СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C01B33/25 

Изобретение может быть использовано в металлургии, в частности при производстве кремния в мощных руднотермических электропечах.

Кристаллический кремний находит все большее применение в технике. Он является основой для получения кремния полупроводниковой чистоты. Без использования технического кремния невозможно производство кремнийорганических соединений.

Известен способ плавки кремния в мощных РТП на шихте, которая наряду с чистым кварцитом и восстановителем содержит до 2 т рыхлителя специально приготовленной древесной щепы. В связи с дефицитом древесного угля часть его в этом способе заменяется нефтекоксом и малозональным газовым углем. Однако несмотря на огромный расход щепы (обычно ≈1,5-2 т/т кремния), исключить образование значительного количества технической пыли и спекания шихты на колошнике РТП не удается. Это приводит к огромному перерасходу электроэнергии, чистого кварцита и восстановителя. Имеются и другие попытки уменьшить спекание шихты на колошнике РТП, например дифференцированная загрузка шихты вокруг электродов и в центр печи.

Однако и при этом устранить спекание шихты не удается.

Задачей изобретения являются устранение спекания шихты, обеспечение ее равномерного самопроизвольного схода в горн печи и, естественно, повышение производительности печи, и уменьшение расхода электроэнергии.

Поставленная задача решается следующим образом. В способе плавки, включающем дозирование, смещение и непрерывное проплавление шихты периодический выпуск металла и непрерывную эвакуацию газов через колошник печи, 16-20% газов из подэлектронных полостей печи эвакуируются через полости в электродах.

Решение поставленной задачи достигается и тем, что через полости электродов отбирается не менее 13,3-20% газа от общего его количества в горновой зоне РТП или в расчете на 1 т кремния, выпускаемого через летки ≈266-400 нм³/т.

Поставленная задача также достигается тем, что газы, отбираемые через полости электродов, сначала охлаждаются, после чего очищаются от пыли и сжигаются, а технологическая пыль из этого газа подвергается сепарации, после чего выделенные из пыли гранулы кремния перерабатываются на сверхчистый кремний или отгружаются потребителю.

Температура в горне печи, где происходят разрушение карбида и получение кремния по реакции
SiC_т + SiO_г 2Si_ж + CO (1),
составляет ≈2200-2225 K. Равновесная с кремнием концентрация в этих условиях составляет ≈ 47-50% Поэтому из горна печи выносится огромное количество SiO_г. В ряде случаев оно доходит до 30% от всего расхода кварцита. Для улавливания подобного количества SiO_г по реакции
SiO_г + 2C SiC_т + CO (2)
углерода в колошниковой зоне обычно не хватает. Последнее связано с тем, что значительное количество углерода в этой зоне расходуется на взаимодействие с кварцитом по схеме описываемой реакциями

По этой причине часть SiO_г выносится в виде технологической пыли. Часть SiO_г, не сумевшего вступить, в основном из-за недостатка углерода, в реакцию, конденсируется в верхних зонах колошника по реакции
SiO_г __→ SiO_(т,ж) (6)
Это, а также диспропорционирование SiO_г по реакции (7)
2SiO_г __→ Si_ж+SiO_2(ж) (7)
приводит к разогреву и спеканию шихты на колошнике.

По этим причинам отбор части газов через полости электродов уменьшает и пылеобразование, и спекание колошника. Если через полости электродов отбирается из печи не менее 13,3-20% газов, то спекание и вынос пыли полностью устраняются.

С другой стороны, отбор части газов непосредственно из-под электродных полостей и его охлаждение до T≅1800 K без доступа воздуха приводят к тому, что в нем развивается процесс диспропорционирования по реакции (7) с получением кремния, практически не содержащего таких примесей, как кальций, алюминий и, особенно, железо.

Для того, чтобы полностью исключить пылеобразование и спекание шихты в колошниковой зоне РТП при плавке кремния на кварците обычной крупности, достаточно отбирать из горна печи 530-600 нм³ газа, содержащего ≈ 50% CO, 50% SiO_г. При охлаждении этого количества газов из них осаждаются ≈ 520-530 кг пыли (SiO_т), при распаде которых теоретически может образоваться 165-188 кг чистого кремния. Часть этого кремния окисляется. Поэтому выход гранул кремния составляет 100-150 кг/т кремния, выпущенного через летку, а объем отбираемого газа в расчете на 100% СО составляет 268-300 нм³/т. При использовании кварцитов пониженного качества объем отбираемых газов может увеличиться до 400 нм³/т. При объеме газа, отбираемого через полости < 266 нм³, наблюдается спекание колошника. При V≥400 нм³ ухудшаются показатели плавки.

Пример 1. Для оценки возможных показателей построили физико-химические модели плавки кремния. Для построения модели по практическим данным приняли температуру в горне печи 2200-2225 К. При этом установили, что при отборе через полости электродов ≥ 13,3% газа создаются условия для полного улавливания SiO_г, отходящего из высокотемпературной зоны РТП. Извлечение кремния при этом возрастает теоретически до 87,5% вместо 66,6-75% без отбора. Устраняется и зарастание РТП карбидом.

Пример 2. Газы, отбираемые из колошниковой зоны, охлаждали без доступа воздуха. Образовавшуюся при этом технологическую пыль осаждали сначала в гидроциклонах, а затем в электрофильтрах. Пыль, осажденная в гидроциклонах, состояла на 80% из кремния. Его рентгено-фазовый анализ подтвердил, что гранулы кремния содержат очень мало примесей, а его рентгенограмма мало отличается от рентгенограммы чистого кремния.

Пример 3. В промышленных печах 16,5-25 МВА способ реализуется следующим образом.

Шихта на плавку состоит из кварцита, древесного и каменного угля и нефтяного кокса. Для улучшения газопроницаемости в шихту вводится 0,5-1,0 т древесной щепы/т. Молярное соотношение между кремнеземом и углеродом в шихте не отличается от обычного и составляет 1:2. Шихта загружается через точки конусами вокруг электродов и периодически подгружается к ним опиковочной машиной. По ходу всей плавки через полости электродов отсасываются газы (в пересчете на 100% СО) в количестве 266-400 м³/т. При необходимости для охлаждения газов в полость электродов подается азот. Отбор газов может производиться как через все три электрода так и через один электрод. Газы охлаждают. При этом из газа конденсируется пыль. Из пыли выделяют гранулы кремния. Общий выход кремния из летки 1000 кг, из газов 100-160 кг.

Гранулы кремния отмучивают от остатков мелкодисперсной пыли, при необходимости обрабатывают реагентами и отгружают потребителю.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет получить следующие преимущества:
полностью устранить спекание колошника;
дополнительно к кремнию, получаемому путем выпуска металла из печи, получать не менее 100-150 кг/т гранул кремния, отличающихся очень низким содержанием примесей;
уменьшить удельный расход шихтовых материалов, особенно кварцита и древесной щепы.

Использование: при производстве кремния в мощных руднотермических электропечах. Сущность: с целью устранения спекания шихты и обеспечения ее равномерного самопроизвольного схода в горн печи, а также повышения производительности печи и уменьшения расхода электроэнергии по ходу всей плавки часть реакционного газа удаляют из печи через полости в электродах, в частности 266-400 нм³/т газа в пересчете на содержание оксида углерода и в расчете на 1 т выпускаемого кремниевого расплава. Отбираемые газы после охлаждения очищают без доступа воздуха от пыли, а из пыли путем отмучивания отделяют гранулы кремния с пониженным содержанием примесей. 1 з.п. ф-лы.

1 1. Способ производства кремния, включающий дозирование и проплавление шихты, содержащей кварцит и восстановитель, периодический выпуск расплава, отличающийся тем, что по ходу всей плавки осуществляют непрерывное удаление газа, выделяющегося на колошнике, причем часть газа в пересчете на содержание оксида углерода в количестве 266 400 нм<M^>3<D> в расчете на 1 т выпускаемого кремниевого расплава удаляют через полости в электродах.2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отбираемые через полости в электродах газы после охлаждения без доступа воздуха отделяют от пыли и затем из пыли выделяют гранулы кремния отмучиванием.