用于生产工业硅的方法技术

本发明专利技术提供了一种生产工业级硅的方法，其中将包含二氧化硅和碳的原料混合物与含有元素C、O、Al和Si中的至少一种的颗粒中介物的混合物在电炉中反应，其中所述混合物用无量纲指数K表示，K具有0至745的值并且按如下计算：K＝ω

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生产工业硅的方法本专利技术涉及一种在电炉中由二氧化硅和碳以及含有元素C、O、Al和Si中的至少一种的颗粒中介物来生产工业级硅的方法。如今，硅特别地在硅热法中、在金属提取中、作为脱氧剂在钢铁生产中以工业级(Si含量＜99.9质量％，也称为工业级硅)使用，并且用作铝、铜、钛和铁的铸造合金的合金成分，并且还用作化学化合物的原材料。工业级硅在这里尤其对应于所谓的“钙硅”(二硅化钙CaSi2，约60质量％Si和约40质量％Ca)、硅铁(约45-90％质量％Si和约10-55质量％Fe的合金)和冶金硅(约98-99.5质量％Si)。在工业上，根据净反应方程(1)通过石英(SiO2；任选存在其他添加剂例如含铁废料[硅铁]或碳化钙[钙硅])在电炉(电弧还原炉)中在高温(约2000℃)和环境压力下进行碳热还原来生产工业级硅。该工艺描述在标准作业“高硅合金的生产”(A.Schei,J.K.Tuset,H.Tveit,ProductionofHighSiliconAlloys,1998,Tapirforlag,Trondheim)中。SiO2+2C→Si(l)+2CO(g)(1)在操作期间，反应物、中间体和产物以不同的物质状态存在：固态(C、SiC、SiO2、Si)、液态(Si、SiO2)和气态(主要为CO、SiO)。所使用的碳源通常是由焦炭、石油焦炭、烟煤、木炭和木材颗粒组成的还原混合物。尤其是由SiO和CO组成的强还原气氛在炉子中占主导。在操作期间，SiO2和C向下移动，而SiO和CO向上流动。根据以下反应方程式(2)-(7)形成中间物质：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)硅主要通过反应(8)中所示的反应形成。SiO+SiC→2Si+CO(8)当生产工业级硅时，反应(9)和(10)是不期望的。如果SiO离开炉子，则根据反应(9)在环境空气中由于氧化而形成SiO2，其团聚形成细粒状副产物硅灰，该硅灰经由废气系统离开反应空间，并最终构成产率损失。缩合反应(10)导致在炉子的上部中形成玻璃状区域，这可以防止废气逸出。2SiO+O2→2SiO2(9)2SiO→Si+SiO2(10)因此，SiO的最佳使用不仅在经济方面很重要，尤其是由于硅灰的形成引起的损失，而且在设备安全方面也很重要。除了工业过程的经济方面(例如生产率、生产成本)外，所生产的产品的质量也至关重要。通常用于SiO2的碳热还原中的原料和电极含有各种杂质，这些杂质在工业级硅的情况下，通常导致产物中0.5质量％至2质量％的次要成分的含量。当在化学化合物例如氯硅烷的生产中使用工业级硅时，这些杂质(例如以挥发性氯化物的形式)在多个工艺步骤的过程中被部分地，尽管插入有提纯步骤，带入到相应的最终产品(例如多晶硅、有机硅)中。然而，根据使用领域，这些最终产品必须满足极高的质量要求(半导体/药品/食品/化妆品行业)。因此，对于以工业规模生产这些产品而言，高质量的原材料-工业级硅是重要的。原则上，生产硅的冶金工艺是复杂且耗能的(Schei等人)。通常通过电装置实现的所需能量供应代表了相当大的成本因素。电炉中石英的碳热还原的操作性能(例如，通过每单位时间和反应体积所形成的工业级硅的量、比能耗来测量)关键取决于原料和相应的配方(将原料供应到还原过程的方式)。本专利技术的目的是在不负面影响产品质量的情况下提高生产工业级硅的经济性。本专利技术提供了一种生产工业级硅的方法，其中将包含二氧化硅和碳的原料混合物与含有元素C、O、Al和Si中的至少一种的颗粒中介物的混合物在电炉中反应，其中该混合物用无量纲指数K描述，K具有0至745的值并且按如下计算：K＝ωM·βRM·μC等式(1)其中：βRM＝d90,RM-d10,RM等式(3)其中：ωM为颗粒中介物的特征表面积与体积比系数[1/mm]εm,M为颗粒中介物的平均有效孔隙率βRM为混合物的粒度分布的宽度[mm]μC为混合物中的中介物与原料混合物的质量比d50,M为在中介物的级配曲线中50％的质量小于其的粒度(直径)[mm]d90,RM为在原料混合物的级配曲线中90％的质量小于其的粒度(直径)[mm]d10,RM为在混合物的级配曲线中10％的质量小于其的粒度(直径)[mm]mM为混合物中的中介物的质量[kg]mRM为混合物中的原料混合物的质量[kg]。令人惊讶地发现，添加中介物，在此之后混合物具有0至745的K值，可以借助于二氧化硅的碳热还原来提高生产工业级硅的生产率。这是由于在电炉中更有效地使用SiO而减少了硅和能量的损失所导致的。因此，与常规方法相比，根据本专利技术的方法提高了工业级硅的生产过程的生产率，例如，通过每单位时间和反应体积所形成的工业级硅的量来测量，而不会降低工业级硅的质量。颗粒中介物含有来自元素C、O、Al和Si中的至少一种或多种，或这些元素的一种化合物或多种化合物或这些元素和化合物的混合物。除了已经描述的元素外，颗粒中介物还可优选含有以下元素作为杂质：Li、Na、K、Mg、Ca、Ba、Ti、Zr、V、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Sn、Pb、N、P、As、Sb、Bi、S。在优选的实施方案中，中介物含有硅残留物，该硅残留物优选选自在生产中或机械处理硅例如多晶硅(polycrystallinesilicon)、多晶体硅(multicrystallinesilicon)或单晶硅中产生的副产物或废物。机械处理特别地可以是压碎、研磨和锯切。硅残留物含有硅金属和/或硅化合物，例如SiO2和SiC。在中介物中使用之前通常不需要纯化硅残留物，也就是说，无需进一步纯化步骤就可以使用硅残留物。中介物优选含有至少10质量％，特别优选至少20质量％的硅残留物。由于与用于生产工业级硅的常规原料相比，这些硅残留物的纯度高，因此随着混合物中的中介物含量的增加，用于精炼工业级硅以供进一步使用的费用降低。颗粒中介物的优选组分是在方石英多晶型体中具有＞1质量％的优选SiO2含量的SiO2，SiC，硅金属，和具有30-99.99999质量％、特别优选35-99质量％、尤其是40-95质量％的优选硅金属含量的含硅材料。颗粒中介物的残留物含量可优选含有以下元素：C、O、Al、Li、Na、K、Mg、Ca、Ba、Ti、Zr、V、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、S和C。C优选包括大于85质量％的固定C含量。Al优选以Al2O3的形式存在。如果中介物是各个组分的混合物，则所述组分在每种情况下可以以均质颗粒存在和/或颗粒可通过例如压实/团聚，例如通过造粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生产工业硅的方法，其中将包含二氧化硅和碳的原料混合物与含有元素C、O、Al和Si中的至少一种的颗粒中介物的混合物在电炉中反应，其中/n所述混合物用无量纲指数K描述，K具有0至745的值并且按如下计算：/nK＝ω

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生产工业硅的方法，其中将包含二氧化硅和碳的原料混合物与含有元素C、O、Al和Si中的至少一种的颗粒中介物的混合物在电炉中反应，其中
所述混合物用无量纲指数K描述，K具有0至745的值并且按如下计算：
K＝ωM·βRM·μC等式(1)
其中：



βRM＝d90,RM-d10,RM等式(3)



其中：
ωM为所述颗粒中介物的特征表面积与体积比系数[1/mm]
εm,M为所述颗粒中介物的平均有效孔隙率
βRM为所述混合物的粒度分布的宽度[mm]
μC为所述混合物中中介物与原料混合物的质量比
d50,M为在所述中介物的级配曲线中50％的质量小于其的粒度(直径)[mm]
d90,RM为在所述原料混合物的级配曲线中90％的质量小于其的粒度(直径)[mm]
d10,RM为在所述混合物的级配曲线中10％的质量小于其的粒度(直径)[mm]
mM为所述混合物中的所述中介物的质量[kg]
mRM为所述混合物中的所述原料混合物的质量[kg]。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述中介物包含硅残留物，所述硅残留物...

【专利技术属性】
技术研发人员：KH·里姆伯克，
申请(专利权)人：瓦克化学股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE