硅石还原法生产硅制造技术

本发明专利技术涉及将硅石还原获得硅的工业生产方法。利用杂质含量受到控制的含碳质素的还原剂在高温下还原杂质含量受到控制的硅石，可以生产出杂质如铁、铝、钙、锰等符合一定要求的不同用途的硅原料，包括硅铁，金属硅，化学用硅等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅的工业生产方法，可用于包括普通硅、金属硅、硅合金、化学用硅和一些 杂质元素含量可控的硅的工业生产方法。
技术介绍
工业上生产硅或硅合金(如硅铁)，目前通常采用碳热还原冶炼法，即将硅石(二氧化硅) 和含碳材料如石油焦、木炭、焦炭等混合在矿热炉中冶炼，高温下发生还原反应，生成硅(单 质)和一氧化碳。为取得适当的反应动力学环境，目前普遍采用的碳热还原法，是在电弧加热的硅冶炼电 弧炉内，使用碳和硅石作原料生产硅。硅冶炼炉中，硅石和含碳材料中的碳，在电弧形成的 熔池腔内发生复杂反应，表现为碳还原硅石，最终生成硅单质熔液沉积在熔池腔底部，碳被 硅石氧化成一氧化碳挥发燃烧。中国专利申请98113401.7和02135332.8给出了碳热还原法冶炼硅的具体描述。由于该方法中，通常采用的含碳原料不只一种，每种含碳原料如木炭，煤，石油焦等也 含有比较多的和不确定的杂质，而硅石原料虽然其来源可以比较单一，但也含有一定的杂质， 在还原过程中，各种原料中的杂质，如铁、铝、钙等也进入生产的硅中，使得产品硅中的杂 质无法控制。获得的硅通常纯度只有98~99%。为降低硅中的杂质含量，曾尝试过使用提纯后的碳原料来还原硅石。然而，采用各种方 法提纯后的碳原料往往都石墨化和微粉化，用作还原剂，不仅其反应活性极低，而且无法构 成适当的反应动力学环境，使得用这种方法生产硅十分困难。文献记载，即使采用特殊的等 离子竖式炉，利用高温纯化后的碳原料还原硅石，硅的产量也只有理论产量的1/10~1/5。而目前工业中应用的生产特殊杂质含量的硅、特别是单一或者多种杂质元素含量控制在 一定限度内的纯度较高的硅，主要还是采用化学方法或物理方法将普通碳热还原法冶炼的硅 作进一步提纯来实现。众所周知，由于普通碳热还原法的硅中较高的杂质含量，采用这些方 法处理普通碳热还原法获得的硅存在着成本高，污染大，工艺复杂，生产处理周期长、能耗 高等缺点。
技术实现思路
本专利技术提出了一种新的硅的还原法生产方法，用于包括普通金属硅、硅合金、化学用硅 和一些杂质元素含量可控的(满足一定限度要求的)硅的工业生产，具体方法是，采用含碳 (并含硅)元素(碳质素)的碳硅化合物碳化硅作还原剂，在高温下还原硅石，生成硅或者娃合金o口该法可以在普通的电弧炉/r热炉中进行，根据化学反应式，按适当比例将碳化硅和硅石 混合，在埋弧下电弧加热，经过适当的时间，碳化硅将硅石还原，生成硅和碳氧化合物，生 成的硅以熔液形态积累在炉内电弧熔池底部，将其导出，即可得到硅。工业硅的生产就是用 相同的电弧炉以同样的埋弧加热方式，利用碳来还原硅石的。也可以在其他加热方式的炉(容 器)中进行，按适当比例将碳化硅和硅石混合，将混合料置于容器内，加热到适当的温度，如1450~2300€,即可生成硅。试验表明，混合物料加热到110(TC，即开始生成硅；140(TC以上开始较快地生成硅。在 220(TC以内，温度越高，硅的生成速度越快。采用电弧炉埋弧的方式加热，可以通过形成熔 池反应腔，较快地生成大量的硅，并且生成的硅不易氧化挥发，适合工业上大量生产硅。在反应料中加入适当的其他金属或者金属氧化物或含金属元素的矿石，可以获得相应的 硅合金，如，加入适当的粉钢屑，或铁矿石，可以获得硅铁；加入锰矿石，可以获得硅锰合 金。由于碳化硅在2000X:以上大量气化升华，硅石的沸点在2230'C,而硅的沸点在3500'C 以上，因此，利用碳化硅还原硅石，可以采用气相法，在2000 270(TC左右，使气态的碳化 硅和硅石发生反应，先生成气态氧化硅(SiO),再还原成硅。气态氧化硅也可以发生歧化反 应，生成硅和二氧化硅。这样，生成的硅呈液滴状从反应气相中分离出来，使得反应可以高 效率进行下去。也可以在真空炉中或负压炉内加热反应原料，使碳化硅与硅石反应，可以降低生成硅的 反应的最佳温度，提高反应效率，并可收集和回收利用反应产生的气体。本专利技术方法使用的碳化硅，最好是使用碳热还原法获得的其外观呈疏松多孔状的、密度 较低的碳化硅颗粒或小块，能比较高效率地还原硅石。通常在碳热还原法生产硅的方法中，微观下，碳元素要呈气态才能和硅石发生还原反应。 而碳发生大量快速气化的蒸发点(沸点)非常高，超过3500'C,因此，反应要在高温下进行。本专利技术的方法，由于碳化硅在1300t:左右就开始气化(升华)，能较使用单纯的碳质还 原剂，降低反应温度，提髙反应活性，从而提高反应效率和生产效率。微观下，碳化硅也是传统碳热还原法生产硅的中间产物，本专利技术直接采用碳化硅作还原 剂，能降低单位硅的直接还原能耗，有利于能源的有效利用(例如，在低成本能源供应地获 得碳化硅，转移到高成本能源地生产硅)。通常的硅石的碳还原法生产碳化硅，可以比较高效率地利用能源，原料损失也较少，因 此，采用碳化硅还原法生产硅，可以达到较高的能源或原料利用率。本专利技术的方法，作为还原剂的碳化硅，其表观比重比碳质原料大，颗粒度好，可以呈现 多孔块状，透气性好，可以提供反应混合物料以良好的反应动力学环境，有利于高效率地生 产硅，特别是生产特殊杂质含量要求的硅。采用本专利技术的碳化硅还原硅石的方法生产硅，参与反应的物质种类少，反应过程相对简 单，主要包含如下几个反应-<formula>formula see original document page 5</formula>本专利技术发现，采用碳化硅做还原剂还原硅石生产硅，可突破硅石碳热还原法需在电弧加 热的约*。通过一般加热方式加热碳化硅和硅石的混合物料，控制一定的温度条件，可以使 生成硅的主反应加强，并使操作过程的控制较工业硅的碳热还原法简单容易，可自动化控制，劳动强度大大下降。具体做法举例如下将碳化硅和硅石按还原反应的摩尔比配料混合，置于立式容器中，在下部或底部区域加 热使容器下部或靠近底部的混合物料升温，持续一定时间，原料发生反应生成硅，硅呈液态 积存在容器底部，将硅液导出，容器上部的混合物料落入高温加热区继续反应生成硅，从而 使反应持续进行下去。当然，整体加热容器内的混合物料，也能原料发生反应生成硅。观察发现，混合物料加热至1400 2700X:都可以生成硅，但是，不同的温度段，反应表 现不同。在1850'C以内，生成硅的速度比1850'C以上慢；在硅石的熔点(1710左右)以 上，比硅石熔点以下反应快；在硅石的熔点以下，生成的硅呈液体而从固体的混合物料中自 然分离开来；在2100 240(TC，含硅气体(SiO、 Si02)挥发损失加重，并且碳化硅易于转 变成不具有反应活性的阿尔法碳化硅。夢合考虑，可以选择1400 1670/1710。C作为低温优 选反应温度区间，1800~2100*C作为高瀘反应优选温度控制区间。采用该方法生产硅时，可以采用石墨、石英、氧化锆、氧化铝、氧化镁、碳化硅等耐髙 温材质的容器。加热可以采用易于控制温度的直接或间接感应加热的方式，也可采用其他加热方式。采用本专利技术的方法，可以通过控制碳化硅中的杂质含量，和选用用来还原的相应杂质含 量控制在一定限度范围内的硅石，来实现控制硅产品的杂质含量的目的，从而高效率地获得 碳热还原法难以得到的符合特殊杂质含量要求的硅。此外，本专利技术人发现，本专利技术方法的另 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅或硅合金的生产方法，其特征是，采用碳化硅作还原剂，在高温下还原硅石（二氧化硅），或硅石和含合金元素的矿石混合料，生成硅或硅合金。

【技术特征摘要】
1、一种硅或硅合金的生产方法，其特征是，采用碳化硅作还原剂，在高温下还原硅石(二氧化硅)，或硅石和含合金元素的矿石混合料，生成硅或硅合金。2、 根据权利要求1所述的硅的生产方法，其特征是，采用杂质元素含量限定在一定范围内的 碳化硅和硅石原料，生产杂质元素含量限制在一定范围内的硅。3、 根据权利要求2所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，杂质元素含量限定的碳化硅， 由杂质含量限定的碳和石英砂在高温下反应的方法制取。4、 根据权利要求3所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，杂质元素含量限定的碳化硅， 由杂质含量限定的碳和石英砂，和少量取自下列的一种或数种卤化物CeC13、 AgCl、 CoC12、 KC1、 BaC12、 LiCl、 CuC12、 NaCl、 RbCl、 YC13、 NaF、 CaF2，在髙温下反应的方法制取。5、 根据权利要求2所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，杂质元素含量限定的碳化硅， 由碳化硅经化学提纯的方法制取。6、 根据权利要求2所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，碳化硅和硅石原料含第五号 元素在0.01~0.5ppm,生产含第五号元素含量在0.02ppm lppm的硅。7、 根据权利要求2所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，碳化硅和硅石原料含第十五 号元素在O.Olppm ~0.5ppm,生产含第十五号元素在0.02ppm l卯m的硅。8、 根据权利要求2所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，碳化硅和硅石原料含第十五 号元素低于lppm，含第五号元素低于lppm，含铝低于20ppm,生产含第十五号元素、第五 号元素均低于2ppm、铝低于30ppm的硅。9、 根据权利要求8所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，原料中添加任取自以下元素 单质或其化合物中的一种或数种铁、钴、镍、含铁化合物、含钴化合物、镍化合物、钾化 合物、钙化合物、钠化合物，用作硅生成反应促进剂。10、 根据权利要求8所述的杂质含量限定的硅的生产方法，其中，碳化硅和硅石原料含第十 五号元素低于lppm，含第五号元素低于lppm，含铝低于30ppm，并添加适量氯化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：
申请(专利权)人：于旭宏，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]