NL8103684A - Werkwijze voor de bereiding van silicium uit kwarts en koolstof in een elektrische oven. - Google Patents

Description

, N/30.299-Kp/Pf/vD. - 1 - * ***

Werkwijze voor de bereiding van silicium uit kwarts en koolstof in een elektrische oven.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van silicium uit kwarts en koolstof in een elektrische oven, waarbij in de elektrische oven een mengsel van agglomeraten uit kwarts en koolstof alsmede korrelige 5 kwarts wordt gebracht, en het mengsel tot reactie wordt gebracht, waarbij zich ook siliciumcarbide vormt. Met elektrische oven worden in het kader van de uitvinding hoofdzakelijk ovens van het type van de in de metallurgie gebruikelijke elektrische lage schachtovens bedoeld. Kwarts betekent 10 in het kader van de uitvinding alle gebruikelijke silicium-dioxidedragers, in het bijzonder zand, kwartsieten en dergelijke.

De werkwijze van de in de aanhef genoemde soort (Duits octrooischrift 2.055.565, kolom 3, regels 4-19) is de 15 verdere ontwikkeling van een procedure, waarbij met een losgestort mengsel uit kwarts en koolstof wordt gewerkt, d.w.z. zonder voorafgaande vorming van agglomeraten. De procedure met losse storting leidt via een disproportionering van gasvormig siliciummonoxide tot een zogenaamde cyclische reductie 20 en daarmee tot een terugvorming van siliciumdioxide, hetgeen het energieverbruik verhoogt en de opbrengst vermindert. Bij de werkwijze van de in de aanhef genoemde soort bereikt men daarentegen weliswaar een verhoging van de opbrengst, doch — leidt de aparte toevoeging van korrelig kwarts tot afschei-25 ding van het siliciumdioxide van het koolstofhoudende reduc-tiemiddel binnen de elektrische oven, hetgeen tot een onregelmatig en ondoelmatig werken van-Sven leidt. De agglomeraten bestaan uit de genoemde componenten met koolstof in de vorm van kool en zijn door extrusie of dergelijke bereid. Derge-30 lijke agglomeraten zijn echter weinig stabiel. Men neemt een pastavormige versmelting van het toevoermateriaal in bepaalde gebieden van de elektrische oven waar. Een gedifferentieerde uitvoering van de werkwijze met enerzijds gericht reactiever-loop in de agglomeraten, anderzijds met het kwarts uit het 35 korrelige materiaal kan niet worden ingesteld en is niet beoogd. Dat geldt ook dan, wanneer men op een stoechiometri- 8103684 r\ * - 2 - sche omzetting volgens de vergelijking SiC^ + 2C—^ Si + 2C0 instelt en daartoe met weglating van de toevoeging van korrelig kwarts geagglomereerd toevoermateriaal gebruikt, waarin het siliciumdioxide met betrekking tot zijn korrelgrootte en 5 waarin verder de gewichtsverhouding van de bestanddelen van de korrel alsmede het stortgewicht van het geagglomereerde toevoermateriaal op een bijzondere manier zijn afgesteld.

Ook bij deze procedure ontstaat siliciummonoxide, dat de neiging heeft met het koolmonoxide te reageren, waarbij kle-10 verige produkten ontstaan. Eendere effecten treden op, wanneer . het toevoermateriaal uit pillen of briketten, die uit gevormde lichamen van fijnverdeeld siliciumdioxide in homogene menging met de vereiste hoeveelheden koolstofhoudend reductie-middel bestaan, is opgebouwd.

15 De uitvinding heeft tot doel de werkwijze van de in de aanhef genoemde soort op een zodanige wijze uit te voeren, dat enerzijds binnen de agglomeraten en anderzijds met het kwarts uit het gestorte materiaal een gedifferentieerde uitvoering van de werkwijze met gericht reactieverloop mogelijk 20 is, en wel zonder storende vorming van siliciummonoxide.

Dienovereenkomstig leert de uitvinding, dat de agglomeraten in de vorm van stabiele briketten met een koolstofgehalte van 30-60 gew.%, die uit fijnverdeeld kwarts en fijn-verdeelde kool bij een temperatuur van 350-650°C, bij voor-25 keur 500-600°C door hete brikettering zijή' vervaardigd, worden geïntroduceerd, dat verder in de elektrische oven allereerst het kwarts van de briketten met de koolstof van de briketten onder vorming van koolmonoxide in het silicium-carbide wordt omgezet alsmede het korrelige kwarts wordt ge-30 smolten en dat het gevormde siliciumcarbide met het gesmolten kwarts onder vorming van koolmonoxide in silicium wordt omgezet. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt bij de omzetting van het kwarts van de briketten met de koolstof van de briketten bij een temperatuur van 1600°C of 35 hoger, bij de omzetting van het siliciumcarbide met het gesmolten kwarts bij een temperatuur van 1800-2000°C gewerkt.

In het algemeen worden briketten gebruikt, die een gewicht van 10-100 g, bij voorkeur 20-60 g hebben. Het korrelige kwarts moet een korrelgrootte van 3-12 mm bezitten. Bijzondere ge- 8103684 — 3 — i *4 definieerde verhoudingen bij de uitvoering van de werkwijze worden dan bereikt, wanneer het materiaal zodanig wordt gestort, dat de briketten in wezenlijk dichtste pakking, bijvoorbeeld dichtste-bollen-pakking, aanwezig zijn, terwijl het 5 korrelige kwarts zich in de holten tussen de briketten bevindt.

Beschouwt men de reductie van siliciumdioxide, dan zou men om de vorming van siliciummonoxide vrijwel volledig te onderdrukken eraan kunnen denken aan het kwarts koolstof 10 in grote overmaat toe te voegen, opdat een snelle krachtige reductie tot het silicium kan verlopen. Deze gedachte is echter in de praktijk niet uitvoerbaar, daar de overmaat koolstof met het silicium een legering vormt, die onder de naam siliciumcarbide bekend is: Si02 + 3C-ï SiC + 2CO.

15 Kennis van deze verbanden heeft de oplossing van de eerder beschreven problemen tot nu toe niet beïnvloed. De uitvinding gaat uit van het uit de genoemde vergelijking volgende feit, dat in overmaat aanwezige koolstof met silicium tot siliciumcarbide legeert. Volgens de uitvinding wordt dit 20 proces nuttig gemaakt, doordat een opsplitsing van de uitgangsstoffen wordt uitgevoerd. Het ene deel bestaat uit briketten, die een grote overmaat koolstof betrokken op de reductie van siliciumdioxide bevatten; het tweede deel wordt slechts door korrelig kwarts gevormd, waarvan de korrel-25 grootte aan de vrije ruimten tussen de briketten zijn aangepast. De elektrische oven kan zonder meer zodanig worden geregeld, dat in de eerste trap het briket gedurende het omlaaggaan van de lading in siliciumcarbide wordt omgezet, terwijl het siliciumcarbide in de tweede trap met het gesmolten 30 kwarts reageert: 2Si C + Si02-> 3 Si + 2CO.

Een eerste voordeel bestaat uit het feit, dat in de briket bij zeer nauw kontakt van de reagentia de grote overmaat koolstof de vorming van siliciummonoxide onderdrukt, aangezien zich vormende siliciummonoxide direkt met de aan-35 wezige koolstof verder kan reageren. Een tweede voordeel moet in het hoge specifieke gewicht van het siliciumcarbide worden gezien, waardoor het in de lichtere kwartssmelt diep kan wegzakken, waardoor de reactiesnelheid van de omzetting sterk wordt verhoogd. In de bedrijfsmatige uitvoering houden deze 8103684 - 4 - verbanden het volgende in:

Volgens de vergelijking SiC>2 + 2C-^ Si + 2C0 is voor de reductie van 1000 kg kwarts rond 400 kg koolstof nodig, wanneer van verliezen wordt afgezien. Deze verhouding 5 komt overeen met de stoechiometrische reactie. Met deze 400 kg koolstof kan echter ook 666 kg kwarts in siliciumcarbide worden omgezet. Dus blijft 334 kg kwarts over, dat met het in de tussentijd in de oven gevormde siliciumcarbide verder reageert. Dit kwarts wordt het beste in korrels van 3 - 12 mm 10 in de oven gebracht. Houdt men rekening met de telkens optredende verliezen, dan moet men de koolstoftoevoer met ca.

5 - 10% verhogen. Als reëel voorbeeld moge hier 8% worden aangenomen. In dat geval moet dus 432 kg koolstof met 666 kg zand worden gebriketteerd. Procentueel uitgedrukt betekent 15 dat 39,3% koolstof in de briket. Er is echter gebleken, dat een verdere verbetering van het proces te bereiken is, wanneer in de briketten uit kwarts/koolstof meer dan de voor de vorming van siliciumcarbide noodzakelijke hoeveelheid koolstof wordt opgenomen. Daarmee wordt als boven beschreven weer 20 de vorming van siliciummonoxide onderdrukt. - Als gevolg hiervan treedt een verschuiving van het siliciumdioxidegehalte in de briket, die rijker aan koolstof wordt, op en moet de toevoer van korrelig kwarts verhoogd worden. Gebleken is, dat men goede bedrijfsmatige resultaten verkrijgt, wanneer men 25 de hoeveelheden kwarts ongeveer voor de helft als korrels in de vorm van gebroken gezeefde kwartsieten en voor de rest als zand of fijn kwartsiet in het mengsel met koolstofdragers toevoert. De verliezen in aanmerking genomen betekent dat bijv. een brikettering van 500 kg zand of fijne kwartsieten met 30 432 kg koolstof, die daarmee tot 46% in de briket aanwezig is.

De technische en economische voordelen zijn meervoudig. Ten eerste kunnen in het kader van de werkwijze volgens de uitvinding tot ongeveer 50% goedkope rivierzanden of nauwelijks toepasbaar kwartsietgruis worden gebruikt, waardoor de 35 kosten van het uitgangsmateriaal aanzienlijk worden verlaagd. Ten tweede daalt bij het gebruik van een mengsel van korrelig kwarts en zand/koolstofbriketten het stroomverbruik met 25 -30%. De voordelen met betrekking tot het milieu mogen eveneens niet onvermeld blijven.

8103684 - 5 -

Passend stabiele briketten met de genoemde samenstelling kunnen het beste door middel van bakkende kool door -J* hete brikettering worden vervaardigd. Daarvoor is 25-3% kool nodig, die in de briket 20-3% koolstof levert. Dat geeft 5 daarna de helft van de benodigde koolstof, die tussen 40 en 50% aanwezig moet zijn. Hier kunnen andere koolstofdragers uitkomst bieden. De voorkeur heeft petroleumcokes, daar deze stof weinig verontreinigingen meebrengt.

8103684

Claims (5)

1. Werkwijze voor de bereiding van silicium uit kwarts en koolstof in een elektrische oven, waarbij in de elektrische oven een mengsel van agglomeraten uit kwarts en koolstof alsmede korrelig kwarts wordt gebracht, en het mengsel tot reac- 5 tie wordt gebracht, waarbij zich mede siliciumcarbide vormt, met het kenmerk, dat de agglomeraten in de vorm van stabiele briketten met een koolstofgehalte van 30 - 60 gew.% worden toegevoerd, welke briketten uit fijnverdeeld kwarts en kool bij een temperatuur van 350 - 650°C, bij 10 voorkeur 500 - 600°C, heet gebriketteerd zijn, dat in de elektrische oven allereerst het kwarts van de briket met de koolstof van de briket onder vorming van koolmonoxide tot het siliciumcarbide wordt omgezet alsmede het korrelige kwarts wordt gesmolten en dat het gevormde siliciumcarbide 15 met het gesmolten kwarts onder vorming van koolmonoxide in silicium wordt omgezet.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk , dat bij de omzetting van het kwarts van de briket met de koolstof van de briket bij een temperatuur van 20 1600°C of hoger, bij de omzetting van het siliciumcarbide met het gesmolten kwarts bij een temperatuur van 1800 - 2000°C wordt gewerkt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk , dat met briketten met een gewicht van 10 - 25 100 g, bij voorkeur 20 - 60 g wordt gewerkt.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat met korrelig kwarts met een korrel-grootte van 3 - 12 mm wordt gewerkt.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, met 30 h e t kenmerk, dat de materialen zodanig worden gestort, dat de briketten in wezenlijk dichtste pakking, bijv. dichtste bollen pakking, aanwezig zijn, terwijl het korrelige kwarts in de holten tussen de briketten aanwezig is. 8103684