SE415558B - Forfarande for framstellning av kisel eller fenokisel - Google Patents

Description

7306524-o arna. Ugnsprocessen är dessutom svår att styra och uppbyggnad av kiselkarbid i ugnen och avgång av oreagerad kiselmonoxid kan inte helt förhindras, vilket medför högst 80 till 90-procentigt utnyttjande av råvaror och energi. Renheten hos produkten är inte särskilt god och dessutom varierande och starkt beroende av de använda råvarorna. 7 ' Hittills gjorda försök att komma till rätta med dessa problem har inte varit framgångsrika. Ändringar i processvaria- blerna, såsom chargeríngshastigheter, effekttillförsel eller förhållande mellan satsad kol och kvarts, har icke mer än mar- ginellt kunnat påverka ugnsgång och utbyte." ' _ ' Genom de svenska patentskrifterna 220 338 och 363 084 är känt att framställa särskilt utformat chargeringsgods för att denna väg söka påverka ugnsprocessen. Metoderna har givit en i viss förbättring av ugnsgången men endast kunnat marginellt på- verka utbytet. g Genom den svenska patentskriften 382 OU2 är även känt att' chargera kol och kvarts separat till ugnen och hålla dem åtskil- daii olika delar av ugnen. Härigenom kan behovet av omrörning i ugnen minskas medan även i detta fall processens effektivitet och de därmed sammanhängande problemen endast i ringa grad kun- nat påverkas.

Till följd av svårigheterna att väsentligt ßörbättra den konventionella processen har även försök gjorts att finna.nya framställningsvägar för kisel. Dessa innefattar försök med nya reduktionsmedel såsom väte och metaller eller processer över kislets halogenföreningar men dessa metoder har ännu inte lett till kommersiellt förverkligande och med hänsyn till de stora kapital som redan är bundna i anläggningar för tillverkning av . kisel på konventionellt sätt föreligger ett behov av att för- bättra i första hand denna prat-ass. I c Föreliggande uppfinning baserar sig på en analys av reak- tionsmönstret i en kiselreduktionsugn, varigenom nya medel för påverkan av ugnsprocessen framkommit.

Reaktionen i en kiselreduktionsugn baserar sig på följan- de bruttoreaktionsformel: 7 * I. :_5102 + 20 .--> si +'2co Den verkliga reaktionen sker emellertid'över en rad mellanpro-_ dukber och i reaktorn: gasfas föreligger i ícke'försumbara 11806524-o 3 Z mängder åtminstone SiO, CO, C02, C, C2, G5, Cu, C5, O, 02, Si, Sig, Siš, SiO2, Si2C, C281, N, NO och N2. I kondenserad fas fö- religger i icke försumbara mängder åtminstone Si(l), C(S), Si°2('1)= Síozwristobalitv Síozufwarus) °°h 'sic(s)' AV mel' lanprodukterna är kiselmonoxid, SiO, och kiselkarbid, SiC, de viktigaste eftersom dessa produceras som biprodukter i ugnen, varvid SiO avgår i gasfus vid ugnstoppon medan S10 ackumulernn i ugnen och avlägsnas vid periodiska stopp av ugnen. Bland an- nat följande reaktioner leder till bildning av kiselmonoxid i reaktorn: II. SiO2 + C --+ SiO + CO III. 2SíO2 + SíC-àBSiO + CO Kiselkarbid bildas genom bland annat följande reaktioner: IV. Si + C--+SiC v. sio + 2 c-->sfi.c +' co VI. 2 SiO + C--+SiC + SíO2 Dessa mellanprodukter är nödvändiga för att erhålla slutproduk-n ten elementärt kisel. Visserligen kan kisel bildas direkt ur kol och kvarts men detta fordrar mycket höga temperaturer och ger ringa utbyten. I vanliga ugnar bildas kislet huvudsakligen genom följande reaktioner: VII. SiO2 + SiC--àSi + SiO + CO VIII. SiC + SiO--->2 Si + CO varvid en del av monoxiden som reagerar enligt reaktion VIII kan bildas enligt reaktion II om kol finns närvarande. Av reak- tionssambanden II, III, VII och VIII framgår att kisel bildas genom reaktion mellan karbid, eventuellt också kol, och kisel- oxlder men att proportionerna mellan produkterna kisel, kisel- monoxid och kolmonoxid kan variera på grundval av reaktíonernas inbördes dominans. Om kol inte finns närvarande i reaktionszo- _ nen kan summareaktionen därför skrivas: IX. Si02 + x SiC-a (2x-l) Si + (2-x) SiO + x CO där x kan teoretiskt variera mellan 0,5 och 2. Den karbid som förbrukas i denna reaktion måste återbildas i reaktorn. Detta sker i högre belägna, svarare, delar av ugnen i huvudsak genom reaktionerna V och VI ovan eftersom kisel och kol inte kommer. i kontakt med varandra i en teknisk kiselugn i sådan omfattning att reaktion IV nämnvärt bidrager till karbidbildningen. Detta innebär att åtminstone en mol kiselmonoxid per mol kisel motsva- iivaossza-o rande ett X-värde av högst l, måste bildas vid reaktionen mel- lan kvarts och kiselkarbid och senare omsättas till karbid för att inte karbidinnehållet i ugnen skall minska. Det är för öv- rigt i praktiken svårt att åstadkomma X-värden överstigande l i en kiselugn. Om x är mindre än l, vilket således är det nor- mala, kan man teoretiskt driva ugnen pånnågra alternativa sätt.

Om all bildad kiselmonoxid omsättes till karbid enligt formel V, till exempel genom satsning av en stor mängd kol per satsad mängd kvarts, erhålles en nettoproduktion av karbid i ugnen motsvarande (l-x). Detta är ingen tillfredsställande lösning eftersom detta fordrar regelbundna stopp av ugnen och urgräv- ning av innehållet. Om man i stället satsar en mindre mängd kol än den stökiometriskt nödvändiga kan en nettoproduktion av kar- bid undertryckas genom att i huvudsak inte mer än en mol monoxid omsättes till karbid men man får i stället en avgång av oreage- rad kiselmonoxid från ugnstoppen eller en omsättning av monoxi- den i ugnen till kiseldioxid enligt formel VI ovan. Även dessa alternativ är problemfyllda. Kiselmonoxid som lämnar ugnen rea- gerar till kiseldioxid och bildar ett finfördelat damm som in- _ nebär miljöpåkänningar förutom en materialförlust om det får fritt avgå från ugnen till omgivningen. Avskiljning av stoftet kan ske men endast med svårighet på grund av dess finfördelade natur.Försök har gjorts att återföra sådant stoft till ugnen varigenom materialförlusten elimineras. Återföringen medför dock f en icke önskvärd påverkan på ugnsgången och processens energie- konomi, som är.den kostnadsmässigt tyngsta delen, förbättras dessutom inte, eftersom den energi som åtgår för att reducera kvartsen till monoxid inte återvinnes och denna energi är näs- tan lika stor som för totalreduktionen av kvarts till elemen- tärt kisel. Om överskottet av kiselmonoxid direkt kvarhålles i ugnen genom reaktion VI ovan, till exempel genom kylning av ugnstoppen minskar energiförlusten men utfällníngen av kisel- dioxid i chargen vållar i stället de välkända problemen med sammanklibbning av chargen, vilket leder till minskad reaktions- hastighet för kolet, blås- och bryggbildning i chargen, elek- trodbrott, stort bearbetningsbehov av chargen och krav på öppna ugnar. De nu skisserade alternativa driftssätten för kiselugnar är endast teoretiska genom att i verkliga ugnar kiselmonoxoden reagerar enligt alla reaktionsvägarna, dvs. karbid uppbygges, 78965211-0 kiselmonoxid avgår till omgivningen och kvartsutfällning sker i chargen. I stället för att följa den ideala bruttoreaktions- formeln I ovan sker därför i stället reaktionen enligt den all- männare formeln: X. S102 + nC--aa Si + b SiO + c SiC + (n ~ 0) CO där a alltid är mindre än l och b och c större än 0. För att i görligaste mån undvika karbiduppbyggnad i ugnen satsas i regel ett underskott av kol i förhållande till kvartsmängden, ungefär motsvarande ett värde på n av 1,8.

Samtliga de ovannämnda problemen skulle kunna påverkas i . gynnsam riktning om ugnsprocessen kunde drivas så att dels vid kiselbildningen endast en molkiselmonoxid bildas per mol för- brukad kiselkarbid och dels denna kiselmonoxid kunde fullständigt omsättas till kiselkarbid. Detta kan sägas motsvara en ideal ugnsprocess.

Förhållandet mellan bildade produkter i kiselbildnings- reaktionen IX är beroende av temperaturen och en större mängd kisel respektive mindre mängd kiselmonoxid, dvs ett högre värde på x, kan erhållas genom en höjning av reaktionstemperaturen.

Om kol finns närvarande i reaktionszonen skall mindre än en mol kolmonoxid bildas per mol bildad kisel men även i detta fall påverkas reaktionen i rätt riktning av en temperaturhöjning.

För att få en fullständig omsättning av den från kisel- bíldningszonen avgående kiselmonoxiden till karbid enligt reaktion V fordras att alternativa reaktionsvägar för kiselmonoxiden, främst reaktion VI; undertryckes. Eftersom reaktion VI är starkt exoterm, missgynnas denna reaktion av en temperaturhöjníng och således skulle en temperaturhöjning även här kunna åstadkomma en fullf ständigare karbidbildning. Eftersom kiselmonoxiden omsättes enligt reaktion V huvudsakligen i högre liggande och svalare delar av ugnen kommer möjligheterna att påverka dess omsättningstemperatur att vara beroende av hela energibalansen i reaktorn, framför allt förhållandet mellan energiinnehållet i de uppåtstigande gaserna och värmekapaciteten hos chargematerialet samt reaktionshastig- heten mellan gasfas och fastfas. “ Studier har emellertid visat, att om reaktionstemperaturen för kiselomsättningen kan höjas till ett sådant värde att i huvudsak lika mycket kiselmonoxid bildas, som förbrukad karbid så kommer o vaoßsza-e I i 6 också värmebalansen i ugnen att bli sådan att kiseldioxidbildning enligt reaktion VI väsentligt minskas till förmån för bildning av kiselkarbid ur kiselmonoxiden. Detta gäller även då en viss mängd kol finns närvarande i den hetare delen av reaktorn så att även reaktion II deltar.

Det är således angeläget att kunna påverka reaktionstempe- raturen i ugnen så att denna kan höjas i förhållande till tempe- raturen i dagens ugnar. En väsentlig temperaturhöjning är emeller- tid svår att åstadkomma i praktiken. Kiselbildningsreaktionerna VII och VIII är starkt endoterma och reaktionshastigheterna stiger därför mycket kraftigt även vid små höjningar av temperaturen, varigenom stora energimängder konsumeras och temperaturen tenderar att återgå till ett lägre värde. Då reaktionshastigheten ökar utan en väsentlig temperaturhöjning, produceras endast mer produkter av i huvudsak samma jämviktssammansättning, vilket i en vanlig ugn innebär en ökad produktion av kiselmonoxid som avgår från ugns-g toppen. Denna buffrande verkan på temperaturen av den endoterma kiselbildningsreaktionen är så kraftig att en ökad energitillförsel i en vanlig ugn inte kan användas för att väsentligt höja tempera- turen. Samma sak gäller de i de tidigare nämnda svenska patent- skrifterna föreslagna åtgärderna att modifiera chargestyckena och att separera kol och kvarts i ugnen. Jämfört med den ökning i reaktionshastighet som åstadkommes av även små temperaturhöjningar blir materialtransporten över råmaterialkornens volym eller mellan olika delar av ugnen vid reaktionszonen av så underordnad betydelse att effekten på ugnsprocessen blir ringa.

Föreliggande uppfinning baserar sig på ovannämnda resultat och överväganden' och-innebär ett nytt sätt att driva termisk-a kiselreduktionsugnar.

Enligt uppfinningen göres förhållandet mellan den till ugnen förda värmeenergimängden och kiseloxidmängden inbördes reglerbart, och inställes så att den från ugnen avgående gasen har en halt av kiselmonoxid understigande 10 molprocent. g Genom detta framställningsförfarande närmar man sig den ideala ugnsprocess som ovan antytts. Åtgärderna innebär att reaktions- 1 temperaturen i ugnen höjes så att en mindre mängd kiselmonoxid bildas per mol bildat kisel och att monoxiden bättre omsätta i ugnen till karbid. Härigenom kan :mängden kol per :zatead kisel- råvara höjas utan risk för karbiduppbyggnad, vilket dels innebär '?806S2lr-O 7 f ' färre nödvändiga driftsstopp och bättre utnyttjande av råvaror.

Avrykningsförlusterna minskar också varigenom energiutbytet kraf- tigt förbättras samtidigt som miljöpåkänningarna eller avskilj- ~ningsproblemen minskar. Den förbättrade omsättningen av kisel- monoxid till karbid innebär mindre utfällning av kvarts i ugns- toppen, vilket minskar bryggbildning i chargen, minskar antalet elektrodbrott, minskar behovet av bearbetning av chargen, möjlig- gör slutning av ugnen vilket är lämpligt för återvinning av energi- innehållet i avgående kolmonoxidgas, minskning av miljöpåverkan och reglering av lufttillförseln, samt innebär en allmänt jämnare ugnsgång med förbättrade styrmöjligheter.

Ytterligare fördelar och effekter med uppfinningen framgår av den detaljerade beskrivningen av uppfinningen nedan samt av figurbilagorna.

I_dessa visar fig 1 ett samband mellan energitillförsel och kiselutbyte för en konventionellt uppbyggd ugn med chargering av komponenterna i toppen för två olika satsningsförhållanden mellan kol till kiseldioxid i chargen. Fig 2 visar ett liknande samband för en ren bottensatsning av kiseldioxid samt temperaturförhållan- dena vid olika nivåer. Fig 3 visar en föredragen form av botten- satsning av endast kiselråvara medan fig 4 visar en föredragen form av bottensatsning av både kiselråvara och reduktionsmedel. iMed en ugn skall i föreliggande sammanhang förstås en reak- tionszon innefattande en hetare energitillförselzon och en svalare efterreaktionszon. Till energitillförselzonen föres åtminstone huvuddelen, företrädesvis hela, den för reduktion av kiselråvaran med reduktionsmedlet till kísel erforderlig energimängden samt kondenserade faser från efterreaktionszonen. Från energitillför- selzonen föres kiselprodukten och en gasfas som ledes till efter- reaktionszonen. Till efterreaktionszonen föres utöver gasfasen från energitillförselzonen reduktionsmedel. Från efterreaktionszonen ledes en gasfasprodukt förutom de kondenserade faser som ledes till energitillförselzonen. Kiselråvaran kan i kondenserad form tillföras vilken som helst av delzonerna men i gasform endast energitillför- selzonen. I en reaktionszon av detta slag kommer kiselbildningen att väsentligen äga rum i energitillförselzonen medan kiselkarbid- bildningen väsentligen kommer att ske i efterreaktionszonen. I en vanlig ugn motsvaras energitillförselzonen av området i botten av ?søes24-o ugnen närmast kring elektrodspetsarna medan efterreaktionszonen motsvaras av högre liggande delarna av ugnen. Någon exakt definie- rad eller lokaliserad gräns mellan zonerna finns inte utan det gväsentliga är att det förekommer en temperaturgradient i rekations- zonen.

Vilka som helst kiseloxidinnehållande ämnen kan i princip användas som kiselråvara. Rena kiseloxider föredrags i allmänhet' eftersom dessa inte tillför processen andra ämnen än kisel och* syre. Särskilt lämpliga är fasta kiseldioxider och då särskilt kvarts eftersom dessa kan erhållas i relativt ren form. Kiselmonoxid kan också användas i reaktorn men utgör i så fall normalt endast en mellanprodukt i processen. Små mängder naturligt förekommande silikater och aluminiumoxider t ex kan accepteras tillsammans med kiseldioxiden utan att renheten på den slutliga kiselprodukten all- varligt nedsättes. Större mängder katjoninnehâllande silikater och oxider kan accepteras endast om renhetskraven ej är höga. Vid fram- ställning av ferrokisel tillföres även järn eller järnoxid i önskat molförhållande med avseende på slutprodukten. Sådan järncharge kan tillföras tillsammans med kiselråvaran, genom separat satsning eller tillsammans med reduktionsmedlet till efterreaktionszonen. Det senare föredrages. Givetvis kan mindre mängder andra råvaror tillföras om andra legeringsämnen i slutprodukten önskas. Detaljerna i den nedan beskrivna processen avser i första hand framställning av i huvudsak ren kisel ur kiseldioxid för vilket processen är särskilt lämplig.

Som reduktionsmedel föredrages kolhaltiga ämnen, t ex orga- niska ämnen såsom träflis eller eventuellt tillgänglig kiselkarbid men helst höghaltiga kolmaterial såsom koks, stenkol eller träkol och företrädesvis tämligen rena sådana. _ Ett viktigt kännetecken enligt uppfinningen är att energi- tillförseln per satsad mol kiseldioxid väljes som styrparameter och inställes så att gaserna i vugnstoppen får en viss sammansättning. Även om, i enlighet med vad som ovan diskuterats, temperaturen i reaktionszonen är en viktig processparameter är det svårt att styra ugnen med ledning av denna§'eftersom den dels är svår att mäta dels varierar genom ugnen och även något varierar lokalt i reaktions- zonen. Inte heller den kemiska sammansättningen av reaktionskompo- e nenterna i_reaktionszonen är en lämplig styrvariabel för cellen 9 7306524-0 eftersom denna, även om den lätt kunde fastställas, kan variera kraftigt och dessutom kan befinna sig långt från teoretisk kemisk jämviktssammansättning trots att den kopplade kemiska och termiska jämvikten är mycket god. Detta sammanhänger återigen med den starkt endoterma kíselbildningsreaktionen som medför att även små tempe- raturvariationer snabbt kan driva jämviktssammansättningen långt bort från den rådande sammansättningen trots att slutsammansätt~- ningen kan vara mycket stabil. En lämplig styrparameter har i stället visat sig vara energitlllförseln till ugnen per satsad mängd kiselråvara. Denna parameter är lätt att fastställa, är oberoende av lokala systematiska och tillfälliga variationer i fråga om energi och sammansättning i reaktorn och inställning av ett lämp- ligt värde på detta förhållande ger ett resultat som är i hög grad oberoende av chargeringssätt och eventuella överskott av kol i chargen. Som ett mått på ugnsgången enligt ovan givna kriterier lämpar sig särskilt halten kiselmonoxid i gasen vid ugnstoppen eftersom denna halt vid ugnstoppen är tillfredsställande stabili- ' serad och tämligen oberoende av chargehöjd, kolöverskott och mindre temperaturvariationer vid toppen.

På grund av jämviktsvillkor för gasfassammansättningen relae tivt fastfasen i en reaktionszon av ovan angiven typ kommer alltid en viss mängd kiselmonoxid att vara närvarande i gasfasen vid dennas utträde ur reaktionszonen. Halten ligger för vanliga kisel- ugnar normalt klart över lO molprocent. Enligt föreliggande upp- finning erhålles genom en riktigare energibalans i.neärtorn ett kíselmonoxidinnehåll understigande 10 molprocent. Ett sådant värde ger en klar förbättring i förhållande till kända ugnar i de ovan diskuterade avseendena. Företrädesvis hålles halten under 5 mol- procent då vid ungefär denna gräns bl a kiseldioxidutfällningspro- blemen i ugnens överdel bortfaller, vilket är en betydande fördel gentemot gängse ugnar enligt vad som ovan diskuterats. Ur utbytes- synpunkt hålles helst halten även under 1,5 molprocent. Den lägsta möjliga halt som kan erhållas med bästa inställning pâensrgitill- förselförhållandet beror huvudsakligen på temperaturen vid ugns- toppen, vilken i sin tur beror på ugnshöjden, chargesammansättning och eventuella kylåtgärder. Svalare avgaser ger lägre halt av kisel- monoxid men även risk för utfällning av kiseloxid i chargen. Om 78G6S2la-0 LO kiseldioxidutfällning kan accepteras kan således kiselmonoxid- halten i avgående gaser göras mycket låg, genom kylande åtgärder, t ex indirekt kylning eller direkt kylning med vattenbegjutning eller tillförsel av pyrolyserbara ämnen såsom träflis. Med kiselmonoxídhalt i föreliggande sammanhang skall emellertid för- stås den halt som är opåverkad av eventuella extra kyl- eller oxidationsåtgärder som vidtages för att kvarhålla kiselmonoxiden_ i form av kiseldioxid och kiselkarbid i reaktorns topp. Eftersom kiseldioxid utfälles vid temperaturer understigande 1750 till 1900°K avser således haltangivelserna sammansättningen hos gas som står i kontakt med reduktionsmedel överstigande dessa gräns- temperaturer för utfällningen. Endast sådana delar räknas till ugnens reaktionszon. Under dessa förutsättningar blir den lägsta praktiska halten tämligen oberoende av ugnshöjd och chargesamman- sättning och ligger för praktiska reaktorer lämpligen över 0,05 molprocent och helst över 0,1 molprocent. För låga värden leder 'till låg topptemperatur och känslig drift. Haltangivelserna avser värden vid steady state hos ugnen och om större variationer i ugns- gången förekommer avser värdena tidsgenomsnitt.

Den energimängd per mol satsad kiseldíoxidmängd som skall tillföras reaktionszonen beror förutom den teoretiskt erforderliga >för reaktionen oeh upprätthållandet av energibalansen i reaktions- zonen även av förluster från reaktionszonen till omgivningen och av eventuella fukt 'eller andra energikonsumerande ämnen i råvarorna.

Sådana faktorer kan variera starkt vid olika processer varför gene- rella värden på energikonsumtion inte kan ges. Energivärdena blir något olika beroende på hur kiselrâvaran satsas. Vid chargering av hela mängden till efterreaktionszonen erhålles ett samband mellan energitillförsel och utbyte enligt figur l. Av figuren framgår att energin bör vara över 875 kJ per molkiseldioxid och företrädesvis också över 878 kJ. Vid ca880 kJ föreligger kol nu djupt ned i ugnen och en kraftig temperaturstegring måste till' för att hålla kiselmonoxidproduktionen nere. För att undvika skador på ugn och tappningsutrustning till följd av temperatur- stegringen bör energitillförseln läggas under detta värde. Dagens ugnar ligger normalt inte över 870 kJ. Om all kiselråvara till- föres energitillförselzonen blir den erforderliga energitill- förseln något högre, huvudsakligen på grund av högre temperatur _ På från reaktionszonen avgående gaser. Energitillförseln framgår =7aø§s;4-o ll av fig 2. Företrädesvis ligger den över 900, helst över 910 kJ per mol kiseldioxid. Eftersom även här en stark temperaturstegring ' erhålles vid större energitillförsel än ca 915 kJ och dessutom kiselutbytet är bäst här, bör denna energi inte överskridas utan helst bör energitillförseln läggas strax under detta värde. Om halva mängden kol satsas tillsammans med kiseldioxiden i energi- tillförselzonen blir partialtrycket av kíselmonoxid lägre och den erforderliga energin stiger till lägst 920 kJ, helst lägst QÄO kJ och lämpligen högst 980, helst högst 960 kJ per mol kisel- dioxid. Då kíselråvaran satsas delvis till efterreaktionszonen och delvis till energitillförselzonen kommer energibehovet att ligga mellan de ovan rekommenderade värdena. Även om de angivna energivärdena som ovan sagts endast är teoretiska genom att mot- svara förlustfri drift av ugnen, kommer det principiella beteendet hos ugnen att motsvara det beskrivna vid ändringar i energi- tillförselförhållandet och den teoretiska energikonsumtionen kan avgöras från ugnens beteende. Vid ändringar i energitillförseln får man räkna med en avsevärd dödtid innan hela ugnen uppnått ett nytt jämviktsläge.

Förhållandet mellan satsad mängd kol och satsad mängd kisel- dioxid uttryckt i moler är viktig för att erhålla en låg utgående halt av kiselmonoxid. Som nämnts ligger detta värde_normalt inte .över 1,8 men kan enligt uppfinningen ligga omkring 2. Företrädesvis ligger den vid toppmatning mellan 1,95 och 2. Vid bottenmatning blir konsumtionen av reduktionsmedel inte direkt styrbart utan en konsekvens av ugnsdriften. Vid beräkning av kolsatsningen skall 'medräknas den kolmängd som tillföres genom konsumtion av kol~ elektroderna, normalt ca 10 ß av hela kolmängden.

Chargemateríalmängden i reaktíonszonen bör vara tillräckligt stor för att en ytterligare ökning av höjden på chargen inte nämnvärt skall påverka toppgasernas sammansättning. Lämplig höjd enligt uppfinningen är ungefär densamma som för tidigare ugnar. 2 Trycket i reaktionszonen kan vara över atmosfärstryck, vilket ökar reaktionshastigheterna och effektiviserar processen men de praktiska svårigheterna är av den arten att reaktione1företrädes- vis utföres vid atmosfärstryck.

Inertgas kan tillföras reaktionszonen, främst energitillför- selzonen, exvis för chargeringen eller för förbättrad kontroll av processen. Inertgas minskar dock processens effektivitet och vsoeszk-Q 12 energiekonomi genom att de ovan angivna energivårdena ökar och stora mängder bör därför inte tillföras. Lämpligen utgöres even- tuell inertgas av kolmonoxid, företrädesvis hämtad från processen själv.

I Uppfinningen kan utövas så, att till reaktíonszonen föres koinaitigt material och xiseloxia i så nära stökiometrisxt för- hållande som karbiduppbyggnaden i reaktíonszonen medger, samt föres energi, varvid förhållandet mellan tillförd energi och tillförd kiseloxid på exvis nedan diskuterat sätt gjorts åtmine stone så styrbart, att en avgående gas med ovan angiven halt av kiselmonoxid kan inställas då förhållandet höjes till dess lägsta värde på den avgående halten kiselmonoxid erhålles. Lämpligen göres förhållandet mellan tillförd energi och kiseloxid tillräckligt styrbart för att medge en höjning av förhållandet till dess en temperaturstegring enligt ovan uppträder, varvid förhållandet under drift inställes under detta värde. Reglering av förhållandet 'kan ske antingen genom att energitíllförsel eller kiseloxidtille försel varieras medan den andra variabeln hålls konstant eller genom variation av båda variablerna. I Enligt_vad som ovan sagts erfordras för-en tillfredsställande energitillförsel en förbättrad reglerbarhet mellan energitillför- ' sel och kiseldioxidtillförsel jämfört med dagens ugnar, i vilka materialet av kol och kvarts helt enkelt faller ner i de hetare delarna allteftersom materialet där förbrukas. Genom att i en sådan konventionell ugn tillföra ett kvartsmaterial som långsammare smäl- .'ter och sönderdelas kan energitillförseln påverkas gynnsamt. Som 'ovan nämnts är det emellertid svårt att åstadkomma väsentliga för- bättringar på detta sätt. Ett annat sätt att utnyttja konventionella ugnar för ändamålet enligt uppfinningen är att chargera mera långsam- reagerande kiselråvara, toex genom tillförsel av Al, Ca eller Fe i chargen, vilket dock förorenar slutprodukten. Det är således svårt att i en vanlig ugn påverka energiregleringen gynnsamt.

Det föredrages därför attflödet av åtminstone någon del av kiseldioxíden till energitillförselzonen göres oberoende av energi- tillförseln till zonen och tillföres zonen kontrollerat. Ett sätt att göra detta med bibehållen chargering i toppen av hela rå? materialflödet är att dela reaktionszonen mellan energítillförsel~ zonen och efterreaktionszonen och göra förbindningen sådan, att 7806524-0 flödet av kondenserade faser från efterreaktionszonen till energi- tillförselzonen kan regleras, företrädesvis med en mekaniskt styrbar förbindning. Praktiskt kan detta utföras genom att i en ugn insatta en skiljevägg mellan de hetare bottendelarna och de svalare toppdelarna av ugnen, vilken skiljevägg är så utformad att flödet genom densamma av åtminstone de kondenserade faserna men helst också gasflödet kan styras utifrån ugnen, t ex som en I botten med en reglerbar öppning mot botten av ugnen. Samma ändamål kan uppnås genom att utföra ugnen i form av minst två separata delar, varvid de kondenserade faserna transporteras till energi- tillförselzonen med en mekanisk transportanordning, företrädesvis en sluss mellan två över varandra belägna ugnar. Härvid kan gas- transporten ske genom en annan eller företrädesvis samma förbindelse.

Det föredrages emellertid att åtminstone en del av den kisel- råvara som skall tillföras ugnen inte satsas till efterreaktions- zonen utan till energitillförselzonen, eventuellt via en transport- sträcka genom efterreaktionszonen för värmeväxling utan kontakt med materialet där. Direkt satsning i energitillförselzonen inne- bär förbättrade styrmöjligheter på ett relativt enkelt sätt. In- grepp i fastmaterialtransporten i ugnens heta delar behöver inte ske och tillförseln av kiselrävaran kan dessutom göras oberoende av reduktionsmedelstillsatsen förutom av energitillförseln. Genom bottensatsningen minskar också materialmängden i efterreaktions- zonen och därmed värmekapaciteten. Detta medför att temperaturen blir högre och risken för utfällning av kiseldioxid mindre, även om kiselmonoxidhalten i gasfasen ökar; Graden av bottensatsníng kan således användas som ett medel att inbördes balansera dessa fak- torer, och kan exvis väljas så att lägsta kiselmonoxidhalt erhålles utan risk för utfällningarv Praktiska och reglermässiga hänsyn måste emellertid också tas.

För att få en effektiv styrning bör minst 33 procent av ki- selråvaran satsas direkt till energitillförselzonen men företrä- desvis satsas minst 70 procent och helst hela kiselrâvarumängden på detta sätt. En del av reduktionsmedelstillsatsen kan också satsas i energitillförselzonen men denna mängd bör då inte överstiga vad som stökiometriskt erfordras för omsättning av kiseldioxid till kíselmonoxid, dvs ungefär hälften av reduktionsmedelsmängden, _ medan resten tíllföres efterreaktionszonen. Vid satsning av en del 780652443 lä av reduktionsmedlet till energitillförselzonen bör tillses att reduktionsmedlet inte införes på sådant sätt att det direkt kommer i kontakt med flytande elementärt kísel, eftersom det då bildar karbid med detta enligt reaktion IV, vilket minskar processens effektivitet. Material som satsas på vanligt sätt i efterreaktionszonen utgöres av normalt chargeringsmaterial.

För att erhålla den eftersträvade förbättringen av styr- möjligheterna måste tillförseln av kiselråvaran till energi- tíllförselzonen kunna styras jämnt och i huvudsak kontinuerligt.

Pulsad tillförsel eller tillförsel av större materialpaket eller stycken leder lätt till en häftig bildning av kiselmonoxid vilken motverkar upprätthållandet av rätt temperatur för bildning av riktiga proportioner mellan denna gas och elementärt kisel, som ovan diskuterats. Det kan också leda till en häftig ökning av temperaturen vilket kan skada delar av ugnen. För större partiklar, exvis mellan l och 100 mm eller särskilt mellan 10 och 50 mm till- föres därför materialet lämpligen med hjälp av någon mekanisk sluss, särskilt skruvar, för erhållande av jämn tillförsel. Jämnare till- försel erhålles om den del som tillföras i energitillförselzonen är gasformig, vätskeformig eller pulverformig. Av praktiska skäl fföredrages pulverformig råvara. För att få en jämn tillförsel av detta pulver föredrages att det inblåses med hjälp av en gasström, varvid således erfordras att pulvret är tillräckligt finfördelat för att bäras av gasströmmen. Med hänsyn till dessai faktorer samt smälthastigheten och därmed klibbningsrisken enligt nedan, bör partikelstorleken ligga mellan 0,05 mm och 10 mm och företrädesvis mellan 0,1 och l mm. Lämplig hjälpgas är kolmonoxid, som redan förekommer i reaktionszonen och vilken gas med fördel i kan avledas från avgående gaser från reaktionszonen. Eftersom stora mängder inertgas inte bör tillföras ugnen bör inte mer än 0,1 Nmš gas tillföras per kilo satsat pulver och helst inte mer än 0,02 Nmš. För undvikande av avsättningar bör mängden överstiga 0,001 Nmš och helstöverstiga 0,005 Nmš. För tillförsel enligt detta mönster fordras en transportkanal som mynnar i energitillförselzonen. Risk föreligger då att kiselråvaran av- sättes i kanalen på grund av delvis smältning och sammanbakning, varför det är lämpligt att åtgärder vidtages för att hålla kanalen fri från sådana avsättningar. Detta kan ske genom uppvärmning av hela kanalen till en temperatur över kiselråvarumaterialets smältpunkt, antingen genom uppvärmning av kanalen direkt eller 7806524-0 genom uppvärmning av gaserna i kanalen. Gasuppvärmning föredrages på grund av sin enkelhet. Även om det är möjligt att med kon- ventionella uppvärmningsmedel värma hela hjälpgasströmmen kon- tinuerligt till en lämplig temperatur för renhållning av till- förselkanalen, vilken uppvärmning i så fall lämpligen sker före tillsats av partikelmaterialet, föredrages att satsningen sker med en icke uppvärmdhjälpgasström medan rengöringen sker perio- ' diskt, företrädesvis med hjälp av en separat gasström, varvid gasströmmen upphettas till hög temperatur, företrädesvis med hjälp av en plasmabrännare. Fördelen med periodisk rengöring vid beh0v och hög temperatur hos gasströmmen är att mindre total mängd inertgasström behöver tillföras reaktionszonen, vilket minskar påverkan på processen. Den heta gasströmmen kan antingen ledas samma -väg genom tillförselkanalen som chargeríngsströmmen eller speciellt riktas mot de delar där avlagríngar tenderar att uppkomma. En sådan riktad stråle kan lättast åstadkommas om tillförselkanalen an- ordnas i form av ett hål genom ugnsväggen, som lämpligen mynnar i ugnen i höjd med elektrodspetsarna, varvid ett annat hål kan an- ordnas för gasströmmen som ledes genom plasmabrännaren och riktas så att den mynnar vid områden med stor upplagringsrisk. Hål genom ugnsväggen för tillförseln föredrages då de bättre motstår ugns- miljön och erbjuder mindre riskområden för avsättningar än andra alternativ främst sådana där tillförseln sker genom en kanal genom chargen. Om sådan tillförsel genom chargen ändå önskas, exvis ur förvärmningssynpunkt, föredrages satsning genom elektroderna framför andra alternativ såsom lansar eller avskiljande väggar i ugnen.

Plasmabrännare kan givetvis också med fördel användas då hjälpgas- strömmen själv upphettas i stället för en särskild gasström. Vid beräkning av den erforderliga energimängden som skall tillföras ' till energitillförselzonen skall givetvis hänsyn tas till energi som tillföres via plasmabrännaren eller eljest med råvaruflödena.

Som ovan nämnts kan reduktionsmedel satsas tillsammans med kiselråvaran vid direkttillförsel av denna i energitillförsel- zonen men behöver inte tillföras-på detta sätt. Om i huvudsak en- dast kiselråvaran tillföres energitillförselzonen direkt, sker lämpligen energitillförseln för reaktionen på en plats där den satsade kiselråvaran möter de kondenserade faserna men helst ej den vätskeformiga kiselfasen i energitillförselzonen eftersom den endoterma kiselbildníngsreaktionen sker först vid denna kontakt och en tillförsel av energi före denna punkt endast skulle leda 'Yåddšfla-Q l6 till en ökning av temperaturen på kiselråvaruströmmen på ett ofördelaktigt sätt. I kontaktzonen mellan strömmarna kan emellertid med fördel hela energin för kiselframställningen tillföras, företrädesvis med ljusbâgsuppvärmning, eventuellt med en mindre del av energin på annat sätt. Om således kisel- materialströmmen inte innehåller reduktionsmedel injiceras den lämpligen direkt i den heta delen av chargen i energitill- förselzonen vilket i en konventionell ugn motsvarar en tillförsel- kanal borrad i den nedre delen av ugnsväggen och mynnande direkt g i chargen innanför denna.

I fig 3 visas en kiselframställningsugn av detta slag där O kiseldioxid införes i ugnsbotten. I figuren betecknar position 1 ugnsväggen, position 2 ugnsbotten och position 3 en ljusbågs- elektrod. I ugnstoppen chargeras kol medan kiseldioxiden inblâses med hjälp av en inertgasström genom en borrning M i ugnsbotten.

Under driften av ugnen utbildas en övre zon 5 chargen väsentligen innehållande kol och en lägre zon 6 väsentligen innehållande kisel- karbid. Genom att energitillförseln via elektroden 5 och tillför- seln av kiseldioxid genom borrningen U kan ske helt oberoende av varandra kan ugnen drivas till önskad balans enligt uppfinningen.

Om inlcppet för bottensatsningen 7 sätter igen kan rensning ske med hjälp av plasmabrännaren 8 som är insatt i en annan borrning i ugnsväggen l och genom vilken inertgas kan ledas. K iOm med kiselrâvaran som satsas i energitillförselzonen även satsas reduktionsmedel, kan strömmen tillföras enligt ovan men andra möjligheter erbjuder sig också. I en ström, som innehåller r både kiselråvaran och reduktíonsmedel kan komponenterna inbördes reagera om temperaturen är tillräcklig, vilket innebär att om I energi tillföres denna ström innan den kommer i kontakt med de kondenserade faserna i energitillförselzonen, leder detta inte endast till en ogynnsam temperaturstegring utan vid en temperatur över ca l500°K bildar de satsade materialen kiselmonoxid och kol- monoxid. Denna produktgas innehållande kiselmonoxid kan sedan 7 ledas i kontakt med den övriga delen av energitillförselzonen á som innehåller kondenserade faser där kiselbildningsreaktionen äger rum vid en temperatur överstigande ca 1900°K och sedan i efterreaktionszonen kiselkarbidbildníngsreaktionerna enligt samma “mönster som tidigare beskrivits. Det utgör således en föredragen 780652lv0 17 utföringsform av uppfinningen att energitillförselzonen är upp~ delad i en väsentligen kisel- och kiselkarbidfri, första zon och en väsentligen kisel~ och kiselkarbidhaltig, andra zon, varvid kiselråvara tillsammans med reduktionsmedel satsas i den först- nämnda zonen och där tillföres energi varefter produktgasen ledes i kontakt med den andra zonen. Det föredrages att hela mängden kiselråvara satsas på detta sätt och vidare att reduktionsmedelse mängden som medsatsas är ungefär stökiometrisk för omsättning av kiselråvaran till kiselmonoxid. Hela den energi som erfordras för kiselframställningen kan tillföras i den första zonen medan ingen energi tillföras i den andra zonen, men det föredrages att endast den för omsättning av chargematerialen till kiselmonoxid erforderliga mängden energi tillföres i den första zonen av energitillförselzonen medan resten tillföres i den andra zonen.

Detta för att undvika alltför höga temperaturer på gaserna som ledes från den första till den andra zonen. Eftersom energi- I åtgången för bildning av kiselmonoxid som ovan sagts utgör den större delen av den totala energikonsumtionen, ca 822 kJ per mol kisel~ dioxid, bör åtminstone 80 procent av den totala energin tillföras i första zonen och helst mellan 85 och 95 procent. Denna energi tillföres lämpligen med ljusbåge på vanligt sätt medan resten av energin, ca 126 kJ per mol kiseldioxid, tillföras i den andra zonen av energitillförselzonen med enklare uppvärmningsmetoder, lämpligen motståndsuppvärmning. Genom att kiselråvaran reagerar på ett ställe och kiselbíldningen sker på ett annat ställe i energitillförsel- zonen kommer föroreningar och slagg från kiselråvaran inte att förorena kiselprodukten varigenom denna blir betydligt renare.

Vidare blir genom de delade reaktionerna styrmöjligheterna över processen mycket goda. Chargeringen underlättas också av att ingen fast charge är i vägen vid tillförselkanalen och frånvaron av charge möjliggör också att materialet kan tillåtas falla ned i den första zonen.

Figur Ä visar en ugnskonstruktion av detta slag som före- drages då både kiselråvara och reduktionsmedel satsas i botten.

Genom störtröret ll kan råmaterialen införas till den första delen av energitillförselzonen i reaktorn,, vilken inramats med streckade linjer i figuren och markeras med 12. Vid botten av denna del sker en omsättning av de tillförda materialen till 78Q652le~ß 18 till kolmonoxid och kíselmonoxid med hjälp av värme som till- föres med en ljusbåge utbildad mellan elektroden 13 och dgns- botten. Kvarvarande slagg uttages genom kanalen lü. Gaserna ledes till den andra delen l5_av energitíllförselzonen där de kommer 1 kontakt med fastfasen 16 och reagerar med kiselkarbid till ele- mentärt kísel som överströmmar kanten 17, uppsamlas i tråget 18 och uttages genom kanalen l9. Eventuellt sker en ytterligare energítillförsel i fastfasen 16 _-genom motståndsuppvärmning. Icke omsatta gaser som lämnar energitillförselzonens fastfasdel l6 in= träder i den väsentligen kolinnehållande efterreaktïonszonen 20, där den resterande mängden kiselmonoxid reagerar till kiselkarbíd som rör sig nedåt mot zon 16. Till zonen 20 chargeras kol allt- efter förbrukning. Periodisk renblåsning av ínloppsröret ll kan även i detta fall ske med hjälp av en plasmabrännare 21, insatt i en annan borrning :fin fallz-örfzt; ll i ugnsváigppn. w

Claims (12)

7806524-0 19 - .H . Qatentkrav

1. Förfarande för framställning av kisel eller ferrokísel' genom reduktion av kiseloxid, eventuellt i närvaro av järn eller järnoxid, med hjälp av ett kolhaltigt reduktionsmedel i en reak- tionszon, vilken reaktíonszon innefattar en energitillförselzon och en efterreaktionszon, varvid till energitillförselzonen föres åtminstone värmeenergi och kondenserade faser från efterreaktions- zonen samt avgår elementärt kisel och en gasfas och varvid till efterreaktionszonen föres åtminstone kolhaltigt reduktionsmedel och gasfasen från energitillförselzonen samt avgår en gas från efterreaktionszonen och kondenserade faser till energitillförsel- zonen och varvid kiseloxiden tillföras i kondenserad fas någon- stans i energitillförselzonen och/eller efterreaktionszonen eller i gasfas till energitillförselzonen, k ä n n e t e c k n a t därav, att förhållandet mellan den till reaktionszonen förda vär- meenergimängden och kiseloxidmängden göres reglerbart och instäl- les så att den från efterreaktionszonen avgående gasen har en halt av kiselmonoxid understigande l0 molprocent.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t där- av, att den avgående gasen har en halt av kiselmonoxid understigande 5 molprocent. '

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att den avgående gasen har en halt av kiselmonoxid understigande 1,5 molprocent. '

4. U. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av, att förhållandet mellan tillförd värmeenergimängd och tillförd kíselmonoxidmängd göres reglerbart genom kontrollerad tillförsel av all eller en del av kiseloxlden till energitillförselzonen.

5. Förfarande enligt krav U, k ä n n e t etc k n a t av, e att kiseloxiden är fast kiseldioxid, att denna tillföres efter- reaktionszonen och att förhållandet mellan tillförd värmeenergi och tillförd kiseldioxid göres reglerbart genom en reglerbar till- försel av den kondenserade fasen från efterreaktionszonen till' energitillförselzonen.

6. , Förfarande neligt krav H, k ä n n e t e c k n a t av, att kiseloxiden i kontrollerad takt tillföres direkt till energi- tillförselzonen. _

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av, att kiseloxiden inblåses i energítillförselzonen 1 form av ett I pulver fördelat i on hjälpgasström. 7806524-c 26 I

8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att pulver/gas-blandningen, hjälpgasströmmen eller en ytterligare gasström som också tillföres energitillförselzonen ledes genom en plasmabrännare före inträdet i zonen, varvid tillräcklig energi tillföres för undvikande av avsättningar i tillförselutrustningen.

9. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t därav, att kiseloxiden tillföres form av en smälta.

10. Förfarande enligt något av kraven 6 till 9, k ä n n e - t e c k n a t därav, att även en del av reduktionsmedlet till- föres direkt till energitillförselzonen. _

11. ll. Förfarande enligt krav 10, k ä n n e t e c'k n a_t därav, att den direkt till energitíllförselzonen förda reduktionsmedels- mängden ungefär motsvarar den som stökiometriskt erfordras för reduktion av kíseloxiden till kiselmonoxid. 7

12. Förfarande enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a t därav, att energitillförselzonen innefattar en del som är väsentligen fri från karbid och kisel, att de direkt till energitillförselzonen förda kiseloxid- och reduktionsmedelsmängderna inledas i denna del och där inbördes reageras till kiselmonoxid som därefter ledes i kontakt med de övriga delarna av energitillförselzonen.