RU2036144C1

RU2036144C1 - Briquetting mixture for manufacturing commercial-grade silicon and process for producing same

Info

Publication number: RU2036144C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Варюшенков; В.П. Окладников; Е.П. Исаева; А.М. Салтыков; Л.П. Хренникова
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Всероссийский алюминиево-магниевый институт"
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1995-05-27

Abstract

FIELD: chemistry. SUBSTANCE: briquetting mixture includes 30 to 50 percent by mass quartz sand, 45 to 60 percent by mass hydrolytic lignine and 5 to 10 percent by mass refinery coke. Process for briquetting mixture includes such steps as grinding of refinery coke to particle size of less than 3 mm, dehydrating lignine to moisture content of 12 to 15 %, admixing ingredients and then briquetting resultant mixture at pressure of 80 to 95 MPa. EFFECT: more sophisticated technique. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии и касается производства кремния восстановительной плавкой кремнеземсодержащих материалов в дуговых печах. The invention relates to non-ferrous metallurgy and relates to the production of silicon by reductive melting of silica-containing materials in arc furnaces.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ по- лучения кремния, предусматривающий использование шихты, состоящей из кремнеземсодержащего сырья, например кварцевого песка, и лигнина. Компоненты шихты перемешивают и брикетируют. The closest to the invention in technical essence is a method for producing silicon, which involves the use of a mixture consisting of silica-containing raw materials, such as silica sand, and lignin. The components of the mixture are mixed and briquetted.

Однако в данном способе не указываются ни состав шихты, ни режим брикетирования, которые обеспечивали бы высокую активность шихты и требуемую процессом выплавки кремния механическую прочность брикетов. При преобладающем содержании кварцевого песка брикеты будут иметь низкую механическую прочность и недостаточное количество углерода для осуществления восстановительных реакций. При малом содержании кварцевого песка становится не эффективным использование окускованной смеси, так как для получения кремния потребуется обязательная добавка к шихте кускового кварцита. Кроме того, низкое содержание в лигнине твердого углерода ( ≈25%) служит препятствием в изготовлении брикетов заданного состава. However, this method does not indicate the composition of the mixture, nor the briquetting mode, which would ensure high activity of the mixture and the mechanical strength of the briquettes required by the silicon smelting process. With a predominant content of quartz sand, the briquettes will have low mechanical strength and insufficient carbon for the implementation of reduction reactions. When the quartz sand content is low, the use of the agglomerated mixture becomes ineffective, since the production of silicon will require the mandatory addition of lump quartzite to the mixture. In addition, the low content of solid carbon in lignin (≈25%) is an obstacle in the manufacture of briquettes of a given composition.

В предлагаемом техническом решении создаются благоприятные условия для эффективного протекания восстановительных процессов, обеспечиваются высокие механическая прочность брикетов и активность шихты. The proposed technical solution creates favorable conditions for the effective course of the recovery processes, provides high mechanical strength of the briquettes and the activity of the charge.

Брикетированная смесь для получения технического кремния, включающая кремнеземсодержащее сырье, например кварцевый песок, и лигнин, дополнительно содержит нефтяной кокс при следующем соотношении компонентов, мас. Кварцевый песок 30-50 Гидролизный лигнин 45-60 Нефтяной кокс 5-10
В способе приготовления брикетированной смеси, включающем смешение компонентов смеси и их брикетирование, нефтяной кокс предварительно измельчают до крупности менее 3 мм, гидролизный лигнин обезвоживают до влажности 12-15% а брикетирование производят под давлением 80-95 МПа.Briquetted mixture for the production of industrial silicon, including silica-containing raw materials, such as silica sand, and lignin, additionally contains petroleum coke in the following ratio, wt. Quartz sand 30-50 Hydrolysis lignin 45-60 Petroleum coke 5-10
In a method for preparing a briquetted mixture, including mixing the components of the mixture and their briquetting, petroleum coke is pre-crushed to a particle size of less than 3 mm, hydrolysis lignin is dehydrated to a moisture content of 12-15% and briquetting is carried out under a pressure of 80-95 MPa.

Брикетированная смесь может быть использована как самостоятельное сырье для производства технического кремния или как компонент кусковой шихты. The briquetted mixture can be used as an independent raw material for the production of industrial silicon or as a component of a bulk mixture.

Введение высокоуглеродистого нефтяного кокса (С_тв 92%) в смесь обогащает ее по содержанию твердого углерода и позволяет получить оптимальные для процесса соотношения между оксидной и углеродной частями смеси.The introduction of high-carbon petroleum coke (C _tv 92%) into the mixture enriches it by the content of solid carbon and allows one to obtain optimal ratios for the process between the oxide and carbon parts of the mixture.

Использование смеси для производства кремния в брикетированном виде повышает эффективность взаимодействия оксида кремни с углеродом за счет более тесного контакта между ними. Кроме того, активность шихты увеличивается также за счет значительного содержания в ней высокореакционного восстановителя гидролизного лигнина. The use of a mixture for the production of silicon in briquetted form increases the efficiency of interaction of silicon oxide with carbon due to closer contact between them. In addition, the activity of the mixture also increases due to the significant content in it of a highly reactive reducing agent of hydrolytic lignin.

Получаемые под давлением 80-95 МПа брикеты имеют высокую прочность (до 20 МПа) и не требуют введения связующего. При более высоком давлении (более 95 МПа) существенно увеличивается плотность брикетов и уменьшается их пористость, что снижает скорость протекания восстановительных процессов при выплавке кремния. При более низком давлении (менее 80 МПа) падает пpочность брикетов. The briquettes obtained under pressure of 80-95 MPa have high strength (up to 20 MPa) and do not require the introduction of a binder. At a higher pressure (more than 95 MPa), the density of briquettes increases significantly and their porosity decreases, which reduces the rate of recovery processes during silicon smelting. At a lower pressure (less than 80 MPa), the briquette strength decreases.

Применение мелкофракционного нефтяного кокса (менее 3 мм) способствует получению более прочного брикета и увеличивает поверхность взаимодействия нефтяного кокса с кварцевым песком. Гидролизный лигнин в исходном состоянии имеет влажность ≈65% Как показали исследования, качественные брикеты из предлагаемой смеси могут быть получены при влажности лигнина 12-15% поэтому лигнин необходимо предварительно обезвоживать. The use of small-fraction petroleum coke (less than 3 mm) contributes to a more durable briquette and increases the surface of the interaction of petroleum coke with quartz sand. Hydrolytic lignin in its initial state has a moisture content of ≈65%. Studies have shown that high-quality briquettes from the proposed mixture can be obtained with a lignin moisture content of 12-15%; therefore, lignin must be dehydrated beforehand.

Лигнин является отходом гидролизного производства. Его сравнительно низкая стоимость позволяет получить дешевый материал для производства технического кремния. Lignin is a waste of hydrolysis production. Its relatively low cost allows you to get cheap material for the production of technical silicon.

Предельные значения каждого компонента в предлагаемой смеси ограничиваются, с одной стороны, активностью смеси в процессе восстановления SiO₂, с другой стороны, механической прочностью брикетов, изготовляемых из смеси. Указанный состав смеси охватывает те массовые доли компонентов, при которых обеспечиваются и высокая активность смеси, и достаточная прочность брикетов. Брикетированная смесь должна удовлетворять следующим требованиям;
активность не менее 40 (в условных единицах), так как в противном случае активность смеси окажется на уровне активности кусковой шихты, применяемой в промышленности (38 ед. ), и исчезнут преимущества от использования предлагаемой смеси;
прочность не менее 10 МПа (согласно требованиям электротермических производств к окускованным материалам).The limit values of each component in the proposed mixture are limited, on the one hand, by the activity of the mixture during the reduction of SiO ₂ , and on the other hand, by the mechanical strength of the briquettes made from the mixture. The specified composition of the mixture covers those mass fractions of components at which both high activity of the mixture and sufficient strength of the briquettes are ensured. The briquetted mixture must meet the following requirements;
an activity of at least 40 (in arbitrary units), because otherwise the activity of the mixture will be at the level of activity of the bulk mixture used in industry (38 units), and the benefits of using the proposed mixture will disappear;
strength not less than 10 MPa (according to the requirements of electrothermal production for agglomerated materials).

Примеры конкретного выполнения предлагаемого изобретения приводятся в таблице. В примерах использованы данные, полученные экспериментально при изучении активности смесей различного состава и прочности изготовленных из них брикетов. Examples of specific performance of the invention are given in the table. In the examples, we used data obtained experimentally when studying the activity of mixtures of various compositions and the strength of briquettes made from them.

Активность смеси определялась по степени восстановления SiO₂ в результате нагревания смеси в течение 30 мин при 1700^оС, прочность брикетов по раздавливающему усилию при сжатии на испытательной машине.Activity of the mixture was determined by the degree of reduction of SiO ₂ by heating the mixture for 30 minutes at 1700 ^C, the strength of the briquettes at compression crushing load testing machine.

Определяющим компонентом в смеси является кварцевый песок. С увеличением содержания кварцевого песка возрастает активность смеси (до известных пределов), но одновременно снижается прочность брикетов. При массовой доле кварцевого песка более 50% прочность брикетов падает ниже минимально допустимой величины. Если содержание кварцевого песка до 50 мас. то активность смеси растет, так как приближаются к оптимуму соотношения между минеральной и углеродной частями шихты. При более высоком содержании кварцевого песка начинается обеднение шихты углеродом и эффективность восстановительных процессов снижается. The determining component in the mixture is quartz sand. With an increase in the content of quartz sand, the activity of the mixture increases (up to known limits), but at the same time the strength of the briquettes decreases. With a mass fraction of quartz sand of more than 50%, the strength of the briquettes falls below the minimum acceptable value. If the quartz sand content is up to 50 wt. then the activity of the mixture grows, as the ratio between the mineral and carbon parts of the mixture approaches the optimum. With a higher content of quartz sand, depletion of the charge with carbon begins and the efficiency of the recovery processes decreases.

При массовой доле кварцевого песка, равной 30% брикеты имеют высокую прочность, но значительно меньшую активность, так как содержат много нескомпенсированного углерода. With a mass fraction of quartz sand equal to 30%, briquettes have high strength, but significantly less activity, since they contain a lot of uncompensated carbon.

Массовая доля восстановителей в смеси и соотношение между ними зависят от количества в смеси кварцевого песка. The mass fraction of reducing agents in the mixture and the ratio between them depend on the amount of silica sand in the mixture.

По сравнению с используемой в промышленности кусковой шихтой, включающей дорогостоящий древесный уголь, применение брикетированной смеси позволит удешевить процесс выплавки кремния за счет снижения расхода технологической электроэнергии, обусловленного высокой активностью брикетов, и более низкой стоимости компонентов смеси. Compared to the lump mixture used in industry, including expensive charcoal, the use of briquetted mixture will reduce the cost of the silicon smelting process by reducing the consumption of technological electricity due to the high activity of the briquettes and the lower cost of the components of the mixture.

Claims

1. Briquetted mixture for the production of industrial silicon, including silica-containing raw materials, quartz sand and lignin, characterized in that it additionally contains petroleum coke in the following ratio of components, wt.

Quartz sand 30 50
Hydrolysis lignin 45 60
Petroleum Coke 5 10
2. A method of preparing a briquetted mixture for the production of industrial silicon, comprising mixing silica-containing raw materials of quartz sand and lignin, their briquetting, characterized in that petroleum coke is added to the mixture, which is pre-crushed to a particle size of 3 mm, the hydrolysis lignin is dehydrated to a moisture content of 12 15% and briquetting is carried out under a pressure of 80 95 MPa.