NO163004B - Fremgangsmaate for fremstilling av silisium fra kvartsraastoff. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av silisium fra kvarts som råstoff i en elektrisk smelteovn av lavsjakttype, hvorunder smelteovnen tilføres nevnte kvartsråstoff i partikkelform samt dessuten også reduksjonsmiddelbriketter bestående av kvarts og karbon og som oppviser et overskudd av karbon på mer enn 50 vekt% med hensyn på reaksjonen SiC>2 + 3C = Sic + 2CO, idet kvartsandelen av reduksjonsmiddelbrikettene først omsettes til SiC i en øvre del av smelteovnen ved en temperatur under 1600°C og derpå nevnte kvartsråstoff i flytende tilstand reduseres i en nedre del av smelteovnen ved en temperatur over 1600°C og fortrinnsvis mellom 1800 og 2000°C.

Reduksjonsmiddelbrikettene fremstilles fortrinnsvis ved en varmbriketteringsprosess. Betegnelsen "kvartsråstoff" anvendt i forbindelse med foreliggende oppfinnelse omfatter alle Si02-bærere som anvendes ved fremstilling av silisium, særlig kvartsitt og kvartssand. For fremstilling av reduksjonsmiddelbrikettene anvendes vanligvis kvartssand. Uttrykket "varmbrikettering" betyr slik det anvendes i forbindelse med foreliggende oppfinnelse en brikettering uten bindemiddel, og hvor utgangsmaterialet oppvarmes til en temperatur mellom 430 og 540°C samt formes under trykk til briketter (se BRD patent nr. 1.915.905). Innenfor oppfinnelsens ramme kan det imidlertid også anvendes reduksjonsmiddelbriketter som er blitt fremstilt på annen måte.

Ved en kjent fremgangsmåte av samme art (DE-PS 3.032.720) benyttes reduksjonsmiddelbriketter som høyst oppviser bare et lite overskudd av karbon med hensyn på reaksjonen Si02 + 3C = SiC + 2C0. Man etterstreber faktisk en mest mulig fullstendig omsetning av reaktantene under nevnte reaksjon i reduksjonsmiddelbrikettene, og da til SiC og CO, for deretter å oppnå reduksjon av det foreliggende flytende kvartsråstoff i den nedre del av lavsjaktovnen ved nevnte høye temperatur og med SiC som reduktant. Det nevnte overskudd av karbon foreligger da bare på grunn av at karbonet ved reduksjonen av silisiumdioksyd i reduksjonsmiddelbrikettene også reagerer med oksygen og går i denne forbindelse tapt for reduksjon av silisium dioksyd. Innenfor rammen av de kjente prosesser består reduksjonsmiddelbrikettene etter reaksjonen av sili-siumdioksyder imidlertid i praksis av silisiumkarbid og ikke lengder av karbon. De kjente fremgangsmåter har vist seg hensiktsmessig, men behøver en forbedring med hensyn til silisiumutbyttet og således også med hensyn til energibehov.

Det er derfor et formål for oppfinnelsen å forbedre den inn-ledningsvis angitte fremgangsmåte på sådan måte at det ved nedsatt energiforbruk oppnås høyt silisiumutbytte.

Innenfor rammen av denne fremgangsmåte oppnås dette i henhold til oppfinnelsen ved at overskuddet av karbon i reduksjonsmiddelbrikettene med hensyn på réaksjonen SiC>2 + 3C = SiC + 2C0, gjøres mindre enn 90 vekt%, således at brikettene i den øvre del av smelteovnen ved en temperatur under 1600°C antar en koksaktig struktur, som i tillegg til det dannede SiC oppviser aktivert karbon.

En optimalisering oppnås ved å utføre fremgangsmåten i sin helhet på sådan måte at minst 50 vekt% av det tilførte kvartsråstoff reduseres med aktivert karbon i den nedre del av den elektriske lavsjaktovn. Som helhet innstilles beskik-ningen slik at materialbalansen er korrekt. I denne forbindelse er det ikke nødvendig å utelukkende anvende reduk-sjonsbriketter av den angitte sammensetning. Innenfor visse grenser kan det således anvendes en klassisk beskikning, som f. eks kan bestå av tre deler kvarts, 0,4 delertrekull, 0,4 deler torv, 0,3 deler petroleumkoks, og 0,5 deler askefattig kull, så lenge det er sikret at aktivert karbon er tilgjengelig i tilstrekkelig mengde fra reduksjonsmiddelbrikettene.

Som allerede nevnt er måte og midler for fremstilling av reduksjonsmiddelbrikettene hovedsakelig uten betydning for oppfinnelsens fremgangsmåte. Det må imidlertid sikres at brikettene er tilsvarende stabile til å kunne innføres på angitt måte som beskikning sammen med kvartsråstoffet i en elektrisk lavsjaktovn, samt å reagere der på beskrevet måte. I henhold til en foretrukket utførelse av anvendes reduksjonsmiddelbriketter som er fremstilt ved varmbrikettering i form av eggbriketter eller putebriketter med en størrelse mellom 15 og 60 cm-*. I sammenheng med dette anbefales videre at det benyttes briketter hvis karboninnhold i den grad som er nødvendig for varmebriketteringen består av kakedannende kull og forøvrig av inerte karbonbærere, slik som petroleumkoks, antrasitt, grafitt, samt brunkull- og stenkullkoks. Det vil forstås at fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan utvides til fremstilling av ferrosilisium og silisium-metall, idet man i tillegg til kvartsråstoff tilfører tilsvarende egnede substanser, for eksempel jernspon eller jerngranulat, i vedkommende elektriske lavsjaktovn.

Oppfinnelsen utgår fra den erkjennelse av det ved reduksjon av silisiumdioksyd med karbon i reduksjonsmiddelbrikettene ved siden av silisiumkarbid også dannes aktivt karbon, som faktisk er tilgjengelig som nydannet karbon i den nedre del av den elektriske lavsjaktovn ved siden av silisiumkarbid for reduksjon av det foreliggende silisiumdioksyd, hvilket som resultat gir forbedret utbytte og nedsatt energiforbruk. Dette vil i det følgende bli nærmere forklart ved hjelp av utførelseseksempler.

Eksempel 1.

For dannelse av omkring 600 tonn silisium ble 1200 tonn briketter fremstilt, som med en tilnærmet like stor mengde stykkvarts ble tilsatt elektroovnen.

I det første fremgangsmåtetrinn ble briketter med en sammensetning av:

30 % kakedannende kull,

32 % petroleumskoks, og

38 % kvartssand (99,8 % Si02), fremstilt

i samsvar méd varmbriketteringsprosessen, hvilket vil si at det ble anvendt kull ved temperaturer omkring 500°C som

bindemiddel. De ferdige nedkjølte briketter ble undersøkt og viste seg å inneholde:

En fasthetsundersøkelse viste at punkttrykkfastheter fra 150 til 200 kg var oppnådd, hvilket tilskrives innleiring av inerte substanser, slik som petroleumskoks og sand, i det smeltede atter størknede kull. En måling av den indre overflate av brikettene ga som resultat 0,5 til 1,0 m<2>/g. Dette betyr at det her foreligger reaksjonskinetisk interessante overflater, hvor heterogene omsetninger mellom gasser som SiO på den ene side, og karbon på den annen side kan finne sted med høy omsetningstakt.

I et annet fremgangsmåtetrinn ble brikettene tilført en elektrisk lavsjaktovn. Før innføringen i ovnen ble materialet siktet for bestanddeler som kunne skrive seg fra avrivning og utbrytning under transport. Dette finmaterial utgjorde en andel under 4 %. Dette er imidlertid et meget godt resultat, idet trekull, torv og kullstykker avrives i meget sterkere grad. Verdier på mer enn 10 % er kjent i denne forbindelse.

I den elektriske smelteovn befant seg ved kontinuerlig ifyl-ling en blanding av stykkkvarts og briketter, som på grunnlag av likeartet oppførsel ved sammenrysting ble oppvarmet under statistisk god fordeling og bragt til innbyrdes reaksjon.

Ved betraktning av den alminnelige reaksjon ved nevnte fremstilling av silisium, nemlig

Si02 + 2C = Si + 2C0,

så kan man ut i fra analyse av brikettene se at det foreligger et overskudd av karbon i disse, og først den ytter-ligere reaksjon med kvartsstykkene sikrer den fullstendige omsetning.Da imidlertid silisiumkarbid opptrer før dannelsen av silisium i henhold til ligningen

Si02 + 3C = SiC + 2CO,

forblir det et spørsmål om tilstrekkelig karbon foreligger i brikettene for dette formål. Beregninger viser at omtrent

dobbelt så mye karbon foreligger i forhold til det som er nødvendig for reaksjonen. Dette utgjør et molforhold på 1:5 til 1:6. Dette er tilsiktet med det formål å opprett-holde de koksstrukturer som skriver seg fra varmbriketterin-gen, selv om tap opptrer ved reaksjonen til silisiumkarbid.

En forståelse for dette forhold ble oppnådd ved anvendelse av termoelementer for å finne frem til den temperatursone hvor karbidreaksjonen opptrer. Fra det varme material.som hadde en temperatur mellom 1500 og 1600°C ble det tatt ut prøver, og disse viste klart at brikettene fremdeles hadde sin opp-rinnelige form, skjønt omsetningen mellom karbon og silisium allerede var blitt innledet eller til og med var fullført.

De fleste briketter oppviste en hvit overflate. Dette betyr at reaksjoner hadde funnet sted på disse steder. Viktigere var. imidlertid målingen av de indre flater av nedkjølte briketter. Denne måling viste en betraktelig utvidet indre overflate på mellom 20 og 230 m<2>/g.

Dette førte til en betraktelig nedsettelse av SiC^-utfel-lingen i gassrensingen. I nær sammenheng med dette står energiforbruket og silisiumutbyttet. Det ble målt ved smelteovnen at forbruket .av elektrisk effekt var nedsatt med omkring 14 %, mens silisiumutbyttet var øket med mer enn 20 %. En uventet, men viktig økonomisk fordel var det forhold at elektrodeforbruket var nedsatt til det halve. Dette forbruk sank fra 128 kg/tonn Si til 59 kg/tonn Si. Elektrodebeve-gelsene avtok til et minimum.

Eksempel 2.

Ved en fremstilling av ferrosilisium ligger forholdene gunstigere an. Her er tapene ved dannelse av SiO lavere.

Hvis man går frem på den ovenfor beskrevne måte, således at tilførselen av stykkvarts og briketter opprettholdes med et innbyrdes forhold på 50:50, mens skrapjern tilsettes i sådan grad at en 7 5-legering oppstår, kan fordelene ved brikettene enda klarere erkjennes, idet det elektriske effektforbruk i dette tilfelle avtok med 8 %, mens silisiumutbyttet øket med 12 %.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av silisium fra kvarts som råstoff i en elektrisk smelteovn av lavsjakttype, hvorunder smelteovnen tilføres nevnte kvartsråstoff i partikkelform samt også reduksjonsmiddelbriketter bestående av kvarts og karbon og som oppviser et overskudd av karbon på mer enn 50 vekt% med hensyn på reaksjonen Si02 + 3C = SiC + 2CO,

   idet kvartsandelen av reduksjonsmiddelbrikettene først omsettes til SiC i en øvre del av smelteovnen ved en temperatur under 1600°C, og derpå nevnte kvartsråstoff i flytende tilstand reduseres i en nedre del av smelteovnen ved en temperatur over 1600°C og fortrinnsvis mellom 1800 og 2000°C,karakterisert ved at overskuddet av karbon i reduksjonsmiddelbrikettene med hensyn på reaksjonen Si02 + 3C = SiC + 2CO, gjøres mindre enn 90 vekt%, således at brikettene i den øvre del av smelteovnen ved en temperatur under 1600°C antar en koksaktig struktur, som i tillegg til det dannede SiC oppviser aktivert karbon.