[發明專利]用于生產工業硅的方法

在審

• 申請號: 201980037658.0
• 申請日: 2019-03-22
• 公開（公告）號: CN112236392A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: K-H·里姆伯克
• 申請（專利權）人: 瓦克化學股份公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 彭麗丹;過曉東

本發明提供了一種生產工業級硅的方法，其中將包含二氧化硅和碳的原料混合物與含有元素C、O、Al和Si中的至少一種的顆粒中介物的混合物在電爐中反應，其中所述混合物用無量綱指數K表示，K具有0至745的值并且按如下計算：K＝ω_M·β_RM·μ_C 等式(1)其中：；β_RM＝d_90，RM?d_10，RM 等式(3)；其中ω_M、ε_m，M、β_RM、μ_C、d_50，M、d_90，RM、m_M和m_RM的含義在權利要求1中進行了解釋。

本發明涉及一種在電爐中由二氧化硅和碳以及含有元素C、O、Al和Si中的至少一種的顆粒中介物來生產工業級硅的方法。

如今，硅特別地在硅熱法中、在金屬提取中、作為脫氧劑在鋼鐵生產中以工業級(Si含量＜99.9質量％，也稱為工業級硅)使用，并且用作鋁、銅、鈦和鐵的鑄造合金的合金成分，并且還用作化學化合物的原材料。

工業級硅在這里尤其對應于所謂的“鈣硅”(二硅化鈣CaSi₂，約60質量％Si和約40質量％Ca)、硅鐵(約45-90％質量％Si和約10-55質量％Fe的合金)和冶金硅(約98-99.5質量％Si)。

在工業上，根據凈反應方程(1)通過石英(SiO₂；任選存在其他添加劑例如含鐵廢料[硅鐵]或碳化鈣[鈣硅])在電爐(電弧還原爐)中在高溫(約2000℃)和環境壓力下進行碳熱還原來生產工業級硅。該工藝描述在標準作業“高硅合金的生產”(A.Schei,J.K.Tuset,H.Tveit,Production of High Silicon Alloys,1998,Tapir forlag,Trondheim)中。

SiO₂+2C→Si(l)+2CO(g) (1)

在操作期間，反應物、中間體和產物以不同的物質狀態存在：固態(C、SiC、SiO₂、Si)、液態(Si、SiO₂)和氣態(主要為CO、SiO)。所使用的碳源通常是由焦炭、石油焦炭、煙煤、木炭和木材顆粒組成的還原混合物。尤其是由SiO和CO組成的強還原氣氛在爐子中占主導。在操作期間，SiO₂和C向下移動，而SiO和CO向上流動。根據以下反應方程式(2)-(7)形成中間物質：

SiO₂+C→SiO+CO (2)

SiO+2C→SiC+CO (3)

SiO₂+2SiC→3Si+2CO (4)

2SiO₂+SiC→3SiO+CO (5)

SiO₂+CO→SiO+CO₂ (6)

2CO₂+SiC→SiO+3CO (7)

硅主要通過反應(8)中所示的反應形成。

SiO+SiC→2Si+CO (8)

當生產工業級硅時，反應(9)和(10)是不期望的。如果SiO離開爐子，則根據反應(9)在環境空氣中由于氧化而形成SiO₂，其團聚形成細粒狀副產物硅灰，該硅灰經由廢氣系統離開反應空間，并最終構成產率損失。縮合反應(10)導致在爐子的上部中形成玻璃狀區域，這可以防止廢氣逸出。

2SiO+O₂→2SiO₂ (9)

2SiO→Si+SiO₂ (10)