СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Российский патент 2018 года по МПК C01B33/37 C01B33/02 C22B9/05 C22B9/10 

Изобретение относится к цветной металлургии, и может быть использовано для очистки технического кремния, полученного восстановительной плавкой в руднотермических электрических печах.

Технический кремний получают высокотемпературным восстановлением минерального сырья, кварца или кварцитов, с помощью углеродистых восстановителей. При ведении восстановительной плавки, кроме ведущего элемента кремния, восстанавливаются и другие элементы, оксиды которых входят в состав примесей минерального сырья и золы восстановителей. Большинство примесей ухудшают качество получаемого кремния и требуются дополнительные технологии по их удалению из полученной продукции (Рагулина Р.И., Емлин Б.И. Электрометаллургия кремния и силумина. М., Металлургия, 1972, 240 с.).

Известен способ выплавки кремния (RU 2082783, С01В 33/00, С22В 5/02, опубл. 27.06.97), для осуществления которого при выпуске кремния в ковш или изложницу в жидкий кремний вводят хлориды щелочных металлов в количестве, которое зависит от массы выпускаемого кремния. После дробления слитков кремния, куски кремния промывают водой. Недостатком данного способа является недостаточно эффективная очистка кремния от примесей.

Известен способ выплавки кремния и его сплавов (патент RU 2127707, С01В 33/00, С22В 4/06, опубл. 20.03.1999), включающий загрузку кварцита и углеродистых восстановителей в руднотермическую электропечь, карботермическое восстановление кремния, выпуск жидкого кремния из печи в ковш или изложницу. Во время выпуска кремний пропускают через струю сжатого воздуха, обогащенного кислородом, который подают в замкнутое с боков пространство, через которое сверху поступает струя жидкого кремния. Недостатком данного способа является невысокая степень удаления примесей, алюминия и кальция.

Известен способ рафинирования кремния и его сплавов (патент RU 2146650, С01В 33/037, опубл. 20.03.2000), включающий обработку расплава в ковше кислородом, подаваемым через устройство для продувки газа, в присутствии флюса, в состав которого входят чистый кварцевый песок, известь и/или плавиковый шпат. При этом обработку расплава ведут в две стадии: на первой стадии расплав продувают смесью кислорода с воздухом и/или инертным газом в процессе выпивки расплава из печи в ковш до его заполнения при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, на второй стадии после заполнения ковша расплав обрабатывают воздухом и/или инертным газом до достижения температуры расплава в ковше 1450-1550°С, причем продувку расплава газами осуществляют через пористую часть днища ковша.

Цитируем описание способа: «…одновременно с подачей расплава в ковш непрерывно и равномерно подавали флюс в размере ~ 80 кг, в качестве которого использовали: чистый кварцевый песок фракции - 1 мм, известь фракции - 10 мм и/или плавиковый шпат фракции - 10 мм в стехиометрическом количестве от объема расплава.

Одновременно с подачей расплава через пористую часть днища ковша подавали смесь кислорода с воздухом и/или инертным газом с давлением, превышающим гидростатическое давление столба расплава.

После заполнения ковша расплавом подачу кислорода и флюса прекращали.

При этом использовался осушенный воздух без микровключений 1 класса чистоты с давлением 5-6 атм с расходом 50-100 м³/час с t=10-20°C и кислород с давлением 5-6 атм и расходом 30-200 м³/час. Расход кислорода на этой стадии составил ~9,8 нм³».

По технической сущности, по наличию общих признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.

Недостатком данного способа является неполная очистка кремния от примесей. Рафинирование кремния по данному способу приводит к значительному снижению алюминия, кальция и углерода, но такие примеси как железо из расплава кремния не удаляются.

Раскрытие сущности изобретения.

В основу изобретения положена задача, направленная на повышение качества технического кремния.

При этом техническим результатом является снижение содержания железа в кремнии.

Технический результат достигается тем, что в способе рафинирования технического кремния, включающем продувку в процессе выливки расплава из печи в ковш до его заполнения сжатым воздухом через пористое днище ковша при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, отличающийся тем, что после наполнения ковша на поверхность расплава подают каменную соль и через графитовую фурму, погруженную сверху в расплав кремния, продолжают продувку расплава сжатым воздухом. Способ характеризуется частными случаями выполнения, так количество подаваемой в ковш каменной соль составляет 3-10% от массы кремния в ковше; количество сжатого воздуха через графитовую фурму равно количеству воздуха, подаваемого через пористое днище ковша.

Осуществление изобретения.

Кремний выпускают из печи в ковш, подвергают окислительному рафинированию в присутствии флюса, состоящего из кварцевого песка и извести, сжатым воздухом через пористое днище ковша, и после заполнения ковша, на поверхность расплава подают каменную соль, расплав кремния через графитовую фурму, погруженную в ковш сверху, продувается сжатым воздухом. Каменная соль под воздействием тепла разлагается и за счет взаимодействия хлора с железом уменьшается содержание железа в кремнии в верхней части ковша с жидким кремнием. Образующиеся хлориды железа переходят в шлак.

Известный уровень техники предполагает в процессе рафинирования проводить очистку кремния в ковше от алюминия и кальция во время выпуска расплава кремния из печи в ковш и после заполнения ковша. Другие примеси (железо) при таких способах очистки не удаляются.

Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что процесс очистки расплава кремния в ковше от железа может быть осуществлен при совместном использовании сжатого воздуха для продувки ковша через пористое днище ковша и через графитовую фурму, погруженную сверху в расплав при подаче флюса, состоящего из каменной соли, на поверхность расплава.

Пример осуществления способа.

Перед рафинированием отбирают анализы на содержание примесей в расплаве кремния. Они составили, мас. %: Al - 0,67, Са - 0,85, Fe - 0,43, Si - 98.

Из печи в ковш выпускают расплав кремния с температурой 1650°С. Одновременно с подачей расплава в ковш непрерывно и равномерно подают флюс в размере ~ 80 кг, в качестве которого используют: чистый кварцевый песок фракции - 1 мм, известь фракции - 10 мм.

Одновременно с подачей расплава, через пористое днище ковша подают сжатый воздух с давлением, превышающим гидростатическое давление столба расплава.

После заполнения ковша расплавом на поверхность расплава кремния загружают каменную соль и начинают продувку расплава сверху сжатым воздухом через графитовую фурму. Продувка расплава снизу и сверху способствует более интенсивному перемешиванию расплава и приводит к снижению содержания железа в кремнии. При этом контролируют количество сжатого воздуха, подаваемого через пористое днище ковша и через графитовую фурму, добиваясь равного количества сжатого воздуха, подаваемого через оба прибора, поскольку при равном количестве воздуха кремний перемешивается по всему объему ковша.

По окончании рафинирования определяют количество примесей в кремнии, мас. %: Al - 0,12, Са - 0,08, Fe - 0,28. Содержание кремния составило 99,6%. Было установлено, что рафинирование кремния по данному способу ведет к снижению содержания железа в кремнии. В дальнейших испытаниях способа изменяют количество подаваемой каменной соли. Изменение количества железа в кремнии в зависимости от количества подаваемой в ковш каменной соли приведено в таблице 1.

Учитывая, что при окислительном рафинировании кремния всегда снижается содержание алюминия и кальция, в примерах приведено только изменение содержания железа в кремнии.

Наиболее активно проходит процесс снижения содержания железа в кремнии при подаче в ковш каменной соли от 3,0% до 10% от массы кремния в ковше, примеры 6-18. При подаче в ковш каменной соли менее 3,0 мас. %, примеры 1-5, снижение содержания железа в кремнии незначительно. При увеличении подачи в ковш каменной соли, мас. - более 10%, примеры 19-20, удаление железа из расплава кремния снижается из-за окисления кремния, становится неэффективным, в связи с потерями кремния.

Сравнение предлагаемой технологии рафинирования не только с технологией по прототипу, но технологиями по аналогам показывает, что:

- известно использование воздуха и/или кислорода в процессе рафинирования металлов;

- известно рафинирование расплава в процессе выливки его из печи в ковш;

- известно использование флюсов в процессе рафинирования кремния;

- известна обработка расплава через пористое днище ковша.

Новая совокупность признаков как известных, так и неизвестных в их тесной взаимосвязи позволяет получить технический результат более высокого уровня по сравнению с известными, а именно:

- применение каменной соли при продувке расплава кремния сжатым воздухом с помощью графитовой фурмы сверху;

- совместная продувка расплава кремния сжатым воздухом через пористое днище ковша и с помощью графитовой фурмы сверху;

- разделением газовых потоков на нижний и верхний после заполнения ковша кремнием в присутствии каменной соли приводит к снижению содержания железа в кремнии.

Таким образом, предлагаемое техническое решение отвечает критериям изобретения - изобретательский уровень и промышленная применимость.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для очистки технического кремния, полученного восстановительной плавкой в руднотермических электрических печах. Способ рафинирования технического кремния включает продувку в процессе выливки расплава из печи в ковш до его заполнения сжатым воздухом через пористое днище ковша при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава. После заполнения ковша на поверхность расплава подают каменную соль и через графитовую фурму, погруженную сверху в расплав кремния, продолжают продувку расплава сжатым воздухом, причем количество сжатого воздуха через графитовую фурму равно количеству воздуха, подаваемого через пористое днище ковша. Изобретение позволяет повысить качество технического кремния за счет снижения содержания в нем железа. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ рафинирования технического кремния, включающий продувку в процессе выливки расплава из печи в ковш до его заполнения сжатым воздухом через пористое днище ковша при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, отличающийся тем, что после наполнения ковша на поверхность расплава подают каменную соль и через графитовую фурму, погруженную сверху в расплав кремния, продолжают продувку расплава сжатым воздухом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество подаваемой в ковш каменной соли составляет 3-10% от массы кремния в ковше.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество сжатого воздуха через графитовую фурму равно количеству воздуха, подаваемого через пористое днище ковша.