ШИХТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЯ И СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВАННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КРЕМНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C01B33/25 

Предлагаемые изобретения относятся к подготовке шихтовых материалов и производству кремния в электротермических печах.

В настоящее время при производстве кремния образуется значительное количество как кремнеземсодержащих, так и углеродсодержащих отходов, представляющих собой частицы размером 1 мкм-10 мм. Отходы представлены мелкими фракциями кварцита, пылью газоочистки и мелкими фракциями восстановителей. Присутствие этих отходов в процессе повышает расходные коэффициенты, расход электроэнергии, загрузку шламовых полей, повышает себестоимость продукта, загрязняет окружающую среду.

Важнейшими задачами в условиях рыночной экономики являются: вовлечение (полное или частичное) отходов в процесс производства; замена дорогих компонентов шихты более дешевыми; повышение реакционной способности материалов и шихты в целом.

Решение этих задач позволит повысить технико-экономические показатели производства кремния, улучшить экологическую обстановку.

Основное направление по снижению количества отходов - возврат их обратно в процесс в виде шихтовых материалов.

Известны технические решения, направленные на переработку отходов производства кремния:
- мелкодисперсных отходов кремния (< 5 мм) путем их подачи в печь после прекращения подачи в нее шихты при снижении мощности печи в 1,4-1,5 раза от первоначальной мощности (А.с.СССР N 1518300, С 01 В 33/02, 1989, [1]);
- покрытие углеродистого материала слоем мелкодисперсной пыли газоочистки фракции не более 0,1 мм (А. с. СССР N 1479415, С 01 В 33/02, 1989, [2]).

Недостатки известных решений заключаются в том, что значительная часть этих перерабатываемых отходов из-за своего малого размера не принимает участия в технологическом процессе, т.к. либо выносится из печи газовым потоком, либо испаряется при высокой температуре, не успев вступить в реакцию, т.е. снова превращается в отходы, кроме того, значительны потери материала и пыление при загрузке.

Для снижения потерь мелкодисперсных отходов необходимо привести их в компактный вид.

В этом направлении известны следующие решения:
- способ получения кремния, в котором в состав шихты вводят брикеты, изготовленные из смеси пыли газоочистки фракции -8 + 0,04 с сульфитно-спиртовым щелоком, в количестве 3-14 мас.% (А.С.СССР N 1344735, С 01 В 33/02, 1987, [3]), но недостатки этого решения - невысокая реакционная способность и прочность брикетов;
- добавление в состав шихты брикетированной пыли газоочистки фракции -8 + 0,04 мм в количестве 14,5 - 32 мас.%, причем перед брикетированием из нее выделяют фракцию -4 + 0,04 мм, подвергают ее магнитной сепарации и немагнитную составляющую объединяют с оставшейся пылью (А.с. СССР N 1535825, С 01 В 33/02, 1990, [4]), хотя известное решение позволяет снизить поступление железа с шихтой, но вместе с тем требует двух дополнительных переделов - грохочения и магнитной сепарации, что повышает себестоимость кремния. Прочность брикетов из пыли недостаточна высока, значительны потери материала в процессе;
- способ подготовки углеродистого восстановителя, в котором прокаленный до 1200^oC в течение 12 мин нефтяной кокс (пековый кокс) -8 мм смешивают с жидким каменноугольным пеком в количестве 28-30 мас.%, окусковывают и термообрабатывают при 950^oC в течение 50 мин (Пат. РФ N 2032616, С 01 В 31/00, 1995, [5]), достигая при этом повышение реакционной способности углеродистой части шихты, снижение коэффициента избытка углерода в шихте, но способ требует значительных энергозатрат на дробление, измельчение и термообработку;
- способ получения кремния, в котором кремнийсодержащее сырье (кварцитовую мелочь, кварцевый песок) смешивают с углеродсодержащими восстановителями (лигнин, плохоспекающиеся угли или продукты их коксования, полукоксования) брикетируют, термообрабатывают и используют в технологическом процессе, кроме того, в составе шихты могут быть использованы брикетированные отходы деревообрабатывающей промышленности (А.с. СССР N 190356, С 01 В 33/02, 1967, [6]);
- формованное сырье для производства кремния, содержащее, мас.%: песок-40, нефтекокс- 50, нефтяное связующее с температурой размягчения 87^oС-9, аморфная порошковая двуокись кремния с удельной внутренней поверхностью 800 м²/г, (Пат.СССР N 1524806, С 01 В 33/02, 1989, [7]);
- брикетированная смесь для получения технического кремния, содержащая, мас.%:
Кварцевый песок - 30-50
Гидролизный лигнин - 45 - 60
Нефтяной кокс - 5 - 10
нефтяной кокс предварительно измельчают до крупности менее 3 мм, обезвоживают лигнин до влажности 12-15%, брикетируют под давлением 80-95 МПа (Пат. РФ N 2049057, С 01 В 33/025, 1995, [8]);
- способ подготовки шихты для выплавки кремния, включающий смешение кремнезем-углеродсодержащих материалов и каменноугольного пека в количестве 19-33 мас. %, нагревание смеси до 180-245^oC со скоростью 18-27 град/мин и брикетирование (А. с. СССР N 1666443, С 01 В 33/02, 1991, [9]).

Недостатки известных решений [6-9]: значительные затраты на приготовление брикетированной шихты [7,8,9], недостаточно высокая реакционная способность, некомплексная переработка отходов производства кремния.

Известна окускованная шихта для выплавки кремния, содержащая, мас.%: мелкодисперсный кремнеземсодержащий материал 45-55, мелкодисперсный углеродсодержащий материал 30-35, натриевую щелочь 5-8, порошкообразный кремний 0,5-2, микрокремнезем 7,5-12 (Пат. РФ N 2049057, С 01 В 33/025, 1995, [10]).

Получаемая по известному решению окускованная шихта обладает высокой пористостью, механической прочностью и реакционной способностью, но вместе с тем значительны трудозатраты и энергозатраты на изготовление брикетов, т.к. брикетируется вся шихта. Высока себестоимость шихты, потому что для повышения реакционной способности необходимо добавлять микрокремнезем 1-150 мкм.

Наиболее близким к предлагаемым решениям по технической сущности и достигаемому результату является способ получения кремния, включающий подачу на колошник руднотермической печи шихты, содержащей кварцит и углеродсодержащий восстановитель, брикетирование со связующим пыли газоочистки, введение брикетов в шихту и восстановительную плавку, в котором на брикетирование дополнительно подают кварцит фракции -5 + 0 мм, кварцевый песок, углеродсодержащий восстановитель фракции -6 + 0 мм в количествах, обеспечивающих массовое соотношение в брикетах углерода и диоксида кремния (0,3-0,9):1 (Пат. СССР N 1655900, С 01 В 33/02, 1991, [11]).

В известном решении материалы, подаваемые на брикетирование, требуют дополнительной подработки (отсев мелких фракций восстановителя и кварцита, дробление кварцита) и оборудования.

Загружаемая совместно с брикетами шихта неоднородна, что снижает эффективность ее применения.

Задачей предлагаемых технических решений является снижение себестоимости товарного продукта.

Техническим результатом является снижение содержания дорогостоящих компонентов в составе шихты и использование отходов производства, а также более эффективное использование шихты (повышение реакционной способности шихты в целом, снижение содержания отходов в процессе).

Технический результат достигается тем, что шихта для производства кремния, включающая кварцит, древесную щепу, нефтяной кокс, древесный уголь и материал, формованный из пыли газоочистки, углеродного восстановителя и щелочного связующего, дополнительно содержит мелкодисперсный кремнезем в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцит - 35 - 45
Древесная щепа - 19 - 26
Нефтяной кокс - 11 - 15
Древесный уголь - 7 - 10
Пыль электрофильтров газоочистки производства кремния - 4,5 - 11
Щелочное связующее - 0,5 - 1,3
а формованный материал содержит в количестве 10-30% от массы шихты.

Технический результат достигается также тем, что в способе приготовления формованного материала для производства кремния, включающем смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего материала в виде пыли газоочистки производства кремния с углеродсодержащим восстановителем и щелочным связующим, формование и сушку, в качестве углеродсодержащего восстановителя используют нефтяной кокс, а на формование подают шихту следующего состава, мас.%:
Нефтяной кокс - 55 - 70
Пыль электрофильтров газоочистки производства кремния - 25 - 50
Щелочное связующее - 3 - 5
с получением материала крупностью 6-50 мм и влажностью 6-8%, причем на формование подают нефтекокс, содержащий фракцию не более 8 мм в количестве не менее 70 мас. %, а на смешение в качестве щелочного связующего подают 10-15% водный раствор щелочи натрия.

Техническая сущность предлагаемых изобретений заключается в следующем.

Часть шихты, подаваемая в виде предварительно сформованного материала, подаваемая в количестве 10-30% от массы шихты, является активно-реакционнодействующими зонами в составе шихты, что и повышает реакционную способность шихты в целом.

Загрузка формованной шихты в предлагаемом количестве позволяет снизить расход дефицитных и дорогостоящих восстановителей (древесного угля), повысить реакционную способность шихты в целом, используя отходы нефтяного кокса (фракция < 8 мм) и пыль электрофильтров газоочистки производства кремния, т. е. в предлагаемом решении перерабатываются и идут в производство с минимальными затратами и кремнезем, и углеродсодержащие отходы основного производства.

Кроме того, согласно подтвержденным данным (Радченко Н.Ф. и др. Об оптимальной крупности нефтяного кокса при производстве кремния. Цветные металлы N 7, 1987, [12]), в предлагаемом варианте максимально использованы свойства мелкого восстановителя и оптимально подобран состав кремнеземсодержащего мелкодисперсного сырья в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния (25-50 мас.%), в смеси с нефтяным коксом (предпочтительно фракции не более 8 мм в количестве не менее 70 мас.%), щелочным связующим (предпочтительно водный раствор щелочи натрия 10-15%), что позволяет получить брикеты с высокой прочностью, реакционной способностью, обеспечивающей и высокую реакционную способность шихты в целом. Предлагаемые решения обеспечивают снижение себестоимости товарного продукта за счет исключения в составе шихты дорогостоящих восстановителей за счет повышения реакционной способности шихты (реакция в брикетах является инициатором реакции в шихте, более полная реакция восстановления в самих брикетах с использованием в качестве компонентов брикетов отходов производства кремния). Содержание в шихте указанных кремнеземсодержащих и углеродсодержащих компонентов, мас.%: кварцит 35-45, древесная щепа 19-26, нефтяной кокс 11-15, древесный уголь 7-10, пыль электрофильтров газоочистки производства кремния 4,5-11, щелочное связующее (10-15% водный раствор щелочи натрия) 0,5 - 1,3 обеспечивает необходимые и достаточные условия для высокой реакционной способности шихты в целом, снижение содержания отходов в процесс.

Кроме того, загрузка в составе общей шихты 10-30% предварительно сформованного кремнеземуглеродсодержащего материала не только позволяет перерабатывать комплексно отходы производства кремния, но и повышать реакционную способность шихты в целом и снизить себестоимость товарного продукта за счет удешевления шихты.

В способе приготовления формованной шихты, включающем смешение кремнеземсодержащего материала в виде пыли газоочистки производства кремния с углеродсодержащим восстановителем и щелочным связующим, формование и сушку, в качестве углеродсодержащего восстановителя используют нефтяной кокс, а на формование подают шихту следующего состава, мас.%:
Нефтяной кокс - 55 - 70
Пыль электрофильтров газоочистки производства кремния - 25 - 50
Щелочное связующее - 3 - 5
с получением материала крупностью 6-50 мм и влажностью 6-8%.

Причем используют нефтекокс, содержащий фракцию не более 8 мм в количестве не менее 70 мас.%, а в качестве связующего - 10-15% водный раствор щелочи натрия.

Вышеуказанный состав шихты (компонентный, количественный и фракционный состав), размер получаемого формованного материала и его влажность обеспечивают высокую прочность формованной шихты, высокую реакционную способность.

Сравнение предлагаемых решений с прототипом (а.с. СССР N 1655900, С 01 В 33/02, 1991) выявило:
1) предлагаемая шихта отличается от прототипа следующим:
а) компонентным и количественным их составом в шихте;
б) использованием отходов производства в виде пыли газоочистки как в составе брикетов, так и в составе основной шихты;
в) количеством используемого формованного материала в загружаемой шихте (10-30 мас.% от массы шихты), прототип - 20,5-22,5 мас.%.

2) предлагаемый способ отличается от прототипа следующим:
а) компонентный состав брикетов тот же самый, что и составляющие основной шихты;
б) в составе предлагаемого материала на формование используют составляющие, обеспечивающие максимальную реакционную способность брикетов (нефтекокс, содержащий фракцию не более 8 мм в количестве не менее 70 мас. %);
в) выбран оптимальный размер формованного материала 6- 50 мм и его влажность - 6-8%.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых технических решений критерию изобретения "новизна".

Сравнительный анализ предлагаемых технических решений с прототипом и другими известными в данной области выявил следующее:
- известно использование в процессе производства кремния мелкодисперсных кремнийсодержащих отходов [1,2];
- известно использование в составе шихты брикетов, содержащих пыль газоочистки производства кремния фракции -8+0,04 мм [3,4];
- известно использование в составе шихты мелких углеродсодержащих восстановителей в компактном виде [5,6,8,12];
- известно использование в производстве брикетов, содержащих мелкодисперсные кремнезем-углеродсодержащие материалы [9,10,11].

В процессе анализа не выявлено технических решений, характеризующихся сходными идентичными (эквивалентными) признаками с предлагаемыми, что позволяет сделать вывод о их соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительно проведенные опытно- промышленные испытания подтвердили эффективность предлагаемых решений и позволяют сделать вывод о "промышленной применимости".

Предлагаемые решения не только позволяют повысить технико-экономические показатели процесса за счет замены части дорогостоящих шихтовых материалов и вовлечение отходов в производство, но и улучшить экологическую обстановку за счет снижения количества отходов, направляемых на шламовые поля.

В процессе испытаний были опробованы варианты:
1) приготовление формованной шихты предлагаемого состава с предельными и запредельными соотношениями компонентов, а также определение свойств формованного материала;
2) использование предлагаемого состава шихты с предельными и запредельными соотношениями компонентов, с использованием в составе шихты предварительно сформованного материала, определение технико-экономических показателей процесса.

Приготовление формованной шихты производится следующим образом.

Смешивают нефтяной кокс - 60 мас.% (в том числе 45 мас.% фракции < 8 мм) с пылью электрофильтров газоочистки производства кремния - 36 мас.%. В полученную смесь добавляют 15% водный раствор щелочи натрия - 4 мас.%, перемешивают и формуют экструзией на агрегате ОГМ-1,5 А. Полученный формованный материал крупностью 20-50 мм сушат на металлическом ленточном конвейере ПЛ-10(ТК) в течение 20-30 минут при температуре 200- 260^oC, используя теплогенератор Г2, 5А.

Формовка материала экструзией предпочтительнее, т.к. не требует значительных энергозатрат и сложного оборудования и, в то же время, позволяет получать однородные по свойствам куски материала (плотность, пористость, прочность) заданного размера (6-50 мм), обеспечивающие при использовании повышение технико-экономических показателей процесса производства кремния.

Данные по свойствам полученного формованного материала и составам шихты приведены в табл. 1,2.

Загрузку шихты предлагаемых составов, в том числе и с частью предварительно сформованного шихтового материала, в печь производят по стандартной схеме согласно технологической инструкции и с использованием стандартного оборудования. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Источники информации
1. А.с. СССР N 1518300, С 01 В 33/02, 1989.

2. А.с. СССР N 1479415, C 01 B 33/02, 1989.

3. А.с. СССР N 1344735, С 01 В 33/02, 1987.

4. А.с. СССР N 1535825, С 01 В 33/02, 1990.

5. Патент РФ N 2032616, С 01 В 31/00, 1995.

6. A.с. СССР N 190356, C 01 B 33/02, 1967.

7. Патент СССР N 1524806, С 01 В 33/02, 1989.

8. Патент РФ N 2036144, С 01 В 33/025, 1995.

9. A.с. N 1666443, С 01 В 33/02, 1991.

10. Патент РФ N 2049057, С 01 В 33/025, 1995.

11. Патент СССР N 1655900, С 01 В 33/02, 1991.

12. Радченко Н. Ф. и др. Об оптимальной крупности нефтяного кокса при производстве кремния. Цв.мет.N 7, 1987.

Изобретение относится к подготовке шихтовых материалов и производству кремния в электротермических печах, который может быть использован в полупроводниковой технике. Сущность изобретения заключается в шихте для производства кремния и способе получения одного из ее компонентов, при этом шихта для производства кремния включает кварцит, древесную щепу, нефтяной кокс, древесный уголь, мелкодисперсный кремнезем и щелочное связующее, содержит мелкодисперсный кремнезем в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кварцит 35-45; древесная щепа 19-26; нефтяной кокс 11-15; древесный уголь 7-10; пыль электрофильтров газоочистки производства кремния 4,5-11; щелочное связующее 0,5-1,3, причем часть кремнезем-углеродсодержащей шихты представлена в виде предварительно сформованного материала в количестве 10-30% от массы шихты. Способ приготовления ее компонента-формованного материала включает смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего материала с углеродсодержащим восстановителем и щелочным связующим, формование и сушку, в качестве кремнеземсодержащего материала используют пыль электрофильтров газоочистки производства кремния, восстановителя - нефтяной кокс, на формование подают шихту следующего состава, мас.%: нефтяной кокс 55-70, пыль электрофильтров газоочистки производства кремния 25-50, щелочное связующее 3-5 и формуют материал крупностью 6-50 мм и сушат до влажности 6-8%, кроме того, на формование подают нефтекокс, содержащий фракцию не более 8 мм в количестве не менее 70 мас. %, а на смешение подают 10-15%-ный водный раствор щелочи натрия. Техническим результатом является снижение себестоимости товарного продукта за счет снижения содержания дорогостоящих компонентов шихты и за счет более эффективного использования шихты (повышение реакционной способности шихты в целом, снижение содержания отходов в процессе). 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Шихта для производства кремния, включающая кварцит, древесную щепу, нефтяной кокс, древесный уголь и материал, формованный из пыли газоочистки, углеродного восстановителя и щелочного связующего, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит мелкодисперсный кремнезем в виде пыли электрофильтров газоочистки производства кремния и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцит - 35 - 45
Древесная щепа - 19 - 26
Нефтяной кокс - 11 - 15
Древесный уголь - 7 - 10
Пыль электрофильтров газоочистки производства кремния - 4,5 - 11
Щелочное связующее - 0,5 - 1,3
а формованный материал содержит в количестве 10 - 30% от массы шихты. 2. Шихта для производства кремния по п.1, отличающаяся тем, что в качестве щелочного связующего она содержит 10 - 15%-ный водный раствор щелочи натрия. 3. Способ приготовления формованного материала для производства кремния, включающий смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего материала в виде пыли газоочистки производства кремния с углеродсодержащим восстановителем и щелочным связующим, формование и сушку, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего восстановителя используют нефтяной кокс, а на формование подают шихту следующего состава, мас.%:
Нефтяной кокс - 55 - 70
Пыль электрофильтров газоочистки производства кремния - 25 - 50
Щелочное связующее - 3 - 5
с получением материала крупностью 6 - 50 мм и влажностью 6 - 8%. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на формование подают нефтекокс, содержащий фракцию не более 8 мм в количестве не менее 70 мас.%. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что на смешение в качестве щелочного связующего подают 10 - 15%-ный водный раствор щелочи натрия.