LU83595A1 - Verfahren zur herstellung von silicium aus quarz und kohlenstoff im elektroofen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Silicium aus Quarz und, Kohlenstoff im Elektroofen, wobei in den Elektroofen eine Mischung von Agglomeraten aus Quarz und Kohlenstoff sowie körniger Quarz eingebracht , und die Mischung zu einer Rçaktion gebracht wird, bei der sich auch Siliciumcarbid bildet. - Elektroofen meint im Rahmen der Erfindung hauptsächlich Öfen vom Typ der in der Metallurgie üblichen Elektro-Niederschachtöfen. Quarz bezeichnet im Rahmen der Erfindung alle üblichen Siliciumdioxidträger, insbesondere Sand, Quarzite und dergleichen.

Das gattungsgemäße Verfahren (DE-PS 20 55 565, Spalte 3,

Zeilen 4 bis 19) ist die Weiterentwicklung einer Verfahrensweise, bei der mit einer losen Mischung und Schüttung aus Quarz und Kohlenstoff gearbeitet wird, d. h. ohne vorherige Bildung von Agglomeraten. Die Verfahrensweise mit loser i, Schüttung führt über eine Disproportionierung von gasförmigem

Siliciummonoxid zu einer sogenannten zyklischen Reduktion lind damit zu einer Rückbildung von Siliciumdioxid, was den Energieverbrauch erhöht und die Ausbeute mindert. Bei den * , gattungsgemäßen Verfahren erreicht man demgegenüber zwar eine

Erhöhung der Ausbeute, die getrennte Zugabe von körnigem Quarz führt aber zur Abtrennung des Siliciumdioxids von dem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel innerhalb des Elektroofens, was zu einem unregelmäßigen und unwirksamen Arbeiten des Ofens führt. Die Agglomerate bestehen aus den genannten Komponenten mit Kohlenstoff in Form von Kohle und sind durch Extrusion oder dergleichen hergestellt. Solche Agglomerate y sind jedoch wenig standfest. Man beobachtet eine pastenförm^e

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VerSchmelzung der Beschickung in gewissen Bereichen des Elektroofens. Eine differenzierte Verfahrensführung mit einerseits gezieltem Reaktionsablauf in den Agglomeraten, andererseits mit dem Quarz aus der körnigen Schüttung läßt sich nicht einstellen und ist nicht beabsichtigt. Das gilt auch dann, wenn man auf eine stöchiometrische Umsetzung gemäß der Gleichung SiOj + 2C->Si + 2C0 abstellt und dazu, bei ^ Verzicht auf die Beigabe von körnigem Quarz, eine agglome rierte Beschickung verwendet, in welcher das Siliciumdioxid bezüglich seiner Körnung und in welcher fernerhin das Gewichts-, Verhältnis der Kömungsanteile sowie das Schüttgewicht der agglomerierten Beschickung besonders eingestellt sind. Auch bei dieser Verfahrensweise entsteht Siliciummonoxid, welches die Neigung hat, sich mit dem Kohlenmonoxid umzusetzen, wobei klebrige Produkte entstehen. Ähnlich liegen die Verhältnisse, . wenn die Beschickung aus Pellets oder Briketts aufgebaut wird, die aus geformten Körpern von feinverteiltem Siliciumdioxid in homogener Mischung mit den erforderlichen Mengen des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels bestehen. i

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so zu führen, daß einerseits in den Agglomeraten und andererseits mit dem Quarz aus der Schüttung eine differenzierte Verfahrenweise mit gezieltem Reaktionsablauf möglich ist, und zwar ohne störende Bildung von Siliciummonoxid.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Agglo-merate in Form von standfesten Briketts mit einem Kohlenstoffanteil von 30 bis 60 Gewichtsprozent eingebracht werden,die aus feinkörnigem Quarz und feinkörniger Kohle bei einer Temperatur von 350 bis 650°C, vorzugsweise 500 bis 600° C durch / Heißbrikettierung hergestellt worden sind, daß ferner im / I * ·» 4 — ί

Elektroofen zunächst der Quarz der Briketts mit dem Kohlenstoff der Briketts unter Bildung von Kohlenmonoxid zu dem Siliciumcarbid umgeset2t sowie der körnige Quarz geschmolzen wird und daß das gebildete Siliciumcarbid mit dem geschmolzenen Quarz unter Bildung von Kohlenmonoxid zu Silicium umgesetzt wird. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird bei der Umsetzung des Quarzes der Briketts mit dem Kohlenstoff ^ der Briketts bei einer Temperatur von 1600°C und mehr, bei der Umsetzung des Siliciumcarbids mit dem geschmolzenen Quarz bei einer Temperatur von 1800 bis 2000° C gearbeitet. Im allgemeinen wird man Briketts einsetzen, die ein Gewicht von 10 bis 100 g, vorzugsweise 20 bis 60 g aufweisen. Der körnige Quarz soll eine Körnung von 3 bis 12 mm besitzen. Zu besonders definierten Verhältnissen bei der Verfahrensführung kommt man dann, wenn eine Schüttung erzeugt wird, welche die Briketts im wesentlichen in dichtester Packung, z. B. dichtester Kugelpackung, aufweist, und daß in den Zwickeln zwischen den Briketts der körnige Quarz angeordnet wird.

(· Betrachtet man die Reduktion von Siliciumdioxid, so könnte man, um die Bildung von Siliciummonoxid nahezu vollständig auszuschalten, daran denken, dem Quarz Kohlenstoff in hohem Überschuß anzubieten, damit eine schnelle durchgreifende Reduzierung zum Silicium ablaufen kann. Dieser Gedanke ist praktisch jedoch nicht durchführbar, da der überschüssige Kohlenstoff mit dem Silicium eine Legierung eingeht, die unter dem Neimen Siliciumcarbid bekannt ist:

Si02 + 3C --^ SiC + 2C0

Die Kenntnis dieser Zusammenhänge hat die Lösung der eingangs / beschriebenen Probleme bisher nicht beeinflußt. Die Erfinduhçr // l# s r · » - 5 - geht aus von der aus der vorstehend angegebenen Gleichung resultierenden Tatsache, daß überschüssiger Kohlenstoff mit Silicium zu Siliciumcarbid legiert. Erfindungsgemäß wird dieser Vorgang nutzbar gemacht, indem eine Zweiteilung der Einsatzstoffe vorgenommen wird. Der eine Teil besteht aus Briketts, die einen hohen Kohlenstoffüberschuß bezogen auf die Reduktion von Siliciumdioxid enthalten; der zweite Teil ^ wird allein von körnigem Quarz gestellt, dessen Körner in ihrer Größe dem freien Volumen zwischen den Briketts angepaßt sind. Der Elektroofen läßt sich ohne weiteres so führen, daß im ersten Schritt das Brikett während des Niedergangs der Schüttung in Siliciumcarbid umgewandelt wird, während das Siliciumcarbid im zweiten Schritt mit dem geschmolzenen Quarz reagiert: 2Si C + Si02-*3 Si + 2C0

Ein erster Vorteil besteht darin, daß im Brikett bei sehr engem Kontakt der Reaktionspartner der hohe Kohlenstoffüber-( schuß die Siliciumoxid-Bildung unterdrückt, da entstehendes

Siliciumoxid sofort mit dem anwesenden Kohlenstoff weiterreagieren kann. Ein zweiter Vorteil ist im hohen spezifischen Gewicht des Siliclumcarbids zu sehen, das es in die leichtere Quarz-Schmelze tief einwandern läßt, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit der Umsetzung stark erhöht wird. In der betrieblichen Durchführung bedeuten diese Zusammenhänge folgendes: Nach der Gleichung

Si02 + 2C --->Si + 2C0 sind zur Reduktion von 1000 kg Quarz rund 400 kg Kohlenstoff notwendig, wenn man von Verlusten absieht. Dieser Ansatz/0^ r i ' - '6 _ entspricht der stöchiometrischen Reaktion. Mit diesen 400 kg Kohlenstoff können aber auch 666 kg Quarz zu Siliciumcarbid umgesetzt werden. Es verbleiben 334 kg Quarz die mit dem zwischenzeitlich im Ofen erzeugten Siliciumcarbid weiterreagieren. Dieser Quarz gelangt am besten kleinstückig über 3 bis 12 mm in den Ofen. Berücksichtigt man die stets auftretenden Verluste, so muß man das Kohlenstoffangebot um rund 5 bis 10% £ erhöhen. Als reales Beispiel seien hier 8 % angenommen. Danach müssen also 432 kg Kohlenstoff mit 666 kg Sand brikettiert werden. Prozentual ausgedrückt bedeutet das 39,3 % Kohlenstoff im Brikett. Es hat sich aber herausgestellt, daß eine weitere Verbesserung des Prozesses erreichbar ist, wenn in die Briketts aus Quarz/Kohlenstoff über die zur Siliciumcarbid-Bildung benötigte Menge hinaus Kohlenstoff eingelagert wird. Das drückt abermals, wie oben beschrieben, die Bildung von Siliciumoxid. Hieraus resultiert eine Verschiebung der Siliciumdioxidanteile im Brikett, das kohlenstoffreicher wird. Der Einsatz von körnigem Quarz muß angehoben werden. Es hat sich herausgestellt, daß man zu guten betrieblichen Ergebnissen gelangt, wenn man die Quarzmengen ungefähr zu einer Hälfte als Körner j ' in Form von gebrochenen abgesiebten Quarziten und zur anderen Hälfte als Sand oder Feinquarzit im Gemisch mit Kohlenstoff-- trägem einsetzt. Unter Berücksichtigung der Verluste bedeutet das z. B. eine Brikettierung von 500 kg Sand oder Feinquarziten mit 432 kg Kohlenstoff, der damit zu 46 % im Brikett enthalten ist.

Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile sind mehrfacher Art. Einmal können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu rund 50 % billige Flußsande oder kaum verwendungsfähiges Quarzitfein eingesetzt werden, wodurch die Rohmaterialkosten/ erheblich gesenkt werden. Zum zweiten sinkt beim Einsatz /^./ ‘ Uy i · t - 7 - t eines Gemisches aus körnigem Quarz und Sand/Kohlenstoffbri-ketts der Stromverbrauch um 25 bis 30 %, Die Vorteile der Um-weltsreinhaltung seien ebenfalls angeführt.

Entsprechend standfeste Briketts der angegebenen Zusammensetzunç lassen sich am besten mittels backender Kohle in einer Heißbrikettierung herstellen. Dazu werden 25-3 % Kohle benötigt, f -I- v die im Brikett 20-3 % Kohlenstoff liefern. Das macht knapp die Hälfte des erforderlichen Kohlenstoffs aus, der zwischen 40 und 50 % liegen soll. Hier können andere Kohlenstoffträger einspringen. Bevorzugt wird Petrolkoks, da dieser Stoff wenig / Verunreinigungen aufweist. /1/

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Claims (5)

1· Verfahren zur Herstellung von Silicium aus Quarz und Kohlenstoff im Elektroofen, wobei in den Elektroofen eine Mischung von Agglomeraten aus Quarz und Kohlenstoff sowie körnigem Quarz eingebracht und die Mischung zu einer Reaktion gebracht wird, bei der sich auch Siliciuracarbid bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Agglomerate in Form von standfesten / Briketts mit einem Kohlenstoffanteil von 30 bis 60 Gewichts^/ / i /y ! // - 9 - Prozent eingebracht werden, welche Briketts aus feinkörnigem Quarz und Kohle bei einer Temperatur von 350 bis 650° Cr vorzugsweise 500 bis 600° C, heißbrikettiert worden sind, daß im Elektroofen zunächst der Quarz der Briketts mit dem Kohlenstoff der Briketts unter Bildung von Kohlenmonoxid zu dem Siliciumcarbid umgesetzt sowie der körnige Quarz geschmolzen wird und daß das gebildete Siliciumcarbid mit dem „ ( geschmolzenen Quarz unter Bildung von Kohlenmonoxid zu Silicium umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umsetzung des Quarzes der Briketts mit dem Kohlenstoff der Briketts bei einer Temperatur von 1600° C und mehr,bei der Umsetzung des Siliciumcarbids mit dem geschmolzenen Quarz bei einer Temperatur von 1800 bis 2000° C gearbeitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Briketts eines Gewichtes von 10 bis 100 g, vorzugsweise 20 bis 60 g, gearbeitet wird. <

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit körnigem Quarz der Körnung von 3 bis 12 mm r O gearbeitet wird. 4

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schüttung erzeugt wird, welche die Briketts im wesentlichen in dichtester Packung, z. B. dichtester Kugelpackung, aufweist, und daß in den Zwickeln zwischen den Briketts der körnige Quarz angeordnet wird* '__^---m n r.. r. ^ - _jLD.-_ pages dont -.....J........ · =' ' - „Ja........ -../-a: n ......λ...... E, ce rcvar,v.tcâllon£ 4 ......ijcüwi.jui » . -:- * ^ ~