RU2038298C1

RU2038298C1 - Method for silicon production in electric arc furnace

Info

Publication number: RU2038298C1
Authority: RU
Inventors: В.Н. Дерягин; В.Т. Степанов; С.П. Слепокурова; В.Н. Павлов; И.С. Гринберг; Е.Н. Попов
Original assignee: Акционерное общество "Иркутский алюминиевый завод"
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: production of commercial pure silicon. SUBSTANCE: used heat-insulating quartz fill of cathode assembly of electrolyzer for production of aluminium from cryolite- alumina melt of fraction 20-50 mm is mixed with solid carbon-containing reducers and crushed quartzite. Produce charge is loaded into electric arc furnace for melting. EFFECT: higher efficiency.

Description

Предлагаемое изобретение относится к металлургии и, в частности к производству кремния технической чистоты. The present invention relates to metallurgy and, in particular, to the production of silicon of technical purity.

В настоящее время кремний получают в электродуговых печах путем восстановления кремнийсодержащего сырья углеродными восстановителями. В качестве восстановителей могут быть использованы древесный уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности, каменный уголь, нефтяной кокс или их смеси и т. д. а в качестве кремнийсодержащего сырья кварцит. Currently, silicon is obtained in electric arc furnaces by reducing silicon-containing raw materials with carbon reducing agents. As reducing agents, charcoal, wood processing industry waste, coal, petroleum coke or mixtures thereof, etc. can be used, and quartzite as a silicon-containing raw material.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором для расширения сырьевой базы и удешевления продукта в качестве кремнийсодержащего сырья используют кварцевую мелочь или кварцевый песок, смешиваемый с восстановителями и брикетируемый известным способом. Closest to the proposed is a method in which to expand the raw material base and reduce the cost of the product as silica-containing raw materials using quartz fines or quartz sand, mixed with reducing agents and briquetted in a known manner.

К недостаткам известной технологии относятся:
значительные трудно- и энергозатраты по подготовке шихтовых материалов;
привлечение дополнительного оборудования для производства брикетов.The disadvantages of the known technology include:
significant difficult and energy costs for the preparation of charge materials;
attraction of additional equipment for the production of briquettes.

Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение капитальных затрат при получении кремния. Поставленная цель достигается за счет того, что в способе получения кремния в электродуговой печи, включающем подачу в печь кремнийсодержащего сырья и восстановителя, в качестве кремнийсодержащего сырья дополнительно используют отработанную засыпку из крупнозернистого кварцита, извлеченную из катодного устройства алюминиевого электролизера после его эксплуатации. The present invention provides a reduction in capital costs in obtaining silicon. This goal is achieved due to the fact that in the method for producing silicon in an electric arc furnace, which includes feeding silicon-containing raw materials and a reducing agent to the furnace, spent filling from coarse-grained quartzite extracted from the cathode device of an aluminum electrolyzer after its operation is additionally used as silicon-containing raw materials.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Известно, что натрий является сильным восстановителем и может быть использован для восстановления металлов из их оксидов, например титана, циркония, тантала и т. д. В то же время известна технология получения алюминия электролизом криолитглиноземного расплава в электролизерах, катодные устройства которых выполнены из стального кожуха, выложенного теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом. Внутренние, соприкасающиеся с расплавом, поверхности катодного устройства футерованы углеграфитовыми материалами. Катодный процесс восстановления катионов алюминия сопровождается одновременным восстановлением катионов натрия. Натрий, растворяясь в катодном металле, диффундирует в углеграфитовую футеровку, что сопровождается возникновением механических деформаций в кристаллической решетке графита, и, проникая далее в теплоизолирующую футеровку, взаимодействует с ней. It is known that sodium is a strong reducing agent and can be used to reduce metals from their oxides, for example titanium, zirconium, tantalum, etc. At the same time, the technology for producing aluminum by electrolysis of cryolite-alumina melt in electrolyzers whose cathode devices are made of steel casing is known. lined with heat-insulating and refractory bricks. The internal surfaces of the cathode device in contact with the melt are lined with carbon-graphite materials. The cathodic process for the reduction of aluminum cations is accompanied by the simultaneous reduction of sodium cations. Sodium, dissolving in the cathode metal, diffuses into the carbon-graphite lining, which is accompanied by the occurrence of mechanical deformations in the crystal lattice of graphite, and, penetrating further into the insulating lining, interacts with it.

При использовании в качестве теплоизолирующей футеровки (засыпки) оксида кремния в виде крупнозернистого кварцита можно получать полупродукт, который включает в себя чистый кремний. Под крупнозернистым кварцитом понимается материал фракции от 5 до 20 мм, который засыпается в качестве теплоизолирующей футеровки на стадии монтажа катодного устройства. When used as a heat insulating lining (backfill) of silicon oxide in the form of coarse quartzite, it is possible to obtain an intermediate product that includes pure silicon. Coarse quartzite is understood to mean fraction material from 5 to 20 mm, which is filled up as a heat insulating lining at the stage of installation of the cathode device.

Металлический кремний образуется по реакции:
3SiO₂ + 4Na Si + 2Na₂SiO₃
Отработанная засыпка из крупнозернистого кварцита, извлеченная из катодного устройства алюминиевого электролизера после его эксплуатации, представляет собой монолит, который при извлечении разрушают.Silicon metal is formed by the reaction:
3SiO ₂ + 4Na Si + 2Na ₂ SiO ₃
The spent filling from coarse quartzite, extracted from the cathode device of the aluminum electrolyzer after its operation, is a monolith, which is destroyed during extraction.

Опытно-промышленные испытания были проведены на Иркутском алюминиевом заводе на алюминиевых электролизерах, при футеровке катодных устройств которых (под угольные блоки) вместо угольной подушки и огнеупорного кирпича загружали крупнозернистый кварцит в количестве 12 т. В процессе электролиза алюминия выделялся натрий, который, проникая через угольную подину, попадал в теплоизолирующую засыпку, выполненную из крурпнозернистого кварцита и, компенсируясь, взаимодействовал с ней. Pilot tests were carried out at the Irkutsk Aluminum Plant on aluminum electrolysis cells, during the lining of the cathode devices of which (under coal blocks) instead of a carbon cushion and refractory brick, coarse-grained quartzite was loaded in an amount of 12 tons. Sodium was released during the electrolysis of aluminum, which penetrated through coal he fell into a heat-insulating filling made of coarse-grained quartzite and, compensating, interacted with it.

Пробы кварцитовой засыпки после 1,7 лет эксплуатации электролизера, отобранные из катодного устpойства и подвергнутые рентгеноструктурному анализу, показали наличие кремния металлического до 20% силикатов натрия и кварцита в зоне температур 300-950^оС. Таким образом, при демонтаже футеровки после окончания электролиза отработанная засыпка из крупнозернистого кварцита с частично восстановленным до металлического кремния может быть направлена как часть сырья для выплавки кремния.Samples quartzite backfilling after 1.7 years of operation of the cell from the cathode to device selected and subjected to x-ray analysis showed the presence of silicon metal to 20% sodium silicate and quartzite 300-950 temperature zone ^C. Thus, when disassembling the lining after electrolysis closure Waste coarse-grained quartzite backfill with partially reduced to metallic silicon can be sent as part of the silicon smelting feedstock.

Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемый способ в качестве кремнийсодержащего сырья использует отработанную засыпку из крупнозернистого кварцита, извлеченную из катодного устройства алюминиевого электролизера после его эксплуатации. Comparative analysis shows that the proposed method uses spent filling from coarse-grained quartzite extracted from the cathode device of an aluminum electrolyzer after its operation as a silicon-containing raw material.

Использование предлагаемого изобретения позволяет:
снизить расход электроэнергии на выплавку 1 т кремния в среднем на 5-7%
снизить расход кварцита на 10-15% за счет использования отработанной засыпки, которую раньше сбрасывали в отвал;
снизить расход восстановителя на 3-5%
Пример осуществления способа (расчет выполнен на одну навеску шихты для получения 1 т кремния). Дробленую до фракции 20-300 мм отработанную подсыпку складируют на складе кварцита, затем грейфером подают на линию подготовки кварцита, где ее додрабливают до фракции 20-70 мм и затем подают в печной бункер. При дозировании шихты для подачи в руднотермическую печь часть кварцита и восстановителей заменяют отработанной подсыпкой, содержащей 70-80% окиси кремния и 20-30% кремния. Подача подсыпки ведется по существующей линии дозировки. Например, средняя навеска шихты взята при работе руднотермических печей Иркутского алюминиевого завода за 10 месяцев 1990 г. Содержание кварцита 4,45 т, древесного угля 0,63 т, нефтяного кокса 0,36 т, древесины 1,1, каменного угля 1,25. Расход технологической электроэнергии составил 19,39 тыс.квт./ч. При использовании отработанной подсыпки в количестве 10% от количества подаваемого кварцита навеска шихты на 1 т кремния составляет: отработанной подсыпки 0,450; кварцита 3,6; древесного угля 0,55; нефтяного кокса 0,35; древесины 1,1; каменного угля 1,2. При этом использование отработанной подсыпки позволило сэкономить до 15% кварцита, до 5% восстановителя. Кроме того, наличие кремния и активного кварцита в отработанной подсыпке позволило снизить расход технологической электроэнергии до 7%Using the invention allows:
reduce energy consumption for the smelting of 1 ton of silicon by an average of 5-7%
reduce quartzite consumption by 10-15% due to the use of spent filling, which was previously dumped into the dump;
reduce consumption of reducing agent by 3-5%
An example of the method (the calculation was performed on one portion of the charge to obtain 1 ton of silicon). The spent bed crushed to a fraction of 20-300 mm is stored in a quartzite warehouse, then it is fed with a grab to the quartzite preparation line, where it is finished to a fraction of 20-70 mm and then fed to the furnace bunker. When dosing the charge for feeding into the ore-thermal furnace, part of the quartzite and reducing agents are replaced with spent bedding containing 70-80% silicon oxide and 20-30% silicon. The filing is carried out on the existing dosing line. For example, the average charge of the charge was taken during the operation of ore-thermal furnaces of the Irkutsk Aluminum Plant for 10 months of 1990. The content of quartzite is 4.45 tons, charcoal 0.63 tons, petroleum coke 0.36 tons, wood 1.1, coal 1.25 . Technological electricity consumption amounted to 19.39 thousand kW / h. When using spent bedding in the amount of 10% of the amount of quartzite supplied, the charge of the charge per 1 ton of silicon is: spent bedding of 0.450; quartzite 3.6; charcoal 0.55; petroleum coke 0.35; timber 1.1; coal 1.2. At the same time, the use of spent backfill saved up to 15% of quartzite, up to 5% of reducing agent. In addition, the presence of silicon and active quartzite in the spent bedding made it possible to reduce the consumption of technological electricity by up to 7%

Claims

METHOD FOR PRODUCING SILICON IN AN ELECTRIC ARC FURNACE, comprising the reduction of crushed silica-containing material with carbon-containing material, characterized in that, in order to reduce the cost of the product, a mixture of quartzite with spent heat-insulating quartzite-crys- talline-filled aluminum-cesium grinder 20 is used as a silica-containing material mm