Способ получения металлического кремния Российский патент 2025 года по МПК C01B33/23 

Изобретение относится к производству неметаллических элементов, а именно к способам получения кремния восстановлением диоксида кремния или материала, содержащего диоксид кремния и может быть использовано в цветной металлургии для применения в фотоэлектронной промышленности, например, для изготовления солнечных батарей.

Известен способ получения металлического кремния, представленный в п. №2160705 по кл. С01В 33/025, з. 11.02.1999 г., опубл. 20.12.2000 г. Известный способ характеризуется следующей формулой:

1. Способ получения кремния, включающий карботермическое восстановление диоксида кремния, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют жидкую фенольную смолу, при этом процесс карботермического восстановления ведут в три приема: от комнатной температуры до 160°С при 0,1-0,7 МПа, далее до 800°С с выдержкой при этой температуре в течение 1 ч, до 1700°С - среде инертного газа в два этапа до 130-1400°С при 0,01 Па и с 1300-1400 до 1700°С при повышающемся давлении от 0,01 Па до 0,1 МПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют диоксид кремния с содержанием примесей не более 190 ppm.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что восстановитель содержит примесей не более 80 ppm.

Недостатком известного способа является его многоэтапность, а также использование в процессе производства фенольной смолы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому заявителям представляется описанный в этом же патенте способ получения кремния, известный из японского патента №61006112, класс МКИ С01В 33/02, выбранный в качестве прототипа.

Согласно известному способу, порошок SiO₂ вдувают в нагретую до 1300°С печь с помощью газа-носителя (аргона, водорода). Углеродсодержащим восстановителем является органическое соединение - газообразный углеводород. Для обеспечения максимально полного контакта между порошком диоксида кремния и газообразным углеводородом процесс науглероживания проводят в кипящем слое. Использование дисперсного порошка диоксида позволяет увеличить активность образующейся шихты для восстановления SiO₂. При температуре 1300°С осажденный во время науглероживания на поверхность кварцевых частиц пироуглерод переходит в карбид кремния. Далее смесь SiO₂-SiC поступает в плазменную плавильную печь, где при более высоких температурах происходит взаимодействие в расплаве между компонентами смеси с образованием расплава металлического кремния.

Недостатками данного способа является то, что со всех сторон покрывающий кварцевые частицы слой пироуглерода или сажи во время науглероживания не образует плотного, хорошо сцепленного с поверхностью диоксида кремния покрытия, что определяет низкий уровень межфазного взаимодействия на границе "SiO₂-углерод". Это происходит потому, что стадии адсорбции углеводородного восстановителя на поверхности кварцевых частиц и его пиролиз с образованием слоя пироуглерода на частицах протекают практически одновременно. При этом углеводород не успевает проникнуть в самые малые поры и трещины порошка диоксида кремния из-за диффузионных затруднений, особенно нарастающих по мере образования слоя пироуглерода или сажи на частицах. Эти факторы не способствуют формированию выгодного для последующего восстановления SiO₂ межфазного контакта. Кроме того, обычно используемые в пиролизе углеводороды - алканы, алкены или алкины - газы, неполярная природа которых не приводит к образованию на границе с поверхностью диоксида кремния слоя кокса, имеющего хорошую адгезию к подложке SiO₂.

Эта особенность шихты SiC-SiO₂ сохраняется и после образования слоя SiC на поверхности кварцевых частиц за счет реакции:

т.к. при карботермическом восстановлении образующийся карбид всегда наследует структуру своего углеродного предшественника. Поэтому шихта промежуточного состава SiC-SiO₂ представляет собой рыхлый, осыпающийся брикет и не имеет достаточной технологической прочности.

Если сказать проще, то металлический кремний оказывается загрязнен сажей.

Задачей заявляемого способ является получение химически чистого металлического кремния.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения металлического кремния, включающем измельчение исходного сырья в виде лиоксида кремния до получения его в порошкообразном состоянии, последующее вдувание с помощью газа-носителя в виде водорода полученного порошка SiO₂ в устройство плазменной обработки, имеющее температуру не ниже 1300°С, последующее перемешивание порошка диоксида кремния и газообразного двухэлементного газообразного восстановителя в устройстве плазменной обработки, где при более высоких температурах и обеспечении контакта между собой названных компонентов смеси происходит их взаимодействие с образованием расплава металлического кремния, согласно изобретению, в качестве сырья используют песок с содержанием диоксида кремния не менее 98%, измельчение сырья производят до фракции не более 1-го микрона, контролируя процесс щелевым фильтром, полученный порошок вдувают в печь с использованием избытка водорода с помощью пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м³/час, в качестве двухэлементного газа - восстановителя используют смесь «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль O₂ : 2 моль Н, для плазменной обработки используют устройство, в котором при взаимодействии компонентов смеси часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого расплава металлического кремния.

Использование в качестве исходного сырья кварцевого песка с содержанием диоксида кремния не менее 98% в совокупности с последующим измельчением его до дисперсного состояния (не более 1 микрона) увеличивает активность шихты; вдувание его с помощью пескоструйной установки с достаточно большой скоростью с избытком водорода в плавильную печь обеспечивает высокую интенсивность перемешивания компонентов - порошка двуокиси кремния и двухэлементного газообразного восстановителя в устройстве плазменной обработки; использование для плазменной обработки устройства, обеспечивающего дальнейшее взаимодействие компонентов смеси между собой при их контакте, при котором часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого металлического кремния, т.е. позволяет достичь заданного результата.

Технический результат - получение химически чистого металлического кремния.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как использование в качестве сырья песка с содержанием диоксида кремния не менее 98%, измельчение сырья до фракции не более 1-го микрона, контролируя процесс щелевым фильтром, вдувание полученного порошка в устройство плазменной обработки с использованием избытка водорода с помощью пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м³/час, использование в качестве двухэлементного газа - восстановителя смеси «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль О₂ : 2 моль Н, использования для плазменной обработки устройства, в котором при взаимодействии компонентов смеси часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого расплава металлического кремния, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителям неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результата, поэтому они считают, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ получения металлического кремния может найти широкое применение в его производстве и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Заявляемый способ заключается в следующем.

Для получения металлического кремния в качестве сырья используют песок с содержанием диоксида кремния не менее 98%, который далее подвергают измельчению его до порошкообразного состояния в виде фракции не более 1 микрона, контролируя процесс измельчения с помощью щелевого фильтра. Затем полученный порошок SiO₂ вдувают с помощью газа-носителя в виде водорода посредством пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м³/час в устройство плазменной обработки, имеющее температуру не ниже 1300°С. При этом для плазменной обработки используют устройство, которое выполнено с возможностью регулирования параметров процесса. В это же устройство подают двухэлементный газообразный восстановитель, в качестве которого используют смесь «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль О₂: 2 моль Н. Здесь и происходит перемешивание названных компонентов. При взаимодействии компонентов смеси между собой в устройстве плазменной обработки часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого расплава металлического кремния.

На практике в качестве сырья используют, в частности, пески карьеров Челябинской области.

В сравнении с прототипом заявляемый способ обеспечивает получение химически чистого металлического кремния.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано при изготовлении солнечных батарей. Способ получения металлического кремния включает измельчение песка с содержанием диоксида кремния не менее 98% до порошкообразного состояния с размером частиц не более 1 микрона. Полученный порошок диоксида кремния вдувают в устройство плазменной обработки с использованием избытка водорода со скоростью подачи от 1 до 2 м³/час и перемешивают с газообразным двухэлементным газом-восстановителем, в качестве которого используют смесь «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль O₂ : 2 моль Н. При взаимодействии компонентов смеси между собой часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния. Изобретение позволяет получить химически чистый металлический кремний.

Способ получения металлического кремния, включающий измельчение исходного сырья в виде диоксида кремния до получения его в порошкообразном состоянии, последующее вдувание с помощью газа-носителя в виде водорода полученного порошка SiO₂ в устройство плазменной обработки, имеющее температуру не ниже 1300°С, последующее перемешивание порошка диоксида кремния и газообразного двухэлементного восстановителя в устройстве плазменной обработки, где при более высоких температурах и обеспечении контакта между собой названных компонентов смеси происходит их взаимодействие с образованием расплава металлического кремния, отличающийся тем, что в качестве сырья используют песок с содержанием диоксида кремния не менее 98%, измельчение сырья производят до фракции не более 1 микрона, контролируя процесс щелевым фильтром, полученный порошок вдувают в печь с использованием избытка водорода с помощью пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м³/час, в качестве двухэлементного газа-восстановителя используют смесь «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль O₂ : 2 моль Н, для плазменной обработки используют устройство, в котором при взаимодействии компонентов смеси часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием расплава химически чистого металлического кремния.