СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛОЙ МИКРОДИСПЕРСНОЙ ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C01B33/18 C01B33/25 C22C33/04 

Изобретение относится к способу получения микродисперсной двуокиси кремния с высокой отражающей способностью или белизной.

Микродисперсную двуокись кремния обычно получают как побочный продукт в производстве ферросилиция и кремния в печах для электрического восстановления, где взаимодействуют шихта, содержащая источник SiO₂, и один или более твердых углеродсодержащих восстановителей, с образованием ферросилиция или кремния. В этом процессе в качестве промежуточного продукта в реакционной зоне печи образуется газообразный SiO, этот газ движется вверх через шихту. Часть газообразного SiO конденсируется выше реакционной зоны в охлаждающем агенте, а оставшаяся часть газообразного SiO проходит через шихту и окисляется воздухом, подающимся в печь выше шихты, и образует аморфную SiO₂ в виде отдельных частиц. Затем такую SiO₂ в виде отдельных частиц выделяют из выходящих печных газов при помощи фильтров, обычных мешочных фильтров. Получаемая таким образом микродисперсная двуокись кремния имеет размер частиц в основном 0,02 - 0,5 мкм, и отдельные частицы имеют в основном сферическую форму. В последние два десятилетия микродисперсная двуокись кремния находит все более широкое применение в качестве добавок в бетон, огнеупорные материалы, керамические материалы, пасты для цементирования нефтяных скважин, пластические материалы, бумагу и др.

В производстве ферросилиция и кремния упомянутым выше способом обычно используют углеродсодержащий восстановитель, который включает смесь примерно 65 вес. угля, остальное кокс и по выбору древесная стружка. Эта смесь обеспечивает наилучшее функционирование печи в смысле производительности и выхода ферросилиция и кремния.

Извлекаемая этим способом микродисперсная двуокись кремния имеет отражающую способность 30 50, измеренную способом, где черный фетр имеет отражающую способность, равную нулю, а BaSO₄ 98,6. Таким образом, получаемая микродисперсная двуокись кремния имеет относительно темный цвет, что является проблемой для использования микродисперсной двуокиси кремния там, где требуется белый продукт. Причиной, почему микродисперсная двуокись кремния имеет такую низкую отражательную способность, является в основном наличие в частицах микродисперсной двуокиси кремния углерода в количестве до 3 мас.

Ниже приводится химический состав и некоторые другие свойства микродисперсной двуокиси кремния, полученной обычным способом в печи для производства 75% ферросилиция:
Соединение Мас.

SiO₂ 86-90
SiC 0,1-0,4
Fe₂O₃ 0,3-0,9
TiO 0,02-0,06
Al₂O₃ 0,2-0,6
MgO 2,5-3,5
CaO 0,2-0,5
Na₂O 0,9-1,8
K₂O 2,5-3,5
S 0,2-0,4
C 0,8-2,0
P 0,03-0,08
Потери от прокаливания 2,4-4,0
Объемный вес, с фильтра, г/л 200-300
Объемный вес, уплотненный, г/л 500-700
Истинная плотность, г/см³ 2,20-2,25
Удельная поверхность м²/г 18-22
Преимущественный размер частиц, < 1 μm 90
Проблемы, связанные с низкой отражающей способностью микродисперсной двуокиси кремния, стараются решать двумя способами. В одном способе микродисперсную двуокись кремния, полученную как побочный продукт в электрических плавильных печах для производства ферросилиция и кремния, нагревают в кипящем слое при температуре до 900^oC для сжигания содержащегося в микродисперсной двуокиси кремния углерода. Этот способ описан в патенте Японии N 11559/84. Согласно другому способу микродисперсную двуокись кремния получают в так называемом генераторе микродисперсной двуокиси кремния из шихты, включающей SiO₂ и Si. В этом способе вдобавок к микродисперсной двуокиси кремния получают небольшое количество кремния. Оба описанных выше способа имеют недостатки.

Тепловая обработка микродисперсной двуокиси кремния подразумевает дополнительную стадию, которая является очень дорогостоящей и трудно контролируемой. Без строгого контроля температуры и времени выдерживания часть аморфных частиц SiO₂ переходит в кристаллическое состояние, что дает продукт с совершенно другими свойствами. Кроме того, кристаллическая SiO₂ представляет опасность для здоровья. Получение микродисперсной двуокиси кремния в генераторе микродисперсной двуокиси кремния является очень дорогими, к тому же трудно представить генератор микродисперсной двуокиси кремния с высокой производительностью.

Таким образом, необходимо обеспечить способ получения микродисперсной двуокиси кремния, преодолев недостатки способа прототипа.

Соответственно, настоящее изобретение относится к способу получения микродисперсной двуокиси кремния с отражающей способностью 65 90% в плавильной печи для производства ферросилиция или кремния, используя шихту, которая включает источник SiO₂ и твердый углеродсодержащий восстановитель; при этом микродисперсную двуокись кремния выделяют из выходящих из плавильной печи газов; твердый восстановитель, загружаемый в печь, содержит летучие вещества в количестве менее 1,25 кг на кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния; и температуру в газовой атмосфере печи над шихтой поддерживают выше 500^oC.

Количество летучих веществ в твердом восстановителе предпочтительно поддерживают ниже 1,0 кг на кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния, при этом температуру в газовой атмосфере печи над шихтой предпочтительно поддерживают выше 600^oC. Для наилучших результатов количество летучих веществ в восстановителе поддерживают ниже 0,5 кг на кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния.

Неожиданно обнаружили, что способом настоящего изобретения можно получить микродисперсную двуокись кремния с очень высокой отражающей способностью, в то же время выход ферросилиция или кремния не снижается. Таким образом, согласно настоящему изобретению можно получить микродисперсную двуокись кремния с очень высокой отражающей способностью, меняя соотношение кокса и угля в смеси восстановителей и поддерживая температуру в печи над шихтой выше 500^oC.

Так как содержание летучих веществ в угле существенно выше, чем в коксе, на практике можно снижать количество угля и увеличивать количество кокса в смеси восстановителей. Согласно особо предпочтительному варианту восстановитель состоит полностью из кокса.

Применяя настоящее изобретение, можно с успехом получить микродисперсную двуокись кремния, обладающую белизной до 90, при неизменности других характеристик получаемой микродисперсной двуокиси кремния, причем стоимость производства микродисперсной двуокиси кремния незначительно увеличивается по сравнению с производством микродисперсной двуокиси кремния при использовании обычной смеси восстановителей.

Пример 1. В электрической плавильной печи 43 mw, имеющей кольцевое поперечное сечение и снабженной тремя самоспекающимися (selfbaking) угольными электродами, получают 75% FeSi, используя шихту, состоящую из кварцита в качестве источника SiO₂ и 100% кокса в качестве восстановителя. Содержание летучих веществ в коксе составляет 5,2 мас.

Шихту загружают в печь в количестве 18,27 т/ч, и из плавильной печи выгружают 5,67 т 75% FeSi в час, при этом из выходящих печных газов выделяют 0,81 т микродисперсной двуокиси кремния в час. В печи над шихтой поддерживают постоянную температуру 700^oC. Затраты энергии на тонну производимого ферросилиция составляет 7,7 Мвт-час.

Отношение количества летучего вещества в восстановителе к кг полученной микродисперсной двуокиси кремния составляет 0,27.

Во время работы печи через некоторые интервалы отбирают образцы полученной микродисперсной двуокиси кремния и определяют белизну или отражающую способность, применяя Цейсовский прибор (Zeiss Erephomet D 145 apparatus). Результаты показывают, что полученная микродисперсная двуокись кремния имеет белизну от 80 до 84.

Пример 2. В такой же плавильной печи, как использована в примере 1, получают 75% FeSi, используя шихту, состоящую из кварцита в качестве источника SiO₂ и смеси восстановителей, состоящей из 80 мас% кокса с содержанием летучего вещества 5,2 мас. и 20 мас% угля с содержанием летучего вещества 33,8 мас.

Шихту добавляют в печь в количестве 16,32 т/час, и из плавильной печи выгружают 5,40 т/ч 75% FeSi, 0,56 т/ч микродисперсной двуокиси кремния, выделенной из отходящих печных газов. В печи в атмосфере газа над шихтой поддерживают постоянную температуру 700^oC. Расход энергии на тонну производимого ферросилиция составляет 7,5 Мвт-ч. Отношение количества летучего вещества в восстановителе к кг полученной микродисперсной двуокиси кремния составляет 1,00.

Во время работы печи через определенные интервалы отбирают образцы полученной микродисперсной двуокиси кремния и определяют отражающую способность таким же образом, как описано в примере 1. Результаты показывают, что полученная микродисперсная двуокись кремния имеет отражающую способность 67 76.

Пример 3 (сравнение). Для сравнения печь работает с использованием обычной смеси восстановителей, состоящей из 65 мас% угля и 35 мас% кокса. Отношение количества летучего вещества в смеси восстановителей и количества полученной микродисперсной двуокиси кремния составляет 1,90. В этом примере в печи в атмосфере газа над шихтой также поддерживают постоянную температуру 700^oC.

Производительность 75% FeSi в час такая же как и в примерах 1 и 2, а расход энергии на тонну производимого ферросилиция составляет 7,7 Мвт-ч.

Через определенные интервалы отбирают образцы полученной микродисперсной двуокиси кремния и определяют отражающую способность. Результаты соответствуют отражающей способности 40.

Сравнение результатов примеров 1 и 2 и результатов примера 3 показывает, что получение микродисперсной двуокиси кремния способом настоящего изобретения ведет к существенному повышению белизны получаемого продукта не изменяя затраты энергии и выход FeSi. Это очень неожиданно, так как производство микродисперсной двуокиси кремния с высокой отражающей способностью всегда ассоциировалось со снижением выхода FeSi и увеличением энергетических затрат на производство тонны ферросилиция.

Изобретение относится к способу получения микродисперсной двуокиси кремния, имеющей отражающую способность 65 - 90%, в плавильной печи для производства ферросилиция или кремния с использованием шихты, которая включает источник SiO₂ и твердый углеродсодержащий восстановитель, при этом микродисперсную двуокись кремния выделяют из выходящих из плавильной печи газов, твердый восстановитель, загружаемый в печь, содержит летучие вещества в количестве менее 1,25 кг на кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния, и температуру в газовой атмосфере печи над шихтой поддерживают выше 500^oC. Полученная микродисперсная двуокись кремния имеет белизну до 90. 3 з. п. ф-лы.

1. Способ получения микродисперсной двуокиси кремния, имеющей отражающую способность 65 90% в плавильной печи для производства ферросилиция или кремния с использованием шихты, содержащей источник SiO₂ и твердый углеродсодержащий восстановитель, в котором микродисперсную двуокись кремния выделяют из выходящих из плавильной печи газов, отличающийся тем, что загружаемый в печь твердый углеродсодержащий восстановитель содержит летучие вещества в количестве менее 1,25 кг на 1 кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния, и температуру в газовой атмосфере печи над шихтой поддерживают выше 500^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество летучих веществ в твердом восстановителе поддерживают ниже 1,0 кг на 1 кг получаемой микродисперсной двуокиси кремния. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру в газовой атмосфере печи над шихтой поддерживают выше 600^oС. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что восстановителем является кокс.