LU87264A1 - Verfahren und anlage zur herstellung von rohstoff-briketts fuer die erzeugung von silicium oder von siliciumarbid oder von ferrosilicium - Google Patents

Description

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: "7 0 "fi ÎL ..-GRAND-DUCHÉ DE LUXEMBOURG

Monsieur le Ministre du__________________________ 3iiisf ,de l’Économie et des Classes Moyennes * Service de la Propriété Intellectuelle

Titre délivré--------- | ||p XUXEMB0URG....... . - ........

Demande de Brevet d’invention —--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------:—-—:— ( î) .

I. Requête

Applied Industrial. Materials Corporation AIMCOR, Parkway (2) -.M.o.^tb..--..C-ent.e.r..f.--.,Qn,&,__P_arlCÆay-_kQr,th, Sui t e 40 0 , De er fi eld,IL60015 représenté par Monsieur Jean Waxweiler/ 55 rue des Bruyères Howald,.agissant en qualité de mandataire ____________^ ^ dépose(nt) ce .trente j..ui.n......mi..l...-.ii.e.u.£ cent q.uàt-r..e-vi ngt-lml.t__________________________ ( 4) à _..15....._Q.Q....... heures, au Ministère de l’Économie et des Classes Moyennes,, à Luxembourg: 1. la présente requête pour l’obtention d’un brevet d’invention concernant: "Verfahren und Anlage zur Herstellung von Rohstoff-Briketts .....für.......die Erzeugung......von Silicium 'od^......'s'i'l'iciumarbid oder .....^n^ëxrOÏriTcTûiS111 ...... ........... ............... .....................

.................................................................................................·**··"— - ““*** 2. la description en langue .Ê®. .........................................de l’invention en trois exemplaires; 3........................].._____________________________ planches de dessin, en trois exemplaires;· 4. la quittance des taxes versées au Bureau de l’Enregistrement à Luxembourg, le __juin........19 88________________ ; 5. la délégation de pouvoir, datée de--------------------------------------------------------------------------------------------- le________________________________________; 6. le document d’ayant cause (autorisation); déclare(nt) en assumant la responsabilité de cette déclaration, que l’(es) inventeur(s) est (sont): ( 6) ___Dr·...........G.e.r..fc.=.Wii..l..he.l.m.—Las.k.,-F..r.ankj9Jiw..eg_1..2-,___6..6...3..6......Berts_z__B..BJ).____ revendiquent) pour la susdite demande de brevet la priorité d’une (des) demande(s) de ( 7) ________brevet______________déposée(s)en(8) Allemagne (BRD)____ le(9) 24’ juillet 1987 sous le No P 37 24 541.4-41___ sous le N° (10) _E_3JZ____2..4...„5_4.1..._4-_4..1_____________________________:___ au nom de (11) Applied Industrial Materials Corporation AIMCOR___ élitÇélisent) domicile pour lui (elle) et, si désigné, pour son mandataire, à Luxembourg__

Jean Waxweiler, 55 rue des Bruyères, Howald .__ ^ sollicitent) la délivrance d’un brevet d’invention pour l’objet décrit et représenté dans les annexes susmentionnées, avec ajournement de cette délivranofe à ...—_!__:____________________mois. (13)

Le d§^ââ£7 mandataire:________________________; _______________ (14) Π. Procès-verbal de Dépôts

La susdite demande de brevet d’invention a été déposée au Ministère de l’Économie et des Classes Moyennes, -

Service de la Propriété Intellectugüaüyxembourg, en date du: 30 juin 1988 ' f *'" ί \ Pr. le Ministre de l’Econ >mie et des Classes Moyennes, à.......1,§„!s,,,Q..Q.....heures / ξ . \ .·, \ - , Lp.d/ . - - \ / çJ Le chef du serviere Impropriété intellectuelle, r. “ a68007 " /Ί/ , - - " · - - ~ ~ f f\M Λ EXPLICATIONS RELATIVES AU FORMUlA3ïSÎl£O^ÛÏ^ W f· - — V. v- X. r\ (1) s’il y a lieu "Demande de certificat d’addition au brevetprmcipai, a la demande de brevet principal No .... du. Λ—(2) inscrire les nom, prénonLprofession, ^ adresse du demandeur, lorsquecelui-ci est un particulier ou les dénomination sociale, forme juridiquer adresse du siège social, lorsque le demandeur est une-personne morale - (3) inscrire A , les nom, prénom, adresse du mandataire agrée, conseil en propriété industrielle, muni d’un pouvoir spécial, s’il y a Lieu: "représenterai ► . agissant en qualité de mandataire’-*— T f VJ M - (4) date de dépôt en toutes lettres - (5) titre de l’invention - (6) inscrire les noms, prénoms, adresses des inventeurs ou l’indication "(voir) désignation séparée (suivra)", lorsque la dési- J ^ ( O gnation se fait ou se fera dans un document séparé, ou encore l'indication "ne pas mentionner”, lorsque l’inventeur signe ou signera un document denon*mention àjoindie àune désignation

PRIORITÄTS-BEAWSPRUCHUWG

* der Patent-Anmeldung if| Deutschland vom 24‘ Jul1 1987 unter Nr. p 37 24 541.4-41

BESCHREIBUNG

ZU EINER PATENTANMEIDUNG IM

GROSSHERZOGTUM LUXEMBURG

APPLIED INDUSTRIAL MATERIALS CORPORATION

AIMCOR '

Parkway north Center One Parkway North Suite 400

Deerfield, Illinois 60015 USA

Verfahren und Anlage zur Herstellung von Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium oder Siliciumarbid oder von Ferrosilicium i - fc .

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur Herstellung von Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium oder von Siliciumcarbid oder von Ferrosilicium im Elektroniederschachtofen, wobei Quarzsand, ein Kohlenstoffträger und ein bituminöses Bindemittel gemischt werden und die Mischung zu Vorformlingen geformt wird, und wobei aus den Vorformlingen durch eine Wärmebehandlung die Rohstoff-; Briketts gebildet werden. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine ' , Anlage, die für die Durchführung dieses Verfahrens besonders geeignet ist. - Bei der Herstellung solcher Rohstoff-Briketts wird im allgemeinen mit Quarzsand im Körnungsbereich von 0,05-0,2 mm gearbeitet, und zwar < mit unterschiedlichen Körnungsbändern in diesem Bereich. Es versteht | sich, daß man den Rohstoff-Brikejtts bei der Herstellung : von Ferrosili- . j j cium auch feinteiliges Eisen oder: feinteiliges Eisenoxid zusätzlich bei- ! j geben kann. ·_ i -, ! ;

An die Rohstoff-Briketts der angegebenen Zweckbestimmung werden in chemischer und physikalischer Hinsicht besondere Anforderungen gestellt. So ist bei der Erzeugung von Silicium in chemischer Hinsicht darauf zu i achten (vgl. GB-PS 20 84 122), daß sich in den Rohstoff-Briketts auf : I · i ihrer Reise durch den Elektroniederschachtofen zunächst im oberen Teil i | nach der Gleichung j

• : Si02 + 3C = SiC + 2CO

[ Siliciumcarbid bilden kann. Dazu ist der Gesamtkohlenstoffgehalt in den ; i einzelnen Rohstoff-Briketts entsprechend einzustellen. Er wird im allge- j ! meinen, überstöchiometrisch eingestellt (vgl. GB-PS 21 50 128). In phy- ; i sikalischer Hinsicht muß sichergestellt werden, daß die Rohstoff-Briketts| j auf ihrer Reise durch den Elektroniederschachtofen und insbesondere I bei der Reduktion zu SiC nicht verfallen, um im unteren Teil des Elek- i [ t l j troniederschachtofens mit geschmolzenem Quarz der Beschickung nach der; j Gleichung j ! ! I -

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SiOjj + .SiC = 3Si + 2C0 weiter zu reagieren.Es versteht sich, daß im Elektroniederschachtofen noch weitere Reaktionen ablaufen. Unter anderem bildet sich nach der Gleichung

Si02 + C = SiO + CO

bei den hohen Ofentemperaturen flüchtiges Siliciummonoxid, weichesteil-· weise, die Ausbeute und die Wärmebilanz beeinträchtigend, verlorengeht. - Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium, die den chemischen und physikalischen Anforderungen genügen, konnten bisher prak-· | tisch nur im Wege der Heißbrikettierung hergestellt werden (vgl. GB-PS i ' 20 88 840). Dieses Heißbrikettierungsverfahren erzeugt bei Temperaturen! um 500°C Briketts, die als bituminöses Bindemittel geschmolzene backende 1 Kohle enthalten. Bei der Brikettierung muß man den Schmelzpunkt dieser Binderkohle, der zwischen 350 und 450°C liegen kann, überschreiten; um eine entsprechende Verteilung der geschmolzenen Kohle in dem zu bindenden Material zu erreichen und um die Verfestigung dieses Vor-formlings durch Halbkoksbildung einzuleiten. Von großer Bedeutung für : die Qualität der Rohstoff-Briketts ist eine besondere Wärmebehandlung, nämlich die Lagerung dieser Vorformlinge über mehrere Stunden bei nahezu Brikettiertemperatur in isolierten Bunkern, d.h. eine auch als Temperung bezeichnete Wärmebehandlung aus der Eigenwärme der Vorformlinge heraus, was zu einer Verdoppelung der Festigkeit der Roh- j , stoff-Briketts führt. Es stellte sich jedoch heraus, daß bei der Herstel- ;

! lung von Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium oder von I

i j Siliciumcarbid oder von Ferrosilicium im Wege der Heißbrikettierung ver- j hältnismäßig hohe Kosten entstehen. Auch stört bei hohen Ansprüchen ; j an die Reinheit der aus den Rohstoff-Briketts zu erzeugenden Produkte, I : j daß im Zuge der Heißbrikettierung Verunreinigungen in die Rohstoff- i Briketts hineingetragen werden, sei es aus der backenden Kohle, sei es 1 i i · \ 4 - 3 - aus metallischem Abrieb der Anlage, in der die Heißbrikettierung er-, folgt. - Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Erzeugung von ; Siliciumcarbid oder Ferrosilicium. Der Ausdruck Ferrosilicium umfaßt im Rahmen der Erfindung auch Siliciummetall, insbesondere mit Eisen j als Metall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, das gattungsgemäße Verfahren so zu führen, daß unter Verzicht auf eine Heißbrikettierung Roh- ί - · ! stoff-Briketts erhalten werden, die in chemischer und physikalischer ! Hinsicht allen Anforderungen genügen.

i ! j i i Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt ,die Erfindung, daß mit; von geschmol- ; • î zener backender Kohle freien Vorformlingen gearbeitet wird, deren spe- j i zifisches Gewicht durch Einstellung des Mischungsverhältnisses und der i Verdichtung größer ist als das Schüttgewicht von Quarzsand, und daß ; ! diese Vorformlinge zum Zwecke der Wärmebehandlung in einem beheizten i ' j Drehrohrofen eingeführt werden, der in seinem unteren Teil so weit mit · i Quarzsand gefüllt ist, daß die Wärmebehandlung in einem Quarzsand-j Tauchbett erfolgt. - Die Formulierung "von geschmolzener backender J Kohle frei" bedeutet, daß backende Kohle praktisch und jedenfalls in solcher Menge nicht vorhanden ist, daß die Bindung der übrigen KohlenT j stoffträger und des Quarzsandes über die backende Kohle erfolgt.

' i i Die Erfindung nutzt die überraschende Tatsache, daß von backender I : i Kohle freie, d.h. unter Verzicht auf eine Heißbrikettierung mit Hilfe j eines bituminösen Bindemittels geformte Vorformlinge einer Verhältnis- j I i mäßig geringen Grünfestigkeit in einem Drehrohrofen ohne zu zerfallen ; so gehärtet werden können, daß die fertigen Rohstoff-Briketts allen phy-j sikalischen und chemischen Anforderungen genügen, wenn die Wärmebehandlung in einem Quarzsand-Tauchbett und damit praktisch auch bei ' Luftabschluß erfolgt. Die Körnung des Quarzsand-Tauchbettes kann der ; eingangs angegebenen Körnung entsprechen. Die Behandlungsdauer der Vorformlinge in dem Quarzsand-Tauchbett wird so eingestellt, daß eine - 4 - 4.

ausreichende Härtung erreicht wird. 'Die Härtungszeit liegt z.B. im Bereich von 45 bis 60 Minuten. Das ist mit den Hilfsmitteln der modernen Drehrohrofen-Technologie ohne weiteres möglich. Die Vorformlinge und damit die fertigen Rohstoff-Briketts können Durchmesser im Bereich von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern aufweisen. Sie können als i runde Pellets in Pelletiereinrichtungen geformt oder mit Hilfe der Form-j Werkzeuge einer Presse zu anderen Formkörpern gepreßt sein, beispiels-: weise die Form sogenannter Eierbriketts aufweisen.

; Im einzelnen bestehen verschiedene Möglichkeiten der Weiterführung des • erfindungsgemäßen Verfahrens, Bewährt hat es sich, mit Vorformlingen i zu arbeiten, die etwa 35 bis 65 Gew.-% Quarzsand und ein spezifisches · i - ; j Gewicht von etwa 1,4 bis 1,6 g/cm3 aufweisen, während das Schüttge- i j wicht des Quarzsandes bekanntlich bei etwa 1,2 g/-cm3 oder wenig höher! | liegt·. Die Temperatur im Drehrohrofen soll nicht zu hoch sein. Die Er- · | findung empfiehlt, . daß der Dxehrohrofen und damit das Quarzsand-Taucli-1 bett auf eine Temperatur von bis zu 500°C auf geheizt werden. Im Sinne -i einer Optimierung lehrt die Erfindung, bei der Wärmebehandlung der Vor-| formlinge eine ausreichende Entgasung von schweren Kohlenwasserstoffen : und eine ausreichende Schwelung des bituminösen Bindemittels und des j Kohlenstoffträgers in den Vorformlingen durchzuführen. Es empfiehlt j sich, den Drehrohrofen so weit mit Quarzsand zu füllen, daß die Vor-• ; formlinge im Quarzsand-Tauchbett nicht aneinanderreiben. Das erreicht ; man nach der Lehre der Erfindung, wenn der Drehrohrofen zumindest so weit mit Quarzsand gefüllt wird, daß das Quarzsandvolumen größer j I ist, als es dem doppelten Lückenvolumen in einer losen Schüttung der j entsprechenden Menge von in den Drehrohrofen befindlichen Vorformlin- j | gen entspricht. Das Lückenvolumen ist die Summe des Volumens der .

! freien Zwickel zwischen den Vorformlingen in einer Schüttung.

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i Im Rahmen der Erfindung kann das Quarzsand-Tauchbett im Drehrohr-, ofen verbleiben. Es werden dann lediglich die fertigen Rohstoff-Briketts über geeignete Einrichtungen abgezogen. Da sie stets einen Teil des Quarzsandes aus dem Quarzsand-Tauchbett mitnehmen, muß insoweit ' frischer Quarzsand nachgeführt werden. Eine bevorzugte Ausführungs- i j form der Erfindung, die sich durch Einfachheit in der Verfahrensführung auszeichnet und zu weiteren unten behandelten Vorteilen führt, i ist dadurch gekennzeichnet, daß Quarzsand des Quarzsand-Tauchbettes ; in beachtlicher Menge mit den fertigen Rohstoff-Briketts aus dem Dreh-: rohrofen ausgetragen und zumindest teilweise im heißen Zustand in den j Drehrohrofen zurückgeführt sowie im Rest durch frischen Quarzsand t .

j ersetzt wird. Dabei besteht die Möglichkeit,ein besonderes Temperatur-p.rofil in dem Quarzsand-Tauchbett einzustellen, vorzugsweise so, daß durch die Mischung des rezirkulierten heißen Quarzsandes mit dem fri-j sehen Quarzsand am Eintritt dés Drehrohrofens in dem Quarzsand-Tauch-I bett, in welches die Vorformlinge eingeführt werden, eine Temperatur i von etwa 200°C eingestellt und diese durch die Beheizung des Drehrohrofens bis zum Austritt des Drehrohrofens auf etwa 500°C erhöht wird.

Aus den Vorformlingen verdampfen bei der Wärmebehandlung zunächst ..i i schwere, dann leichtere Kohlenwasserstoffe. Sie verkracken in dem ' i I Tauchbett. Daher besteht die Möglichkeit, den. heißen Quarzsand so oft ! zu rezirkulieren, bis sich auf den einzelnen Quarzsand-Körnern eine i * ! feste Kohlenstoffumhüllung gebildet hat, die aus festem Krack-Kohlen-j Stoff besteht. Am einfachsten kommt man zu dem Ergebnis, wenn die Re- | Zirkulation so eingerichtet wird, daß die einzelnen Quarzsand-Körner i i im statistischen Mittel etwa dreimal rezirkuliert werden. Man kann die i 1 Quarzsand-Körner, die eine solche Kohlenstoffumhüllung auf weisen, be-{ sonders einsetzen. Dazu lehrt die Erfindung, daß mit Vorformlingen j I gearbeitet wird, deren Quarzsandanteil zumindest teilweise aus rezirku-j liertem Quarzsand mit Kohlenstoffumhüllung besteht. Vorzugsweise beste-i hen sie hauptsächlich aus Quarzsand mit Kohlenstoffumhüllung. - Es ver-j steht sich, daß die übrigen Verkrackungsprodukte über dem Tauchbett ! verbrennen.

t ! - 6 - i fa ; Um Rohstoff-Briketts zu erzeugen, in. denen Verunreinigungen aus den Kohlenstoffträgern bzw. den bituminösen Bindemitteln praktisch nicht i enthalten sind, empfiehlt es sich, mit Vorformlingen zu arbeiten, die Petrolkoks als Kohlenstoffträger aufweisen und/oder die als bituminöse , Bindemittel erdölstämmige Peche aufweisen. Es sind für das erfindungs-I gemäße brauchbare Verfahren erdölstämmige Peche im Handel, deren I Aschengehalte unter 0,01 Gew.-% liegen, so daß sie praktisch keine Ver-: unreinigungen mitbringen. Die Koksausbeute dieser Peche kann 70% er-! reichen. Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeigneter Petrolkoks hat lediglich unter 0,2 Gew.-% unerwünschte Bestandteile. Das : gilt auch für den Quarzsand. Diese geringen Verunreinigungen stören I praktisch nicht mehr. Es versteht sich, daß der Petrolkoks auf etwa die Körnung heruntergemahlen wird, die auch der Quarzsand auf weist. Vor- : zugsweise liegt die Körnung unter 1 mm. ! i

Wie bereits erwähnt, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die ! j

Vorformlinge auf verschiedene Weise geformt werden, z.B. mit Hilfe ! i | einer Pelletiereinrichtung, die kugelförmige Pellets liefert. Einfacher ist'.

| es jedoch, mit Vorformlingen zu arbeiten, die mit Hilfe einer Brikettier-; j presse vorgeformt sind. Hier läßt sich durch die Pressung auf einfache !

Weise auch das spezifische Gewicht der Vorformlinge beeinflussen. ; i !

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit einer Einrichtung für die Formung von; Vorformlingen aus Quarzsand, einem Kohlenstoffträger und einem bitumi- ; nösen Bindemittel sowie mit einer Einrichtung für die Wärmebehandlung ’ der Vorformlinge. Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- j richtung für die Wärmebehandlung der Vorformlinge als Drehrohrofen i i mit Eintritt für die Vorformlinge und Austritt für die fertigen Rohstoff- j Briketts ausgeführt ist, welcher Drehrohrofen durch in die Ofenkammer ! hineinbrennende Brenner, z.B. für fossile feste Brennstoffe oder gasför- i i mige Brennstoffe und durch Verbrennung der flüchtigen Bestandteile mit i Zusatzluft auf eine Temperatur im Sandbett von bis zu etwa 500°C auf- : ...... .................. . heizbar : \ j ; i. . · , ! - 7 - ist, und daß der Drehrohrofen ein Quarzsand-Tauchbett für die Vorformlinge aufweist, welches die Ofenkammer im Bereich unterhalb der Brenner teilweise ausfüllt. Nach bevorzugter Ausführungsform ist der Drehrohrofen mit einer Eintritt und Austritt verbindenden Rezirkulations-, einrichtung für den Quarzsand des Quarzsand-Tauchbettes ausgerüstet, j der mit den fertigen Rohstoff-Briketts austragbar und von diesen absieb-’ 1 bar und am Eintritt des Drehrohrofens in diesen wieder einführbar ist, ..

wobei am Eintritt des Drehrohrofens außerdem eine Einrichtung für die Einmischung von frischem Quarzsand angeordnet ist. - Es versteht sich, daß die bei der Wärmebehandlung und an anderer Stelle der Anlage frei werdende Gase und Dämpfe aufgefangen und gereinigt oder unschäd-| lieh gemacht werden. - Gegenstand der Erfindung sind auch Rohstoff-! Briketts für die Erzeugung von Silicium oder von Siliciumcarbid oder von Ferrosilicium, einschließlich Siliciummetall, die nach dem beschriebenen ! | Verfahren hergestellt worden sind. : !

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' Im folgenden werden die Erfindung, die erreichten Vorteile und weitere Verfahrensdetails anhand einer lediglich ein Äusführungsbeispiel dar- i stellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.

i , 1 t | j Die einzige Figur zeigt eine Anlage zur Durchführung des erfindungsge- : f I mäßen Verfahrens.

j Die in der Figur dargestellte Anlage dient zur Herstellung von Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium oder Siliciumcarbid. Zum grund- i ; sätzlichen Aufbau gehören eine Einrichtung 1 für die Formung von Vor- , ! formlingen aus Quarzsand, einem Kohlenstoffträger und einem bituminö- ! I sen Bindemittel sowie eine Einrichtung 2 für die Wärmebehandlung der i Vorformlinge. Die Einrichtung 2 für die Wärmebehandlung der Vorform- 1 linge ist als Drehrohrofen 3 mit Eintritt 4 für die Vorformlinge und j Austritt 5 für die fertigen Rohstoff-Briketts nach vorgebbarer Behand-J lungszeit ausgeführt. Der Drehrohrofen 3 ist durch in die Ofenkammer !

j hineinbrennende Brenner 6 auf eine Temperatur von bis zu etwa 500°C

!_ y - 8 - [ ' ”’4* ’ !r aufheizbar. Der Drehrohrofen 3 weist ein Quarzsand-Tauchbett 7 für die Vorformlinge auf, welches die Ofenkammer im Bereich unterhalb der

Brenner 6 teilweise ausfüllt. Der Drehrohrofen 3 ist im übrigen mit einer ; Eintritt 4 und Austritt 5 verbindenden Rezirkulationseinrichtung 8 für ! den Quarzsand des Quarzsand-Tauchbettes 7 versehen, der mit den fer-! - ' 1 tigen Rohstoff-Briketts austragbar und mit Hilfe der Siebanlage 9 von diesen absiebbar ist. Der abgesiebte Quarzsand ist im heißen Zustand am Eintritt 4 des Drehrohrofens 3 in diesen wieder einführbar. Am Eintritt 4 des Drehrohrofens 3 befindet sich außerdem eine Einrichtung 10 für die Einführung und Einmischung von frischem Quarzsand. Vorgeschal-: tet ist die Einrichtung 1 für die Herstellung der Vorformlinge, die mit · der beschriebenen Anlage kombiniert ist und im Ausführungsbeispiel i zwei Drehrohrmischer 11, einen Kühler 12 und eine Presse 13 zur Form- ! I - ; _ ! gebung der Vorformlinge aufweist. Im Ausführungsbeispiel wird mit Pe- ; ! trolkoks gearbeitet.

! • Der Petrolkoks gelangt in den ersten Mischer 11, der z.B. mit SiC-Platten ausgekleidet ist. Da der Petrolkoks zwischen 6 - 10% Wasser : enthält, wird. in dem ersten Mischer 11 eine Trocknung und Aufheizung .V-' i vorgenommen. Dieses geschieht mittels eines Teiles des Quarzsandes, der ! im Drehrohrofen 3 als Wärmeträger verwendet wird. Dieser Quarzsand hat * . eine Temperatur von 500°C. Die Verdampfung des Wassers und die Auf-; heizung benötigen soviel Energie, daß sich bei einem Verhältnis zwi- ί i sehen Petrolkoks und Quarzsand von rund 1:1 eine Endtemperatur von rund 150°C einstellt. Liegt diese zu niedrig für den nächsten Schritt, bei dem das Bindemittel zugemischt und intensiv verteilt werden muß, j so kann Abgas aus dem Drehrohr 3 durch den ersten Mischer 11 gelei- ! tet werden, wo es Wärme abgibt und sich mit Brüden sättigt. Das Ab- ί j gas hat eine Temperatur von rund 650°C. Es ist zusätzlich in der i Lage, durch seinen geringen Sauerstoffgehalt unter 1,5%, die Atmosphäre ! des ersten Mischers 11 zu inertisieren. Dadurch werden Gefahrensitua- [ tionen vermieden, die durch staubförmigen Petrolkoks entstehen könn-j ten. Das Abgas wird nach dem ersten Mischer ΙΙ,ζ.Β. durch einen « ·.

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Schüttschichtfilter mit systemeigener Füllung von Petrolkoks oder Quarzsand dem Kamin zugeführt.

Das nunmehr rund 200°C heiße Sand-Petrolkoks-Gemisch gelangt in den j zweiten Mischer 11, in dem das Bindemittel mit rund 180 - 200°C einge-j sprüht wird. Es mag sich um erdölstämmiges Pech handeln. Die Tempera-; turen sind so gewählt, daß die Viskosität ausreichend niedrig ist, um t - „ · ' ~ ; keine Anbackungen zu - erhalten und eine Feinverteilung im Feststoffge-| misch zu gewährleisten. Dieser zweite Mischer 11 ist ebenfalls mit SiC-Platten ausgekleidet. Dieses wird in allen möglichen Fällen gemacht, um j so wenig wie möglich Verschleiß zu erhalten und um das Material, wel-i ches sich trotzdem abreibt, ohne Schwierigkeiten in das Produkt inte-

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I grieren zu können. ; ! ! | Das aus dem zweiten Mischer 11 austretende Gemisch ist für eine Briket- i i tierung zu warm, weil es auf der Pressenoberfläche leicht hängenbleibt.

: Daher erfolgt in dem Kühler 12 eine Abkühlung um 30 - 50°C je nach

Bindersorte. Der Kühler 12 ist ebenfalls mit BiC-Platten zugestellt. Die : Kühlung kann eine Gegenstromluftkühlung sein. Die Menge dér Kühlluft .

; j richtet sich nach der - gewünschten Endtemperatur des zu brikettierenden

Gemisches.

i 1 Das zu brikettierende Gemisch gelangt in die Presse 13. Die Presse 13 S wird gekapselt und kontrolliert belüftet. Die Presse 13 liefert die Vor-j formlinge, die in der Einrichtung 2 für die Wärmebehandlung gehärtet werden. Härten bedeutet hier Entgasung und Vorverkokung des Binders und Petrolkokses im Brikett.

Der Drehrohrofen 3 ist im Ausführungsbeispiel zu weniger als 50% mit ! Quarzsand ausgefüllt, der bei der Erzeugung der Rohstoff-Briketts i j eingesetzt wird. Der Drehrohrofen 3 hat z.B. eine Länge zwischen ; 20 bis 30 m und einen inneren Durchmesser von 2 bis 3 m. Die Länge i i )____________________ ^ ________ __________________ ______________________ - 10 - t rt ist abhängig von dem Temperaturprofil, mit dem die Vorformlinge aufgeheizt werden sollen, Die Beheizung des Drehrohrofeninhaltes erfolgt mit direkter Flamme, die im verbliebenen Freiraum unterhalten wird..

j Der Brennstoff für diese Flamme gelangt einmal über Brenner 6 in den . Drehrohrofen 3, zum zweiten entstammt er aber den flüchtigen Bestand- ! teilen der Vorformlinge, Beim Aufheizen der Vorformlinge beginnt der

Binder oberhalb 250°C schwere Kohlenwasserstoffe freizusetzen. Dieser

Vorgang dauert im wesentlichen bis 45Ö°C an. Danach verlagert sich die

Abgabe auf kleinere Moleküle, wie Methan und Wasserstoff. Die Summe der Brennstoffe wird abgestimmt werden, und zwar in Abhängigkeit von

der Start- und Endtemperatur der Feststoffe und dem Gesamtdurchsatz. I

» i ; Die Quarzsandfüllung besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei Kompo-! nenten; einem Anteil heißem Quarzsand, der rezykliert worden ist und einem Anteil Frischsand. Der Frischsand steht im direkten Verhältnis zur Produktion, d.h. je höher die Stundenleistung an Rohstoff-Briketts ist, desto mehr frischer Quarzsand wird benötigt. Das bedeutet umgekehrt, daß durch den erhöhten Durchsatz auch mehr flüchtige Bestand-J; ; teile frei werden, die verbrannt werden. Damit ist der Durchsatz durch : *· *' i i die mögliche Feuerraumbelastung im Drehrohrofen 3 begrenzt. Geht man ! davon aus, daß die Endtemperatur der Feststoffe um 500°C liegen soll, : so muß dem eine Temperatur in den Heizgasen von mindestens 800°C ge-; genüberstehen, vorzugsweise bei Gleichstrombetrieb.

i j Eine definierte Behandlung der Vorformlinge in dem Tauchbett 7 ist mög-. i lieh, da das spezifische Gewicht der Vorformlinge gewählt werden kann, j In Abhängigkeit vom Quarzsandanteil und vom Brikettierdruck in der ; Presse 13 gelingt es, das spezifische Gewicht zwischen 1,35 - 1,55 g/cm3 i einzustellen. Demgegenüber steht ein Schüttgewicht eines bewegten Quarz->, sandes mit schmalem Kornband von 1,2 - 1,4 g/cm3. Diese Gegenüber-; Stellung zeigt an, daß es zu einem sehr hohen Prozentsatz möglich ist, i - 11 - i r die Vorformlinge im Quarzsand eingetaucht zu entgasen. Dadurch werden sie vor Abbrand geschützt. Man erreicht eine erstaunliche Festigkeit. Von nicht minder hoher Bedeutung ist ein sekundärer Effekt: Nach der Abgabe von schweren Kohlenwasserstoffen aus den Vorformlingen j werden diese organischen Stoffe gezwungen, durch den heißen Quarz^-i sand des Tauchbettes 7 in den Freiraum des Drehrohrofens 3 zu ent-| weichen. Im Kontakt mit dem Quarzsand werden diese Stoffe teilweise thermisch so abgebaut, daß Kohlenstoff auf den Quarzsand aufzieht und leichtere Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff den Quarzsand verlassen und über diesen verbrannt werden. Diese Beschichtung des Quarzsandes I mit Krackkohlenstoff führt zu einem Quarzsand, der pressenden Vorgän-j gen in der Presse 13 keine Härte des Quarzes mehr entgegenbringt, | weil die Oberfläche der Sandkörner ausreichend stark mit einer relativ ; | weichen Kohlenstoffschicht belegt ist. Die Bruchteile von Sekunden dau- · I ernde Belastung in der Presse 13 führt nicht zu Kontakten zwischen ! Stahl und Quarz, die sonst die Presse 13 leicht erodieren.

! i : Die Einbindung des beschichteten Quarzsandes in das fertige Rohstoff-, Brikett bietet den zweiten Vorteil bei der Reduktion im Elektronieder- i Schachtofen. Waren bisher alle Bindemittelbriketts im Elektronieder- ; » ·*· \ ! Schachtofen deswegen nicht erfolgreich, weil sie erstens nach Aufheizen i weich wurden, zweitens zerfielen, weil der Binder destillierte und i drittens, weil die SiC-Reaktion die bindenden Reststrukturen zerstörte, ! j so treten diese Mängel erfindungsgemäß nicht mehr auf. Erweichung i i und Destillation des bituminösen Bindemittels im Elektroniederschachtofen entfallen wegen der beschriebenen Härtung. Die SiC-Reaktion, die bei ; direktem Kontakt zwischen Quarzsand und Koks aus dem Bindemittel die ; stabilisierende Kohlenwasserstoffstruktur des Briketts ab 1500°C zerstört, greift zuerst den Kohlenstoff an, der das Quarzsandkorn umhüllt. ! Das ist ohne Nachteil für die Struktur des Kokses, der aus dem Binder ; entstanden ist. Man erreicht eine konstante Brikettfestigkeit über eine längere Zeitspanne oder bis zu einer höheren Temperatur im Elektronie- i I ..... ...

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r * * ί i ; - 12 - » derschachtofen, mindestens aber bis zum Schmelzpunkt des Quarzsandes im Brikett, der über 1700°C liegt.

I Nachdem der Quarzsand und die fertigen. Rohstoff-Briketts den Drehrohr-j ofen 3 durchlaufen haben, werden sie durch Siebung voneinander ge-j trennt. Die Rohstoff-Briketts gelangen in einen von Sauerstoff geschütz-! ten Bunker. Der zur Produktion benötigte Teil des Quarzsandes wird I dem ersten Mischer 11 zugeführt und mit Petrolkoks gemischt, der dabei-: getrocknet wird. Die Mischungsverhältnisse sind dabei frei wählbar.

; In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß für die Siliciurapröduktion i Zusammensetzungen der Briketts vorteilhaft sind, die ein Molverhält'nis | von Quarzsand zu C von 1 zu 5 - 6 Mol repräsentieren. Für die Silicium-carbidherstellung kann aber ein Verhältnis gewählt werden, das den Quarzsand und den fixen Kohlenstoff wie 1:3 festlegt. Für andere nicht erprobte Produktionen können Verhältnisse dem Zwecke entsprechend ge-j wandelt werden. Die Grenze ist dasjenige spezifische Gewicht der Vor-j formlinge, welches gewährleistet, daß die Vorformlinge vom Start weg I eingetaucht im Tauchbett 7 schwimmen.

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Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium oder von Siliciumcarbid oder von Ferrosilicium im Elektro-= niederschachtofen, wobei Quarzsand, ein Kohlenstoffträger und ein bituminöses Bindemittel gemischt werden und die Mischung zu Vorformlingen geformt wird, Λ ' - lH- - und wobei aus den Vorformlingen durch eine Wärmebehandlung die Rohstoff-Briketts gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit von geschmolzener backender Kohle freien Vorformlingen gearbeitet wird, deren spezifisches Gewicht durch Einstellung des Mischungsverhältnisses und der Verdichtung größer ist als das Schüttge- ! | wicht von Quarzsand, und daß diese Vorformlinge zum Zwecke der War- I . · ! mebehandlung in einen beheizten Drehrohrofen eingeführt werden, der j in seinem unteren Teil so weit mit Quarzsand gefüllt ist, daß die Wärme-| behandlung in einem Quarzsand-Taüchbe'tt erfolgt.

. « ; 2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Vor- fdrmlingen gearbeitet wird, die 35 bis 65 Gew.-% Quarzsand und ein i spezifisches Gewicht von 1,4 bis jL,6 g/cm3 auf weisen. I · I I

3, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich-! Kfet, daß der Drehrohrofen und damit das Quarzsand-Tauchbett auf ! eine Endtemperatur von bis zu 500°C aufgeheizt werden. j

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- . net, daß bei der Wärmebehandlung der Vorformlinge eine möglichst vollständige Entgasung von schweren Kohlenwasserstoffen und eine Schwelung des bituminösen Bindemittels und des Kohlenstoffträgers in den Vorform-. j lingen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- I ' - ! net, daß der Drehrohrofen so weit mit Quarzsand gefüllt wird, daß das . !... i j Quarzsandvolumen größer ist, als es dem doppelten Lückenvolumen in ; ! einer losen Schüttung der Vorformlinge entspricht. j i

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzsand des Quarzsand-Tauchbettes mit den fertigen Rohstoff-Briketts aus dem Drehrohrofen ausgetragen und zumindest teilweise im heißen Zustand in den Drehrohrofen zurückgeführt sowie im . Rest durch frischen Quarzsand ersetzt wird. . . ...... » · * r—....... — ··· * V- i * - 15 -

7, Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die "Mischung des rezirkulierten heißen Quarzsandes mit dem frischen Quarzsand am Eintritt des Drehrohrofens in dem Quarzsand-Tauchbett, in welches die Vorformlinge eingeführt werden, eine Temperatur von etwa ! 200°C eingestellt und diese bis zum Austritt des Drehrohrofens auf etwa ! - ' 500°C erhöht wird. i i ' · -

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeich- : Qjeft, daß der heiße Quarzsand so oft rezirkuliert wird, bis sich auf den ' ; einzelnen Quarzsandkörnern eine feste Kohlenstoffumhüllüng gebildet hat. j ’ '

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich- -net,, daß die einzelnen Quarzsandkörner im statistischen Mittel etwa : dreimal rezirkuliert werden. !

10, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich-j oet, daß mit Vorformlingen gearbeitet wird, deren Quarzsandanteil zu- · ! mindest teilweise aus rezirkuliertem Quarzsand mit Kohlenstoffumhüllung : ! besteht. i : I I v\:r*· i

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn- i zeichnet, daß mit Vorformlingen gearbeitet wird, die Petrolkoks als Koh-^-lenstoffträger auf weisen. i

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß mit Vorformlingen gearbeitet wird, die als bituminöses Bindemittel erdölstämmige Peche aufweisen. t . I

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn- : zeichnet, daß mit Vorformlingen gearbeitet wird, die mit Hilfe einer Brikettpresse vorgeformt sind. i I • ’ | [ Y * ** - ife -

14. Anlage für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, - mit einer Einrichtung für die Formung der Vorformlinge aus Quarzsand, einem Kohlenstoffträger und einem bituminösen Bindemittel sowie mit einer Einrichtung für die Wärmebehandlung der Vorformlinge, dadurch gekennzeichnet, daß ; die Einrichtung (2) für die Wärmebehandlung der Vorformlinge als ; Drehrohrofen (3) mit Eintritt (4) für die Vorformlinge und Austritt (5) für die Rohstoff-Briketts nach vorgebbärer Behandlungszeit ausgeführt ist, der durch in die Ofenkammer hineinbrennende Brenner (6) und, durch Verbrennung der flüchtigen Bestandteile mit Zusatzluft auf eine Temperatur im Sandbett von bis zu etwa 500°C aufheizbar ist, und daß j | der Drehrohrofen (3) ein Quarzsajnd-Tauchbett (7) für· die Vorformlinge j j auf weist, welches die Ofenkammef im Bereich unterhalb der Brenner (6) · ! teilweise ausfüllt. ' . > i , *

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh- j rohrofen (3) mit einer Eintritt (4) und Austritt .(5) verbindenden Re-; Zirkulationseinrichtung (8) für den Quarzsand des Quarzsand-Tauch-' bettes (7) ausgerüstet ist, der mit den fertigen Rohstoff-Briketts austragbar und von diesen absiebbar sowie am Eintritt (4) des Drehrohr-, ofens (3) in diesen wieder einführbar ist, und daß am Eintritt (4) des . * kr’*' ; Drehrohrofens (3) außerdem eine Einrichtung (10) für die Einführung I ' j und Einmischung von frischem Quarzsand angeordnet ist. f

16. Rohstoff-Briketts für die Erzeugung von Silicium oder von Silicium--; carbid oder von Ferrosilicium im Elektroniederschachtofen, die nach dem j Verfahren der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt worden sind. ! t · ! : i · i ! i « i i