoff-Formlingen und Verwendung der Rohstoff-Formlinge.
Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäss auf ein Verfahren zur 5 Herstellung von silicium- und kohlenstoffhaltigen Rohstoff-Formlingen für die Erzeugung von Silicium oder Siliciumlegierungen, insbesondere Ferrosiliciumlegierungen, im Elektroofen, wobei ein feinkörniger Siliciumträger mit feinkörniger Kohle gemischt und die Mischung brikettiert wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf die 10 Verwendung der so hergestellten Rohstoff-Formlinge für den ange- gebenen Zweck. - Siliciumträger bezeichnet im Rahmen der Erfindung Si02~Träger, z. B. Sand, gemahlenen Quarzit und dergleichen. Die Elektroofen, in denen die Erzeugung des Siliciums oder der Siliciumlegierungen erfolgt, sind im allgemeinen Elektro-Niederschachtöfen, 15 obwohl auch mit anderen Elektroofen gearbeitet werden kann.
Im Rahmen der aus der Praxis bekannten Massnahmen der beschriebenen Gattung wird der Mischung zusätzlich ein bituminöses Bindemittel, z.B. Steinkohlenteerpech, beigegeben. Die Brikettierung ist folglich 20 eine Bindemittelbrikettierung. Die so hergestellten Rohstoff-Formlinge verfliessen in dem Elektroofen, in dem die Erzeugung des Siliciums bzw. der Siliciumlegierung durchgeführt wird. Im Rahmen der bekannten Massnahmen ist es auch bekannt, die Brikettierung bindemittellos im kalten Zustand unter hohen Drücken durchzuführen. Die so hergestellten 25 Rohstoff-Formlinge zerfallen im Elektroofen. In der Praxis ist daher die Verwendung von Rohstoff-Formlingen, die in der beschriebenen Weise hergestellt worden sind, für die Erzeugung von Silicium oder Siliciumlegierungen im Elektroofen nicht bekannt geworden. - Im einzelnen ist zum Stand der Technik und zu den bestehenden Problemen folgendes 30 vorzutragen:
Die Erzeugung von Silicium und Siliciumlegierungen aus Si02» eingesetzt in Form von Sand oder aufbereiteten Quarziten, erfolgt haupt-v sächlich im Elektroofen, und rwar unter Verwendung von beigemischten Kohlenstoffträgem wie Koks, Fetrolkoks, Kohle, Holzkohle, Holz, 35 Sägmehl und dergleichen. In der Praxis liegt eine grosse Zahl von
Rezepturen vor, die von den einzelnen Herstellern weitgehend geheimgehalten werden. Das ist ein sicherer Anhaltspunkt dafür, dass nach empirischen Gesichtspunkten gearbeitet wird und die Vorbereitung des
Einsatzes für den Elektroofen nicht nach exakten, physikalisch-che- / A0 mischen Gesichtspunkten curchgeführt werden kann. Betrachtet man die ’ -3- *
Reduktion von SiO^ mit Kohlenstoff zunächst als eine Feststoff/ Feststoff-Reaktion, so kann man für den ersten Schritt zum SiO eine Diffusion als geschwindigkeitsbestimmende Raktion ansetzen. Das gasförmige SiO reagiert im Folgeschritt mit dem Kohlenstoff der 5 näheren Umgebung, kann aber auch durch Lücken im Haufwerk des Ofen besatzes entweichen und in kälteren Teilen des Ofens kondensieren. Jedenfalls erfordern beide Reaktionsschritte einen engen Kontakt von SXO2 einerseits und Reduktionsmittel andererseits. Daher werden beide Ausgangsstoffe in feiner Aufmahlung homogen miteinander ver- 10 mischt. Im Elektroofen sind aber staubförmige Güter nur schlecht % zu handhaben, so dass der Aufmahlung und Homogenisierung eine Kompaktierung folgt. Das bringt die schon beschriebenen Probleme.
Im übrigen ist auch versucht worden, die Mischung in klassischen Kammeröien in entsprechende Kokse umzuwandeln. Dieses gelingt nicht, 15 weil die Backfähigkeit der besten Fettkohle auch bei Zusatz von Pechen nicht ausreicht, mehr als 20 % der Siliciumträger fest im Kohlenstoffgerüst des Kokses zu binden, - wo jedoch aus stöchiometrischen Gründen 60 bis 70 % Siliciumträger notwendig sind.
20 Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das gattungs-gemässe Verfahren so zu führen, dass Rohstoff-Formlinge entstehen, die im Elektroofen allen Anforderungen gewachsen sind, und zwar in bezug auf Standfestigkeit, Stromführung, Reduktionsverhalten und Stöchiometrie.
25
Zur Losung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, dass der feinkörnige Siliciumträger mit einem Anteil an backender Kohle gemischt und die Mischung bei einer Temperatur von etwa 350 bis 550°C wie bei der Heissbrikettierung von Steinkohle zu den Rohstoff-Formlingen 30 geformt wird. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird die Mischung zu Rohstoff-Formlingen mit einem Gewicht von 10 bis λ 100 g, vorzugsweise 20 bis 60 g, geformt. Im Rahmen der Erfindung lassen sich ohne weiteres die stöchiometrischen Gegebenheiten berücksichtigen, die die Reduktion beherrschen. In diesem Zusammen-35 hang empfiehlt es sich, die Mischung so zusammenzusetzen, dass der Kohlenstoffgehalt aller Kohlenstoffträger etwa 40 Gewichtsprozent des in dem Siliciumträger enthaltenen S1O2 ausmacht. Eine bewährte Verfahrensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass etwa 60 bis 70 Gewichtsprozent Siliciumträger, etwa 20 - 30 Gewichtsprozent backende 40 Kohle und etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent andere Kohlenstoffträger'i wie nichtbackende Kohle 11TI/1 / Ofiûr F λ ir c A ϊΐη/1 / λ #3 a «*· Paf vaIItaVo firin / a n u/r organische Verbindungen, gemischt und diese Mischung in der beschriebenen Weise Heissbrikettiert wird.
überraschenderweise können im Rahmen des erfindungsgemassen 5 Verfahrens Siliciumträger und backende Kohle so brikettiert werden, dass der Zur Reduktion notwendige Kohlenstoff im Brikett vorhanden ist. Er stammt aus der Backkohle und, wenn dieses Angebot nicht ausreicht, aus weiteren Köhlenstoffträgem, die nach Zweckmässigkeit ausgewählt werden.
10 •v
Bei der Berechnung der Zusammensetzung der Briketts geht man am besten vom stöchiometrischen Ansatz aus:
Si02 + 2C-» Si + CO
15 60 + 24 ss 28 + 56 oder 1000 kg Si02 benötigen 400 kg C oder 71,4 kg Si02 benötigen 28,6 kg C oder
2,5 kg Si02 benötigen 1.0 kg C
20 Es ist bekannt, dass bei der Brikettierung bezüglich des Bindemittelverbandes die äussere Oberfläche des zu brikettierenden Gutes eine wesentliche Rolle spielt. Diese Oberfläche hängt in ihrer Gesamtheit vom Körnungsaufbau und der Mikrostruktur der Kornoberflächen ab. Die innere Oberfläche der Korner kann in den meisten 25 Fällen vernachlässigt werden. Aus dieser Kenntnis resultiert, dass bei gegebener ähnlicher Körnung und Oberflächenstruktur für verschiedene zu brikettierende Güter das gleiche Bindemittelvolumen benötigt wird. Rechnet man auf die Massenanteile um, nimmt im Gemisch der Anteil des Bindemittels mit steigender spez. Masse des 30 zu brikettierenden Gutes ab. Wird der Kohlenstoffträger im Heissbrikett, auch Formkoks genant, durch Quarz ersetzt, steigt die spez.
Masse des zu brikettierenden Gutes von 1,2-1,5 auf 2,65 g/cm an.
« .. . +
Das führt dazu, dass der notwendige Bindemittelanteil von 30 _ 3 Z
V + auf 22 3 Z gesenkt werden kann. Je nach Ballast und Gehalt an 35 flüchtigen Bestandteilen der verwendeten Bindekohle verbleibt nach der Heissbrikettierung ein Kohlenstoffanteil von rund 16,5 _ 2 Z.
Aus der stöchiometrischen Berechnung geht hervor, dass dieser Kohlenstoffanteil zu niedrig ist. Die Steigerung kann durch Erhöhung des Anteils Bindekohle oder durch Zugabe weiterer nicht-40 backender Kohlenstoffträger wie Anthrazit, Petrolkoks, Schwelkv'K« / t / ! oder Hochtemperaturkoks erfolgen, die alle anstelle des Quarzes ins Gemisch hereingenommen werden. Werden nichtbackende Kohlenstoffträger eingesetzt, muss aus oben erwähnten Gründen auch eine angepassfe Erhöhung der Bindekohle durchgeführt werden.
5 1. Beispiel: »1 — L t 63.5 Hasseteile Sand + 36.5 Masseteile Backkohle. Bei 70 %
Kohlenstoffausbeute aus der Kohle ergibt sich das Verhältnis: 10 63.5 Masseteile Sand + 25.55 Masseteile Kohlenstoff oder 1000 kg
Sand zu 402 kg Kohlenstoff.
Das Ergebnis entspricht der stöchiometrischen Rechnung. In der betriebenen Praxis wird man im angestrebten Verhältnis noch be-* 15 rücksichtigt werden, dass die Kohlenasche rund 50 % S1O2 enthält, das ebenfalls reduziert wird und entsprechend Kohlenstoff braucht.
2. Beispiel: 20 66 Masseteile Sand + 12 Masseteile Petrolkoks + 22 % Masseteile
Backkohle. Die Kohlenstoffausbeute des Petrolkokses beträgt 90 %, die der Kohle 70 %. 66 Teile Sand + (10,8 + 15,4) Teile Kohlenstoff oder 1000 kg Sand + 397 Kg C.
25 Das Ergebnis entspricht knapp den stöchiometrischen Rechnungen.
Auch hier muss eine Korrektur vorgenommen werden, die die Asche der Backkohle berücksichtigt.
30
Die Beispiele zeigen, das brikettierseitig die Forderungen der Reduktion an das Kohlenstoffangebot erfüllt werden können, so dass keine Hindernisse bei der Verwendung von Heissbriketts im Elektroofen * zur Erzeugung von Si- und Si-Legierungen zu erwarten sind.
(J/ / / ! 35 _ // 40
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von silicium- und kohlenstoffhaltigen Rohstoff-Formlingen für die Erzeugung von Silicium oder Silicium- | legierungen, insbesondere Ferrosiliciumlegierungen, im Elektroofen, wobei ein feinkörniger Siliciumträger mit feinkörniger Kohle ge-5 mischt und die Mischung brikettiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der feinkörnige Siliciumträger mit einem Anteil an backender Kohle gemischt und die Mischung bei * einer Temperatur von etwa 350 bis 550°C wie bei der Heissbrikettierung von Steinkohlen zu den Rohstoff-Formlingen geformt wird. 10
1 -6-
2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung zu Rohstoff-Formlingen mit einem Gewicht von 10 bis 100 g, vorzugsweise 20 bis 60 g, brikettiert wird. *•5
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass etwa 60 bis 70 Gewichtsprozent Siliciumträger, etwa 20 - 30 Gewichtsprozent backende Kohle und etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent andere Kohlenstoffträger, wie nichtbackende Kohle und/oder Kokse und/oder Petrolkoks und/oder organische Verbindungen, gemischt und diese Mischung heissbrikettiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung so zusammengesetzt wird, dass der Kohlen-stoffgehalt aller Kohlenstoffträger etwa 40 Gewichtsprozent des im
25 Siliciumträger enthaltenen SiO^ ausmacht.
5. Verwendung von Rohstoff-Formlingen, die nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt worden sind, für die Erzeugung von Silicium oder Siliciumlegierungen, insbesondere für die Erzeugung voi •*0 Ferrosiliciumlegierungen, im Elektroofen.
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