[1]Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способам получения технического кремния в электрических печах.
[2]Технический кремний получают высокотемпературным восстановлением минерального сырья, кварца или кварцитов, с помощью углеродистых восстановителей. В процессе восстановительной плавки, кроме ведущего элемента кремния, восстанавливаются и другие элементы, которые являются примесями в минеральном сырье и входят в состав золы восстановителей. Все восстановленные элементы, такие как железо, алюминий, кальций, фосфор, в подавляющем большинстве ухудшают качество технического кремния. Для удаления нежелательных примесей до минимально допустимых величин проводят окислительное рафинирование кремния (Ёлкин К.С., Зельберг Б.И. и др. Производство кремния. Справочник металлурга, С-Пб, МАНЭБ, 2013, 364 с.).
[3]Повышенные требования к высококачественным алюминиевым сплавам, в которых основным легирующим элементом является кремний, ограничивают содержание фосфора в кремнии и заставляют производителей кремния разрабатывать технологии по удалению фосфора.
[4]Известен способ рафинирования кремния и его сплавов (патент RU 2146650, С01В 33/037, опубл. 20.03.2000), включающий в себя 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. В процессе рафинирования происходит снижение в кремнии содержания алюминия, кальция и углерода. При осуществлении данного способа не происходит удаления фосфора, что является недостатком данного способа рафинирования кремния.
[5]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.
[6]Известен способ выплавки технического кремния, включающий дозирование, загрузку и непрерывное проплавление шихты, состоящей из кварцита, нефтяного кокса, древесного и каменного углей, древесной щепы (Попов С.И. Металлургия кремния в трехфазных руднотермических печах, Иркутск, 2000, с. 75-95). Недостатком данного способа является невысокое качество кремния.
[7]Наиболее близким к заявляемому способу является способ выплавки технического кремния в электропечах (патент RU 2570153, С01В 33/025, опубл. 10.12.2015), включающий дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты, состоящей из кварцита, нефтяного кокса, древесного и каменного углей, древесной щепы. При дозировании шихту делят на две части, одну часть шихты загружают в центр ванны печи, а в другую часть шихты добавляют карбид кремния и загружают под электроды, при этом часть шихты, содержащая карбид кремния, имеет следующий состав компонентов, масс. %: кварцит 45,3-50,1; древесный уголь 2,4-5,2; каменный уголь 9,8-21,2; нефтяной кокс 1,4-3,1; древесная щепа 4,4-9,8; карбид кремния 10,6-36,7. В центр ванны печи и между электродами периодически загружают восстановитель в количестве 2-5% от веса загруженного карбида кремния.
[8]Недостатком прототипа является невысокое качество кремния из-за большого количества примесей, вносимых восстановителями.
[9]В основу изобретения положена задача, направленная на повышение качества технического кремния, получаемого восстановительной плавкой в руднотермических печах.
[10]При этом техническим результатом является снижение содержания фосфора в кремнии до содержания менее 0,0020 мас. %.
[11]Технический результат достигается за счет того, что в способе выплавки технического кремния, включающем дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты, состоящей из кварцита, смеси восстановителей и карбида кремния, новым является то, что во время дозирования навеску шихты разделяют на две части: вначале в печь загружают смесь карбида кремния и кварцита, взятых в стехиометрическом соотношении, затем на эту смесь загружают оставшуюся часть кварцита и углеродистых восстановителей.
[12]В качестве восстановителей могут быть использованы нефтяной кокс, древесный и каменный угли, древесная щепа.
[13]Способ осуществляют следующим образом: в композиции восстановителей, состоящей из древесного и каменного углей, нефтяного кокса и древесной щепы, определяли количество вносимого с золой восстановителей фосфора. Выявлено, что до 52 мас. % фосфора вносится древесным углем, до 25 мас. % - древесной щепой, и до 18 мас. % - каменным углем.
[14]Вводимый в состав шихты карбид кремния уменьшает количество фосфора, вносимого с шихтой. Для уменьшения содержания фосфора в конечном продукте перед загрузкой навеску шихты разделяли на две части. Вначале загружали смесь карбида кремния и кварцита в стехиометрическом соотношении для осуществления реакции
[16]и так как эта реакция протекает при более высокой температуре, часть восстановленного фосфора испаряется, что уменьшает содержание фосфора в кремнии.
[17]Затем загружали оставшуюся часть кварцита и углеродистые восстановители для плавки кремния по реакции
[19]В промышленной печи проводили опытные плавки и изменяли количество вносимых с шихтой углеродистых восстановителей и карбида кремния. В полученном кремнии измеряли содержание фосфора. Результаты опытных плавок приведены в таблице 1.
[20]
[21]Изменение соотношения углеродистых восстановителей - карбида кремния при ведении плавки показало, что с введением в состав шихты карбида кремния содержание фосфора в кремнии снижается незначительно. В дальнейшем при загрузке шихты в печь навеску шихты разделили на две части: вначале на колошник печи загружали карбид кремния вместе с кварцитом, затем на эту шихту загружали оставшуюся часть кварцита и углеродистых восстановителей. При такой загрузке шихты содержание фосфора в кремнии снизилось до 0.0014 мас. %, дальнейшее увеличение доли карбида кремния привело к постепенному, устойчивому увеличению количества фосфора в кремнии. Причина в том, что при значительном увеличении доли карбида кремния, более 30 мас. %, снижается извлечение кремния, из-за подъема температуры на колошнике печи по причине развития реакции образования монооксида кремния (SiO) при взаимодействии карбида кремния и кварцита.
[22]Оптимальным вариантом замены углеродистых восстановителей на карбид кремния является величина 10-30 мас. %, опыты 5-9. При меньшем количестве карбида кремния не достигается необходимое количество фосфора в кремнии, опыты 2-3. С увеличением количества карбида кремния, более 30 мас. %, уменьшается извлечение кремния, что ведет к увеличению содержания фосфора, опыты 10-12.
