NL8403572A - Werkwijze voor de bereiding van silicium uit grondstof-kwarts in een elektrische lage schachtoven. - Google Patents

Description

t NL 32507-Kp/vD - 1 - ’ ~ ~

Werkwijze voor de bereiding van silicium uit grondstof-kwarts in een elektrische lage schachtoven.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van silicium uit grondstof-kwarts in een elektrische lage schachtoven, waarbij in de elektrische lage schachtoven de grondstof-kwarts in korrelvorm en ook reduc-5 tiemiddelbriketten bestaande uit kwarts en koolstof worden geïntroduceerd, die met het oog op de reactie Si02 + 3C =

SiC + 2C0 een overmaat koolstof bevatten, waarbij in een bovendeel van de elektrische lage schachtoven eerst bij een temperatuur van beneden 1600°C de kwarts in de reductie-10 middelbriketten wordt omgezet in SiC en waarin daarna in een lager deel van de elektrische lage schachtoven bij een temperatuur van boven 1600 °C, bij voorkeur bij een temperatuur tussen 1800 en 2000°C, de vloeibare grondstof-kwarts wordt gereduceerd. De reductiemiddelbriketten worden bij 15 voorkeur bereid via een hitte-briketteringsproces. De term "grondstof-kwarts”, zoals in de uitvinding gebruikt, betekent alle SiC>2 dragers, zoals gebruikt bij de. bereiding van silicium, in het bijzonder kwartsiet en kwartszand. Voor de bereiding van de reductiemiddelbriketten wordt in het 20 algemeen kwartszand gebruikt. De term "hitte-brikettering" zoals gebruikt in de uitvinding, betekent een brikettering zonder een bindmiddel, waarbij de uitgangsmaterialen worden verhit tot een temperatuur tussen 430 en 540°C en onder druk worden gevormd tot briketten (zie het Duitse octrooi-25 schrift 19 15 905). In het kader van de uitvinding kunnen echter reductiemiddelbriketten worden gebruikt, die op een andere manier zijn bereid.

In een werkwijze van dezelfde klasse, zoals beschreven in het Duitse octrooischrift 30 32 720 worden 30 reductiemiddelbriketten gebruikt, die ten opzichte van de reactie Si02 + 3C = SiC + 2CÖ aanwezig zijn op zijn hoogst in een kleine overmaat koolstof. In·feite streeft men naar een zo volledig mogelijke omzetting van de reactiepartners bij de aangegeven reactie in de reductiemiddelbriketten en 35 wel tot SiC en CO, om daarna de reductie van de vloeibare grondstof-kwarts in het benedendeel van de lage schachtoven 8403572 7 -y - 2 - bij de aangegeven hoge temperaturen met de SiC als reductie-middel uit te voeren. De overmaat aan koolstof is alleen maar aanwezig, omdat de koolstof bij de reductie van het silicium-dioxide in de reductiemiddelbriketten ook met zuurstof rea-5 geert en zodoende verloren gaat voor de reductie van het si-liciumdioxide. In het kader van de bekende maatregelen bestaan de reductiemiddelbriketten na de reductie van het sili-ciumdioxide echter praktisch uit siliciumcarbide en niet meer uit koolstof. De bekende maatregelen bleken te voldoen, maar 10 ze zijn ten aanzien van de siliciumopbrengst en ten aanzien van de energiebehoefte aan verbetering onderhevig.

De uitvinding heeft tot doel de werkwijze zodanig uit te voeren, dat bij verminderde energietoevoer een hoge siliciumopbrengst wordt verkregen.

15 Voor het bereiken van dit doel leert de uitvinding, dat met reductiemiddelbriketten wordt gewerkt, die ten aanzien van de reactie S1O2 + 3C - SiC + 2CO een overmaat aan koolstof van meer dan 50 gew.% bevatten, dat in het bovenste deel van de elektrische lage schachtoven in de reductiemid-20 delbriketten bij de temperatuur van beneden 1600°C naast SiC geactiveerde koolstof wordt gevormd, waarbij de reductiemiddelbriketten een kooksachtige structuur aannemen, en dat enerzijds met deze geactiveerde koolstof en anderzijds met de gevormde SiC de ingezette grondstof-kwarts 25 in het onderste deel van de elektrische lage schachtoven wordt gereduceerd. Bij voorkeur wordt in het kader van de uitvinding gewerkt met een overmaat aan koolstof in de reductiemiddelbriketten, welke overmaat minder dan 90 gew.%, bij voorkeur ca. 80 gew.% uitmaakt. Een optimale situatie bereikt 30 men verder door de werkwijze in zijn totaliteit zo uit te voeren, dat met de geactiveerde koolstof ten minste 50 gew.% van de ingezette grondstof-kwarts in het onderste deel van de elektrische lage schachtoven wordt gereduceerd. In zijn geheel wordt de vulling zo ingesteld, dat de stofbalans klopt.

35 Daarbij is het niet noodzakelijk uitsluitend met de reductiemiddelbriketten van de bovenbeschreven samenstelling te wer-* ken. In tegendeel er kan binnen grenzen een klassieke vul ling worden bijgevoegd (bijv. 3 t kwarts / 0,4 t houtskool / 0,4 t turfcokes / 0,3 t petroleumcokes / 0,5 t 8403572 « - 3 - asarme kolen), zolang gewaarborgd is, dat uit de reductie-middelbriketten in voldoende mate geactiveerde koolstof beschikbaar is.

Zoals eerder genoemd is voor de werkwijze volgens de 5 uitvinding het type en wijze van bereiding van de reductie-middelbriketten in beginsel willekeurig. Ér dient echter gewaarborgd te worden, dat de reductiemiddelbriketten behoorlijk stabiel zijn om in de beschreven wijze als vulling te zamen met de grondstof-kwarts in een elektrische lage 10 schachtoven ingebracht te worden en daar op de beschreven wijze te reageren. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt daarbij zo te werk gegaan, dat met reductiemiddelbriketten wordt gewerkt, die zijn verkregen door hittebrikettering in de vorm van eibriketten of kussenbri- 3 15 ketten en die- een grootte hebben van 15-60 cm . In samenhang daarmede beveelt de uitvinding verder aan, dat met reductiemiddelbriketten wordt gewerkt, waarvan het koolstofgehalte, voor zover voor de hittebrikettering vereist, uit aaneenbakkende kolen en het overige uit inerte koolstofdra-20 gers, zoals petroleumcokes, anthraciet, grafiet, bruinkool-cokes en steenkoolcokes bestaat. Het zal duidelijk zijn, dat de werkwijze volgens de uitvinding kan worden voortgezet tot ferrosilicium en metallisch silicium, indien men naast de grondstof-kwarts geschikte stoffen, bijv. ijzerkrullen of 25 ijzergranulaat in de elektrische lage schachtoven brengt.

De uitvinding gaat uit van de erkenning, dat bij de reductie van siliciumdioxide met koolstof in de reductiemiddelbriketten naast de vorming van siliciumcarbide ook een vorming van actieve koolstof plaatsvindt, die net als maag-30 delijke koolstof in het onderste deel van de elektrische lage schachtoven naast siliciumcarbide tot de reductie van het siliciumdioxide beschikbaar is, hetgeen resulteert in verbetering van de opbrengst en in verlaging van de benodigde energie. Dit zal thans aan de hand van de uitvoerings-35 voorbeelden nader worden toegelicht.

VOORBEELD I

Voor het verkrijgen van rond 600 t silicium werden 1200 t briketten bereid, die met een nagenoeg evengrote hoeveelheid klonterig kwarts in de elektrische oven werden 8403572 J' v “ --4- overgebracht.

In de eerste werkwijzetrap werden de briketten uit een mengsel van 30% aaneenbakkende kolen 5 32% petroleumcokes en 38% kwartszand (99,8% SiC>2) volgens de hittebriketteringsmethode bereid, d.w.z. dat de kolen bij temperaturen, bij 500°C als'bindmiddel werden gebruikt. De gerede afgekoelde briketten werden onderzocht 10 en bevatten (42 + 0,4)SiO2 en (52 + 0,7)Cfijt·

Een sterkteproef toonde aan, dat puntdruksterkten van 150-200 kg zijn verkregen, die door het inbedden van inerte stoffen, zoals petroleumcokes en zand in de gesmolten en 15 opnieuw afgekoelde kolen te verklaren is. Een meting van het binnenoppervlak van de briketten kwam overeen met 0,5-2 1,0 m /g. Dit betekent, dat geen reactiekinetisch interessante oppervlakken aanwezig zijn, waaraan heterogene omzettingen tussen gassen, zoals SiO enerzijds en koolstof ander-20 zijds met hoge omzettingen kunnen plaatsvinden.

In een tweede werkwijzestap werden de briketten overgebracht in een elektrische lage schachtoven. Alvorens in de oven te worden gebracht werd het materiaal afgezeefd, welk materiaal tijdens het transport als stof en gebroken 25 deeltjes ontstond, welk fijn materiaal minder dan 4% bedroeg. Dit is een zeer goed resultaat, waarbij houtskool, turfkool en kolen veel sterker vernietigd waren. Getallen van meer dan 10% zijn bekend.

In de elektrische oven bevond zich bij continue 30 vulling een mengsel van het brokkige kwarts en briketten, dat op grond van soortgelijk gedrag bij de toevoer in een statistisch goede verdeling verhit en tot reactie werd gebracht.

Indien men de algemene reactie van de Si-produktie • 35 Si02 + 2C = Si + 2C0 beschouwt, dan kan men uit de analyse van de briketten zien, dat de koolstof in de briketten in een overdosis aanwezig is en dat slechts de verdere reactie met de kwartsbrokken de volledige omzetting waarborgt. Daar echter voor de Si-vorming siliciumcarbide volgens de verge- <c ....... —--------------- 8403572 - 5 - * lijking S102 + 3C = SiC + 2C0 ontstaat, blijft de vraag of voor dit geval voldoende koolstof in de briket aanwezig is. Uit de berekening volgt, dat rond dubbelzoveel koolstof in de briket aanwezig is als vereist voor de reactie. Dit is 5 een molverhouding van 1:5 tot 1:6. Dit werd nagestreefd teneinde de kooksstructuren, ontstaan bij de hittebrikettering, te handhaven ook wanneer verliezen door reactie tot silici-umcarbide optreden.

Een bewijs voor deze opvatting werd geleverd door 10 toepassing van thermokoppels voor het vinden van de tempera-tuurzone, waarbij de carbidereactie plaatsvindt. In het 1500 -1600°C hete materiaal werden monsters getrokken, waaruit eenduidig blijkt, dat de briketten nog hun oorspronkelijke vorm hebben, ofschoon de omzetting tussen koolstof en sili-15 cium reeds begonnen was, resp. zelfs voltooid was.

De meeste briketten vertoonden een wit oppervlak, hetgeen betekent, dat hier reacties hebben plaatsgevonden.

Belangrijker was echter de meting in het inwendige oppervlak van de afgekoelde briketten. De meting toonde een sterk ge- 2 20 ëxpandeerd binnenoppervlak van 20-230 m /g.

Dit leidt tot een sterke achteruitgang van het Si02 neerslag in de gaszuivering. Daaraan nauw gekoppeld zijn het energieverbruik en de siliciumopbrengst. Aan de oven werd gemeten, dat het stroomverbruik met ca. 14% is afgenomen en 25 de Si-opbrengst met meer dan 20% is gestegen. Een niet verwachte echter belangrijk economisch voordeel was de halvering van het elektrodenverbruik.Dit daalde van 128 kg/t Si tot 50 kg/t Si. De bewegingen van de elektroden waren tot een minimum beperkt.

30 VOORBEELD II

Bij het verkrijgen van ferrosilicium liggen de verhoudingen gunstiger. Hier zijn de verliezen door de vorming van SiO geringer.

Gaat men volgens de bovenbeschreven wijze zo te werk, 35 dat de kwartsbrokken en briketten in een onderlinge verhouding van 50:50 worden gebruikt en dat het ijzerschroot zoda-nig wordt toegevoegd dat een 75-legering ontstaat, dan zijn nog duidelijk de voordelen van de briketten te onderkennen: het stroomverbruik daalt met 8% en de opbrengst aan silicium stijgt met 12%.

8403572

Claims (5)

1. Werkwijze voor de bereiding van silicium uit grondstof-kwarts in een elektrische lage schachtoven, waarbij in de elektrische lage schachtoven de grondstof-kwarts in korrelvorm en bovendien reductiemiddelbriketten uit 5 kwarts en koolstof worden ingebracht, die ten opzichte van de reactie Si02 + 3C = SiC + 2C0 een overmaat aan koolstof bevatten, waarbij in een bovenste deel van de elektrische lage schachtoven eerst bij een temperatuur van beneden 1600°C de kwarts in de reductiemiddelbriketten tot SiC 10 wordt omgezet en waarbij daarna in een onderste deel van de elektrische lage schachtoven bij een temperatuur van boven 1600°C, bij voorkeur bij 1800-2000°C, de vloeibare grondstof-kwarts wordt gereduceerd, met het kenmerk, dat met reductiemiddelbriketten wordt gewerkt, die ten 15 opzichte van de reactie Si02 + 3C = SiC + 2CO een overmaat aan koolstof van meer dan 50 gew.% bevatten, dat in het bovenste deel van de elektrische lage schachtoven in de reductiemiddelbriketten bij een temperatuur van beneden 1600°C naast SiC geactiveerde koolstof wordt gevormd, waarbij de 20 reductiemiddelbriketten een cokesachtige structuur aannemen en dat met deze geactiveerde koolstof enerzijds en de SiC anderzijdsde grondstof-kwarts in het onderste deel van de elektrische lage schachtoven wordt gereduceerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het 25 k e n m e r k , dat met reductiemiddelbriketten wordt gewerkt, die een overmaat van minder dan 90 gew.%, bij voorkeur ca. 80 gew.% aan koolstof bevatten.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk , dat in het onderste deel van de elektrische 30 lage schachtoven ten minste 50 gew.% van de ingebrachte grondstof-kwarts met de geactiveerde koolstof de reductiemiddelbriketten worden gereduceerd.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk , dat met reductiemiddelbriketten wordt 35 gewerkt, die door hittebrikettering worden verkregen in de vorm van eibriketten of kussenbriketten.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, m e t h e t 8403572 > y· — - 7 - kenmerk , dat met'reductiemiddelbriketten wordt gewerkt/ waarvan het koolstofgehalte/ voor zover voor de hittebrikettering noodzakelijk, uit aaneenbakkende kolen en voor het overige uit inerte koolstofdragers, zoals 5 petroleumcokes, anthraciet, grafiet, bruinkoolcokes en steenkoolcokes bestaat. 8403572