PL163733B1 - Sposób wytwarzania pólwyrobów z surowców PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania pólwyrobów z surowców, zwlaszcza przy wytwarzaniu krzemu lub stopów krzemu w niskoszybowym piecu elektrycznym, przy czym niespiekajacy sie nosnik weglowy, zwlaszcza koks naftowy miesza sie ze spoiwem zawierajacym pak i taka mieszanine koncowa poddaje sie brykietowaniu we wstepne pólwyroby z surowców, po czym z tych wstepnych pólwyrobów uzyskuje sie gotowe pólwyroby przez utwardzajaca obróbke cieplna, znamienny tym, ze jako zawierajace pak spoiwo stosuje sie spoiwo w postaci mieszaniny paku i spiekajacego sie wegla, który posiada temperature wyzsza od 100°C do 200°C, a piasek kwar cowy i niespiekajacy nosnik weglowy miesza sie ze spoiwem w temperaturze mieszania, która utrzymuje sie w tym samym zakresie temperaturowym i nastepnie brykietuje sie wstepne pólwyroby wychodzac z tej temperatury mieszania, po czym wstepne pólwyroby poddaje sie obróbce cieplnej, która posiada temperature koncowa ponad 450°C. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania półwyrobów z surowców w szczególności krzemu lub stopów krzemu w niskoszybowym piecu elektrycznym, gdzie miesza się piasek kwarcowy, niespiekający się nośnik węglowy, zwłaszcza koks naftowy ze spoiwem zawierającym pak i taką mieszaninę końcową poddaje się brykietowaniu we wstępne półwyroby z surowców, po czym z tych wstępnych półwyrobów uzyskuje się gotowe półwyroby przez poddanie ich utwardzającej

163 733 obróbce cieplnej. Przy wytwarzaniu takich półwyrobów z surowców używa się zazwyczaj piasku kwarcowego o ziarnistości od 0,05 mm do 0,2 mm i to o zróżnicowanych ziarnistościach składowych utrzymanych w tych granicach.

Jest zrozumiałe, że przy wytwarzaniu półwyrobów z żelazokrzemu można dodatkowo dodawać żelazo lub tlenek żelaza w postaci drobnych cząstek. Żelazo lub tlenek żelaza można również dodać do wsadu piecowego niskoszybowego pieca elektrycznego, zwłaszcza w postaci kawałków lub grudek. W skład wsadu wchodzą poza tym półwyroby z surowca oraz piasek kwarcowy.

Półwyrobom z surowca o takim docelowym przeznaczeniu stawiane są szczególne wymagania pod względem chemicznym i fizycznym. I tak przy wytwarzaniu krzemu należy zwrócić uwagę z chemicznego punktu widzenia na to (opis patentowy Wielkiej Brytanii 2084 122), że w półwyrobach w czasie procesów zachodzących w niskoszybowym piecu elektrycznym najpierw w górnej części może się tworzyć węglik krzemu według równania

SiO₂ + 3 C = SiC + 2 CO

W związku z tym należy odpowiednio dobrać całkowitą zawartość węgla w półwyrobach z surowca, przy czym stosuje się na ogół zawartość wyższą od stechiometrycznej (opis patentowy Wielkiej Brytanii 21 50 128). Ze względów fizycznych trzeba zapewnić, aby półfabrykaty z surowca na swojej drodze przez niskoszybowy piec elektryczny, a zwłaszcza podczas redukowania w SiC nie uległy rozpadowi lecz aby mogły w dolnej części niskoszybowego pieca elektrycznego nadal reagować ze stopionym kwarcem według równania.

SiO₂ + SiC = 3 Si + 2 CO

Oczywiście w niskoszybowym piecu elektrycznym zachodzą jeszcze, inne reakcje. Między innymi przy wysokich temperaturach pieca tworzy się według równania

SiO₂ + C = SiO + CO lotny tlenek krzemu, który częściowo uchodzi wpływając tym samym na zmniejszenie wydajności pieca i pogorszenie bilansu cieplnego.

W znanym z opisu patentowego RFN nr DE-OS 37 24 541 sposobie używa się wstępnie ukształtowanych półwyrobów nie zawierających spiekającego się węgla i przeprowadza się brykietowanie spoiwa. Obróbka cieplna następuje w nagrzewanym obrotowym piecu rurowym w złożu zanurzeniowym z piasku kwarcowego. Sposób ten okazał się skuteczny. Wytworzone tym sposobem półwyroby z surowca wytrzymują wszelkie naciski na swojej drodze poprzez niskoszybowy piec elektryczny oraz jest definytywnie zapewnione odbywanie się wyżej wymienionych procesów chemicznych. Ze względu na upływ znacznego czasu do chwili użycia, półwyroby z surowca wytwarzane znanym sposobem wymagają jednakże ulepszenia. Ich trwałość mechaniczna obniża się znacznie w miarę upływu czasu składowania w każdych warunkach.

Jest to spowodowane oddziaływaniem powietrza, a przy składowaniu na otwartej przestrzeni dodatkowo przenikaniem w głąb półwyrobów wody, co obniża siły wiązania wewnętrznej spoistości półwyrobu. Zjawisko to nie występuje w przypadku półwyrobów o takim samym przeznaczeniu, które zostały wytworzone na drodze brykietowania na gorąco (opis patentowy niemiecki DE-OS 3009 808), jadnakże brykietowanie na gorąco jest stosunkowo uciążliwe.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania półwyrobów z surowca, zwłaszcza wytwarzania krzemu lub stopów krzemu w niskoszybowym piecu elektrycznym. Sposób ten umożliwia wytwarzanie półwyrobów, które nie tylko spełniają stawiane im wszelkie wymagania chemiczne i fizyczne podczas przechodzenia półwyrobów przez niskoszybowy piec elektryczny, lecz ponadto odznaczają się doskonałą trwałością poprzez dłuższy okres czasu. Zwłaszcza podczas transportowania i w czasie składowania nie tracą swojej trwałości.

Dla rozwiązania tego zadania według wynalazku stosuje się jako zawierające pak spoiwo w postaci mieszaniny paku i spiekającego się węgla, która posiada temperaturę wyższą od 100°C do 200°C. Piasek kwarcowy i nie spiekający się nośnik węglowy miesza się ze spoiwem przy temperaturze mieszania utrzymanej w tym samym zakresie temperaturowym, a wstępne półwyroby brykietuje się przy wychodzeniu z temperatury mieszania. Wstępne półwyroby poddaje się obróbce cieplnej przy temperaturze końcowej ponad 450°C. Przy stosowaniu sposobu według wynalazku

163 733 brykietowanie, dzięki któremu ze wstępnych półwyrobów uzyskuje się gotowe półwyroby z surowca jest brykietowaniem z zastosowaniem spoiwa, co jest powszechnie stosowane przy wytwarzaniu brykietów z węgla kamiennego.

Pomimo dużej zawartości piasku kwarcowego we wstępnych półwyrobach można jeszcze tu stosować technologię znanego brykietowania przy użyciu spoiwa. Przeważnie używa się zwykłych pras do brykietowania przy naciskach w granicach od 1 tony do 2 ton na cm².

Nieoczekiwanie okazało się, że przy zastosowaniu wyżej podanej mieszaniny spoiwa i zachowaniu podanych parametrów wytworzone półwyroby spełniają wszelkie wymagania również pod względem trwałości w odniesieniu do upływu dłuższego okresu czasu. Dzieje się tak zwłaszcza wtedy, kiedy stosuje się mieszaninę spoiwa wytworzonego w postaci stopu paku i węgla.

Stop paku i węgla otrzymuje się gdy pak i spiekający się węgiel wchodzą wzajemnie w fazę roztworu, wskutek czego następuje integracja obu tych części składowych w nowostopione spoiwo. Uzyskuje się to szczególnie łatwo wtedy, kiedy stosuje się węgiel w postaci wystarczająco drobnych cząstek. W gotowych półwyrobach z surowca wytworzonych sposobem według wynalazku stop paku z węglem okazał się nieoczekiwanie niewrażliwy na dyfundujące w głąb półwyrobów powietrze i wilgoć.

Ściślej mówiąc istnieje w zakresie wynalazku wiele możliwości dalszego ulepszania. I tak uzyskuje się szczególnie dobre wyniki kiedy piasek kwarcowy, niespiekający się nośnik węglowy i spoiwo w postaci mieszaniny przy wzajemnym mieszaniu mają taką samą temperaturę i korzystnie pracuje się przy temperaturze około 160°C.

Podczas gdy w przypadku opisanego na wstępie znanego sposobu (opis patentowy niemiecki DE-OS 37 24 541)przy utwardzającej obróbce cieplnej trzeba.było.stosować obrotowy piec rurowy, to według wynalazku obróbka cieplna może się odbywać również w inny sposób, na przykład na ruszcie ruchomym, który przemieszcza się przez odpowiedni piec lub komorę i jest obłożony jedną warstwą lub wieloma warstwami wstępnych półwyrobów.

Korzystna postać wykonania wyróżnia się według wynalazku tym, że wstępne półwyroby poddawane są utwardzającej obróbce cieplnej w obrotowym piecu rurowym. Następuje bardzo oszczędzająca obróbka cieplna i uzyskuje się dużą trwałość ostateczną półwyrobów, jeśli wytwarza się wstępne półwyroby, których ciężar właściwy jest większy od ciężaru zasypowego piasku kwarcowego oraz kiedy te wstępne półwyroby dla przeprowadzenia ich obróbki cieplnej wprowadza się do nagrzanego obrotowego pieca rurowego, który jest wypełniony piaskiem kwarcowym' w takim stopniu, że obróbka cieplna wstępnych półwyrobów odbywa się w złożu piasku kwarcowego. Piasek kwarcowy ma korzystnie temperaturę od około 500°C do 530°C i to co najmniej w strefie końca wylotu obrotowego pieca rurowego. Przy tym obrotowy piec rurowy napełnia się piaskiem kwarcowym korzystnie w takim stopniu, aby objętość piasku kwarcowego była większa od podwójnej objętości luźnego zasypu wstępnych półwyrobów. W pozostałych szczegółach można według wynalazku nawiązać do opublikowanej w opisie patentowym niemieckim DE-OS 37 24 541 technologii.

W celu optymalizacji zaleca się według wynalazku stosowanie spoiwa w postaci mieszaniny, która w odniesieniu do mieszaniny końcowej z jakiej brykietuje się wstępne półwyroby, została utworzona z co najmniej 7% wagowego paku w postaci węglowego i paku pochodzącego z przeróbki ropy naftowej, zwłaszcza paku elektrodowego oraz z co najmniej 12% wagowych drobnoziarnistego spiekającego się węgla. Korzystnie stosuje się spoiwo w postaci mieszaniny zawierającej 7 do 12% wagowych paku i 12 do 14% wagowych drobnoziarnistego spiekającego się węgla. Ponadto korzystnie stosuje się mieszaninę końcową zawierającą 20 do 40% wagowych piasku kwarcowego, spoiwo a pozostałą jej część stanowi koks naftowy. Korzystnie stosuje się piasek kwarcowy o ziarnistości od 0,05 mm do 0,2 mm i koks naftowy o ziarnistości mniejszej od 2 mm przy udziale co najmniej 60% ziarna granulacji mniejszej od 0,5 mm.

Wytworzone według wynalazku półwyroby z surowca wyróżniają się trwałością, oraz korzystnym zachowaniem się w niskoszybowym piecu elektrycznym. Zakresem wynalazku jest objęte domieszywanie substancji mineralnych w postaci drobnych cząstek do mieszaniny końcowej. Wskutek tego uzyskuje się uaktywnienie półwyrobów z surowca, które występuje przy temperaturach wyższych od 1500°C.

163 733 5

Wytworzone według wynalazku półwyroby z surowców mogą być stosowane również w żeliwiaku przy produkcji żeliwa, a mianowicie jako nośnik krzemowy lub węglowy.

Wynalazek zostanie szczegółowo objaśniony w oparciu o poniższy przykład wykonania. Przykład wykonania zawiera również wykres graficzny. Na osi rzędnych wykresu oznaczono wytrzymałość na ściskanie półwyrobów, a oś odciętych została wyskalowana w jednostkach czasu.

Aby uzyskać półwyrób, stosowany przy wytwarzaniu krzemu lub stopów krzemu w niskoszybowym piecu elektrycznym, zmieszano przy pierwszej próbie w temperaturze 160°C; 38% wagowych piasku kwarcowego o ziarnistości 0,08 mm do 0,25 mm; 50% wagowych koksu naftowego o ziarnistości 2 mm i 12% wagowych paku elektrodowego. Temperatura mięknięcia paku elektrodowego wynosiła 90°C według Keinesa.

Po zakończeniu procesu mieszania wytworzona w taki sposób mieszanina końcowa posiadała temperaturę 145°C. Z tej mieszaniny końcowej po jej ochłodzeniu wytworzone zostały, przy użyciu prasy do brykietowania, prawie kulistego kształtu wstępne półwyroby o średnicy około 2 cm przy zastosowaniu nacisku 1,5 t/cm². Wstępne półwyroby zostały poddane utwardzającej obróbce cieplnej w obrotowym piecu rurowym, jak to zostało szczegółowo opisane w opisie patentowym niemieckim DE-OS 37 24 541. Wytworzone w taki sposób gotowe półprodukty wykazują po składowaniu na otwartej przestrzeni wytrzymałość na ściskanie ilustrowaną krzywą a na wykresie. Spełniają one wszelkie wymagania pod względem fizycznym i chemicznym w zakresie wytrzymałości na ściskanie przed obniżeniem się krzywej a w niskoszybowym piecu elektrycznym.

Przy drugiej próbie stopiono w temperaturze około 160°C w stop paku z węglem najpierw pak elektrodowy o udziale wagowym podanym w pierwszej próbie, oraz 1,8 udziału wagowego spiekającego się węgla o ziarnistości 80% pomiędzy 0,1 mm do 0,2 mm. Przy udziale 18% tego stopu paku z węglem w miejsce zastosowanego w pierwszej próbie paku elektrodowego przy pozostałych takich samych warunkach, została powtórzona pierwsza próba aż do uzyskania gotowych półwyrobów z surowca. Te półwyroby po składowaniu na otwartej przestrzeni pod względem wytrzymałości na ściskanie mają charakterystykę czasową, którą pokazuje krzywa b na wykresie. Przy trzeciej próbie została powtórzona próba druga aż do uzyskania wstępnych półwyrobów. Półwyroby te zostały jednak utwardzone w takim samym czasie i temperaturze ale na ruszcie ruchomym. Krzywa c na wykresie pokazuje wytrzymałość na ściskanie wytworzonych w taki sposób półwyrobów.

Porównanie krzywych a, b i c uwidacznia wyraźnie ulepszenia uzyskane przy stosowaniu sposobu według wynalazku.

163 733

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania półwyrobów z surowców, zwłaszcza przy wytwarzaniu krzemu lub stopów krzemu w niskoszybowym piecu elektrycznym, przy czym niespiekający się nośnik węglowy, zwłaszcza koks naftowy miesza się ze spoiwem zawierającym pak i taką mieszaninę końcową poddaje się brykietowaniu we wstępne półwyroby z surowców, po czym z tych wstępnych półwyrobów uzyskuje się gotowe półwyroby przez utwardzającą obróbkę cieplną, znamienny tym, że jako zawierające pak spoiwo stosuje się spoiwo w postaci mieszaniny paku i spiekającego się węgla, który posiada temperaturę wyższą od 100°C do 200°C, a piasek kwarcowy i niespiekający nośnik węglowy miesza się ze spoiwem w temperaturze mieszania, którą utrzymuje się w tym samym zakresie temperaturowym i następnie brykietuje się wstępne półwyroby wychodząc z tej temperatury mieszania, po czym wstępne półwyroby poddaje się obróbce cieplnej, która posiada temperaturę końcową ponad. 450°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się spoiwa w postaci mieszaniny utworzonej przez stop paku z węglem.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że piasek kwarcowy, niespiekający się nośnik węglowy i spoiwo mają podczas mieszania taką samą temperaturę.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przeprowadza się go w temperaturze około 160°C.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że półwyroby poddaje się utwardzającej obróbce cieplnej w obrotowym piecu -rurowym.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wytwarza się półwyroby, których ciężar właściwy na skutek dobrania proporcji mieszaniny i stopnia jej zagęszczenia jest większy od ciężaru nasypowego piasku kwarcowego, a ponadto te półwyroby wprowadza się do nagrzanego obrotowego pieca rurowego, który jest wypełniony piaskiem kwarcowym do tego stopnia, że obróbka cieplna półwyrobów następuje w złożu piasku kwarcowego.
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że obrotowy piec rurowy napełnia się piaskiem kwarcowym w takim stopniu, aby objętość piasku kwarcowego była większa od podwójnej objętości luźno nasypanych półwyrobów.
8. 8. Sposób według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że stosuje się spoiwo w postaci mieszaniny, która w odniesieniu do mieszaniny końcowej, z której brykietowane są półwyroby została wytworzona z co najmniej 1% wagowych paku w- postaci-paku węglowego lub paku pochodzącego z przeróbki ropy naftowej, zwłaszcza paku elektrodowego oraz z co najmniej \2%o wagowych drobnoziarnistego spiekającego się węgla.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że sto^cuje się mieszaninę końcową, która zawiera od 20 do 40% wagowych piasku kwarcowego oraz spoiwo w postaci mieszaniny, a w pozostałej części koks naftowy (lub inne podobne) aktywatory.
10. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się piasek kwarcowy o ziarnistości od 0,05 mm do 0,2 mm oraz koks naftowy o ziarnistości poniżej 2 mm przy udziale co najmniej 60% poniżej 0,5 mm.