[go: up one dir, main page]

WO2020117098A1 - Method for aluminothermic production of metal powders and device for the implementation thereof - Google Patents

Method for aluminothermic production of metal powders and device for the implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
WO2020117098A1
WO2020117098A1 PCT/RU2019/000871 RU2019000871W WO2020117098A1 WO 2020117098 A1 WO2020117098 A1 WO 2020117098A1 RU 2019000871 W RU2019000871 W RU 2019000871W WO 2020117098 A1 WO2020117098 A1 WO 2020117098A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tetrachloride
reactor
aluminum
silicon
jet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2019/000871
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Альберт Иванович БЕГУНОВ
Алексей Альбертович БЕГУНОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal State Budget Education Institution Of Higher Education "irkutsk National Research Technical University"
Obshestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostiy "modern Chemical And Metallurgical Technologies"
Original Assignee
Federal State Budget Education Institution Of Higher Education "irkutsk National Research Technical University"
Obshestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostiy "modern Chemical And Metallurgical Technologies"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Federal State Budget Education Institution Of Higher Education "irkutsk National Research Technical University", Obshestvo S Ogranichennoy Otvetstvennostiy "modern Chemical And Metallurgical Technologies" filed Critical Federal State Budget Education Institution Of Higher Education "irkutsk National Research Technical University"
Publication of WO2020117098A1 publication Critical patent/WO2020117098A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/027Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/033Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by reduction of silicon halides or halosilanes with a metal or a metallic alloy as the only reducing agents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00Obtaining refractory metals
    • C22B34/10Obtaining titanium, zirconium or hafnium
    • C22B34/12Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00General methods of reducing to metals
    • C22B5/02Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/04Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by aluminium, other metals or silicon

Definitions

  • the present invention relates to the field of metallurgy of light metals in relation to aluminothermic methods and devices for producing powders of titanium and silicon.
  • Titanium and silicon are neighbors in the periodic system of elements, are included in its fourth group and are the most important structural elements of modern technology (especially titanium), as well as the most important semiconductors (silicon).
  • the closest prototype of the invention is our patent Ns 2.549.795 of low-temperature reduction of titanium tetrachloride with changes in device, pressure parameters, as well as device, pressure and process temperature for silicon.
  • the dosing unit for the supply of tetrachloride in the drop or jet-drop mode reproduces, in principle, the classical titration unit of analytical chemistry, the device is elementary simple and infinitely reliable.
  • the novelty lies in the fact that a massive aluminum block of a reducing metal is installed in the reaction zone, on the surface of which liquid tetrachloride is metered in a drop or jet-drop mode.
  • the purpose of this solution is to guarantee the avoidance of the possibility of "getting" into the field of kinetics with branching chains and uncontrolled high or “explosive” speeds.
  • quantitatively dosing the liquid is incomparably easier than the dispersed aluminum powder in the invention, the prototype.
  • the recovery process is somewhat stretched both in time, passing into a liquid film on the surface of an aluminum block, and in the reaction space filled with gaseous tetrachloride.
  • the aluminum block having high values of heat capacity and thermal conductivity, is interfaced with the metal walls of the reactor and the exchanger assembly installed externally. This technique also allows you to dump excess energy with its possible further utilization and facilitates process control.
  • the reduction temperature is maintained for silicon in the range from - 700 C to +580 C.
  • titanium it remains the same as that provided for in the prototype invention and is not indicated in the formula of this solution (from - 230 C to +1370 C).
  • the pressure in the reactor is maintained close to atmospheric, but slightly higher: from 1.0 to 1.05 at.
  • Equation (1) is the same as the underlying processes in the invention, the prototype, but structurally, reaction (1) in the new invention looks different.
  • A1 is not in a dispersed state, but in a compact state. It is not aluminum powder that is not present here that is dosed when it is fed into the reactor, but liquid dispersed tetrachloride.
  • a reactor consisting of a cylindrical part 1 is used to carry out the chemical work of reduction and a cone-shaped collection of reaction products 2 together with excess trichloride 3 (Fig. 1.).
  • the most important part of the device is a compact aluminum cylindrical block made of highly pure metal 4, mounted on a false bottom 5 at the bottom of the reactor. This block is provided with grooves 6 for draining recovery products on them.
  • tetrachloride in the jet - drop mode 7 to the horizontal surface of the aluminum block.
  • the device also comprises a temperature control and stabilization unit 7, covering the cylindrical part of the reactor.
  • the reactor is hermetically sealed with a lid 8, through which the nozzle 9 passes to supply additional amounts of tetrachloride, if necessary, a slight increase in pressure in the system.
  • Another fitting 10 is designed to purge the device with inert gas before shutting down and depressurizing the reactor to install a new reducing agent block.
  • the node for regulating the pressure in the system is connected with the use of the nozzle 9 and is traditional.
  • the device also contains a locking-outlet device 11, which can operate both in batch and continuous mode.
  • MS14 tetrachloride When MS14 tetrachloride is fed through dosing unit 7 on the surface of a compact aluminum block 4, drops and trickles of chloride spread and interact with this surface, spreading along it in the radial direction. Further, the reduction products in excess tetrachloride flow down the recesses into the lower conical part of the reactor. After discharge from the reactor under slight excess pressure, this mixture is sent to filters to separate titanium or silicon powders, as well as aluminum trichloride from tetrachloride. The residual tetrachloride is vacuum-stripped sequentially at temperatures of about 600 ° C for SiC14, about 1400 ° C for TiC14, and finally about 1820 ° C for A1C13. If necessary, additional drying of each product can be carried out at higher temperatures in vacuum or inert gas.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

What is proposed is a method for producing titanium and silicon powders by aluminothermic reduction thereof from liquid tetrachlorides at low temperatures and a pressure of 1.0 to 1,05 atm, whereby a suitable tetrachloride is fed on the surface of an aluminium block in a dripping or jet-dripping mode. The process utilises a conventional cylindrical reactor with a cone-shaped collector for the products at the bottom part thereof. A compact block of ultrapure aluminium is pre-installed in the reactor. The device is provided with a dispensing unit for tetrachloride dosing in a jet-dripping mode and units for controlling and stabilising temperature and pressure.

Description

СПОСОБ АЛЮМОТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ METHOD FOR ALUMOTHERMIC PRODUCTION OF METAL POWDERS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники. The field of technology.

Настоящее изобретение относится к области металлургии лёгких металлов применительно к алюмотермическим способам и устройствам для получения порошков титана и кремния. The present invention relates to the field of metallurgy of light metals in relation to aluminothermic methods and devices for producing powders of titanium and silicon.

Предшествующий уровень техники. The prior art.

Титан и кремний являются соседями в периодической системе элементов, входят в её четвёртую группу и являются важнейшими конструкционными элементами современной техники (особенно титан), а также важнейшими полупроводниками (кремний). Titanium and silicon are neighbors in the periodic system of elements, are included in its fourth group and are the most important structural elements of modern technology (especially titanium), as well as the most important semiconductors (silicon).

Техника и технология производства этих элементов в чистом виде основана на восстановлении их тетрахлоридов из газовой фазы. При этом оба тетрахлорида обладают очень низкими значениями температур плавления и кипения. Для TiC14 это соответственно - 230 С и +137,30 С, а для SiC14 - 700 С и +57,60 С. Диапазон жидкого состояния для хлорида титана равен 1600 С и для тетрахлорида кремния 1280 С. (Справочник химика, т. II. Под ред. Б.П.Никольского.

Figure imgf000003_0001
М-Л.: Химия, 1964, 1167 с.). По этим причинам представляется ненужным переводить тетрахлориды в газовую фазу и отказаться от технологий восстановления их в несколько сот градусов Кельвина с большим расходом энергии, трудностями герметизации, регулирования процессов, экологическими проблемами и т.д. The technique and production technology of these elements in pure form is based on the reduction of their tetrachlorides from the gas phase. In this case, both tetrachloride have very low melting and boiling points. For TiC14 this is 230 C and +137.30 C, respectively, and for SiC14 it is 700 C and +57.60 C. The liquid state range for titanium chloride is 1600 C and for silicon tetrachloride is 1280 C. (Chemistry Handbook, vol. II Edited by B.P. Nikolsky.
Figure imgf000003_0001
M-L .: Chemistry, 1964, 1167 p.). For these reasons, it seems unnecessary to transfer tetrachlorides to the gas phase and abandon their recovery technologies of several hundred degrees Kelvin with high energy consumption, difficulties in sealing, process regulation, environmental problems, etc.

Среди известных методов производства порошков титана распространение получило металлотермическое получение титана из диоксида или тетрахлорида гидридом кальция. Полученные порошки, однако, содержат большое количество примесей, а само производство весьма энергоёмко. (Тарасов А.В. Металлургия титана.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2003,327 с., с.252). Among the known methods for the production of titanium powders, metallothermic production of titanium from dioxide or tetrachloride by calcium hydride has spread. The resulting powders, however, contain a large amount of impurities, and the production itself is very energy intensive. (Tarasov A.V. Metallurgy of titanium.- M.: IKC Akademkniga, 2003.327 p., P. 252).

Нами предложены способ и устройство для алюмотермического восстановления титана дисперсным алюминием из жидкого тетрахлорида при температуре от - 230 С до +1370 С (Бегунов А.И., Бегунов А.А. Пат. РФ N° 2.549.795. Опубл. 27.04.2015. Бюлл. N° Предложен также способ получения титана (порошка) при температурах (750 - 1100) К во встречных турбулентных потоках дисперсных алюминия и тетрахлорида. (Бегунов А.И., Бегунов А.А. Пат. РФ Ns 2.559.075. Опубл. 10.08.2015. Бюлл. Ns 22). We have proposed a method and apparatus for aluminothermic reduction of titanium with dispersed aluminum from liquid tetrachloride at a temperature of from-230 C to +1370 C (Begunov A.I., Begunov A.A. Pat. RF N ° 2.549.795. Bull. N ° A method for producing titanium (powder) at temperatures (750 - 1100) K in counter turbulent flows of dispersed aluminum and tetrachloride is also proposed. (Begunov A.I., Begunov A.A. Pat. RF Ns 2.559.075. Published. 08/10/2015. Bull. Ns 22).

Наконец, известно ещё одно наше изобретение по «Устройству...», относящемуся также к получению порошкообразного титана при высоких температурах с использованием встречных турбулентных потоков тетрахлорида и дисперсного расплавленного алюминия. (Бегунов А.И., Бегунов А.А. Пат. РФ Ns 2.641.914. Опубл. 23.01.2018. Бюлл. Ns 3.). Finally, another of our inventions is known for the “Device ...”, which also relates to the production of powdered titanium at high temperatures using counter turbulent flows of tetrachloride and dispersed molten aluminum. (Begunov A.I., Begunov A.A. Pat. RF Ns 2.641.914. Publ. 23.01.2018. Bull. Ns 3.).

По технологиям получения порошков кремния в наиболее фундаментальной американской монографии- справочнике какая-либо информация отсутствует^ Герман Р. Порошковая металлургия от А до Я. - Перевод с англ. Либенсон Г.А., Падалко О.В.- Под ред. Падалко О.В.- Долгопрудный: И.Д. Интеллект, 2009, 335с.). В то же время Компания «Плазмотерм» предлагает порошок кремния чистотой 99,8- 99,9 % при стоимости его в пределах 3600-6000 руб./кг (2018год. http://wwwOn the technologies for producing silicon powders in the most fundamental American monograph-reference book, no information is available ^ Herman R. Powder metallurgy from A to Z. - Translation from English. Libenson G.A., Padalko O.V. - Ed. Padalko O.V. - Dolgoprudny: I.D. Intellect, 2009, 335c.). At the same time, the Plazmoterm Company offers silicon powder with a purity of 99.8-99.9% with a cost in the range of 3600-6000 rubles / kg (2018 year http: // www

.plazmotherm.m/catalog/chemical/silicium/item 186.html ). .plazmotherm.m / catalog / chemical / silicium / item 186.html).

По-видимому, плазмотронная техника восстановления никогда не позволит получать кремний с низкими энергетическими и материальными затратами, которые необходимы для массового внедрения продукта «солнечного» качества. Apparently, the plasmatron reduction technique will never allow to obtain silicon with low energy and material costs, which are necessary for the mass introduction of a product of "solar" quality.

Из рассмотренных аналогов наши патенты RFN3 2.559.075 и Ns 2.641.941 сложны для реализации встречных турбулентных потоков перегретых хлоридов и дисперсного металла-восстановителя при температурах 750-1100К. В них могут быть достигнуты очень высокие значения скорости реакций восстановления, но процесс может быть трудноуправляемым. Действительно, в перегретых тетрахлоридах всегда будут присутствовать хлориды меньших валентностей и реакции могут протекать по схеме разветвлённых цепных реакций с возможностью взрыва. К тому же так называемые взрывные пределы по параметрам температур, давлений и концентраций компонентов плохо подвергаются контролю и регулированию. Может быть, ещё в большей степени это относится к восстановлению кремния из трихлорида SiHC13 , который используется в большинстве фирм и стран. Of the analogues considered, our patents RFN3 2.559.075 and Ns 2.641.941 are difficult to realize counter turbulent flows of superheated chlorides and dispersed metal reducing agents at temperatures of 750-1100K. Very high values of the rate of reduction reactions can be achieved in them, but the process can be difficult to control. Indeed, chlorides of lower valencies will always be present in superheated tetrachlorides and reactions can proceed according to the scheme of branched chain reactions with the possibility of explosion. In addition, the so-called explosive limits in terms of temperature, pressure and component concentrations are poorly controlled and regulated. Perhaps even more so, this applies to the reduction of silicon from SiHC13 trichloride, which is used in most companies and countries.

Поэтому ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является наш патент Ns 2.549.795 низкотемпературного восстановления тетрахлорида титана с изменениями в устройстве, параметрах давления, а также в устройстве, давлении и температуре процесса для кремния. Therefore, the closest prototype of the invention is our patent Ns 2.549.795 of low-temperature reduction of titanium tetrachloride with changes in device, pressure parameters, as well as device, pressure and process temperature for silicon.

Технический результат Technical result

Это лёгкость дозирования, подача одного из реагентов - жидкого тетрахлорида в умеренном и небольшом массовом или объёмном эквиваленте, что исключает возможность перехода в режим кинетики с разветвляющимися цепями. This is the ease of dosing, the supply of one of the reagents - liquid tetrachloride in moderate and small mass or volume equivalent, which excludes the possibility of switching to the kinetics mode with branching chains.

Узел дозирования подачи тетрахлорида в капельном или струйно-капельном режиме воспроизводит в принципе классический блок титрования аналитической химии, устройство элементарно простое и беспредельно надёжное. The dosing unit for the supply of tetrachloride in the drop or jet-drop mode reproduces, in principle, the classical titration unit of analytical chemistry, the device is elementary simple and infinitely reliable.

Использование алюминия - восстановителя в виде компактного металлического блока, на поверхности которого и происходит, в основном, процесс восстановления, позволяет отвести избыток тепла к узлу регулирования и стабилизации температуры, расположенному снаружи цилиндрической части реактора.. The use of aluminum - reducing agent in the form of a compact metal block, on the surface of which the recovery process mainly takes place, allows the excess heat to be removed to the temperature control and stabilization unit located outside the cylindrical part of the reactor ..

Раскрытие изобретения Disclosure of invention

Новизна заключается в том, что в реакционной зоне устанавливают массивный алюминиевый блок из металла- восстановителя, на поверхность которого дозированно подают жидкий тетрахлорид в капельном или струйно-капельном режиме. Цель этого решения состоит в том, чтобы гарантированно избежать возможности «попадания» в область кинетики с разветвляющимися цепями и неконтролируемых высоких или «взрывных» скоростей. К тому же количественно дозировать жидкость несопоставимо проще, чем дисперсный алюминиевый порошок в изобретении - прототипе. Наконец, процесс восстановления несколько растягивается как во времени, переходя в плёнку жидкости на поверхности алюминиевого блока, так и в реакционном пространстве, заполняемым газообразным тетрахлоридом. Кроме того, алюминиевый блок, обладая высокими величинами теплоёмкости и теплопроводности, сопрягается с металлическими стенками реактора и установленным снаружи узлом теплообменника. Такой приём также позволяет сбрасывать избыток энергии с его возможной дальнейшей утилизацией и облегчает управление технологическим процессом. Температура восстановления выдерживается для кремния в пределах от - 700 С до +580 С . Для титана она остаётся той же, что предусмотрена в изобретении-прототипе и в формуле настоящего решения не указывается ( от - 230 С до +1370 С). The novelty lies in the fact that a massive aluminum block of a reducing metal is installed in the reaction zone, on the surface of which liquid tetrachloride is metered in a drop or jet-drop mode. The purpose of this solution is to guarantee the avoidance of the possibility of "getting" into the field of kinetics with branching chains and uncontrolled high or "explosive" speeds. In addition, quantitatively dosing the liquid is incomparably easier than the dispersed aluminum powder in the invention, the prototype. Finally, the recovery process is somewhat stretched both in time, passing into a liquid film on the surface of an aluminum block, and in the reaction space filled with gaseous tetrachloride. In addition, the aluminum block, having high values of heat capacity and thermal conductivity, is interfaced with the metal walls of the reactor and the exchanger assembly installed externally. This technique also allows you to dump excess energy with its possible further utilization and facilitates process control. The reduction temperature is maintained for silicon in the range from - 700 C to +580 C. For titanium, it remains the same as that provided for in the prototype invention and is not indicated in the formula of this solution (from - 230 C to +1370 C).

Для гарантированного обеспечения безопасности процесса давление в реакторе поддерживается близким к атмосферному, но несколько выше его: от 1,0 до 1,05 ат. To ensure the safety of the process, the pressure in the reactor is maintained close to atmospheric, but slightly higher: from 1.0 to 1.05 at.

Использовать инертный газ в нашем процессе как заполнитель реактора представляется нецелесообразным, т. к. любой лишний компонент содержит примеси, нежелательные в обеих продуктах. Лучше заполнять объём тетрахлоридом как основным компонентом процесса, легко к тому же подвергающегося очистке ректификацией до любой требуемой степени чистоты. It is not advisable to use an inert gas in our process as a reactor aggregate, since any excess component contains impurities that are undesirable in both products. It is better to fill the volume with tetrachloride as the main component of the process, which is also easily subjected to purification by distillation to any desired degree of purity.

Использовать вакуум также нецелесообразно, так как всякое нарушение герметичности реактора приведёт к поступлению в него примесных количеств азота и кислорода воздуха, что недопустимо. Using a vacuum is also impractical, since any violation of the tightness of the reactor will lead to the ingress of impurity amounts of nitrogen and oxygen in it, which is unacceptable.

С другой стороны, любые малейшие утечки наружу газообразного тетрахлорида легко обнаруживаются и могут быть быстро устранены. On the other hand, any slightest outward leak of gaseous tetrachloride is easily detected and can be quickly repaired.

Сущность процесса может быть выражена уравнением реакции: The essence of the process can be expressed by the reaction equation:

ЗМС14 ж.д + 4А1тв = ЗМтв,д +4А1С13тв. д (1), где МС14 - это Т 14 или SiC14 , М - Ti или Si. Нижние индексы означают: ж,д - жидкое, дисперсное; тв - твёрдое; тв, д— твёрдое, дисперсное состояния. Уравнение (1) то же, что и лежащее в основе процессов в изобретении— прототипе, но в структурном отношении реакция (1) в новом изобретении выглядит иначе. Здесь А1 не в дисперсном, а в компактном состоянии. Дозируется при подаче в реактор не алюминиевый порошок, которого здесь нет, а жидкий дисперсный тетрахлорид. ZMS14 railway d + 4A1tv = ZMtv, d + 4A1t13tv. d (1), where MC14 is T 14 or SiC14, M is Ti or Si. Subscripts mean: w, d - liquid, dispersed; tv is solid; tv, d — solid, dispersed state. Equation (1) is the same as the underlying processes in the invention, the prototype, but structurally, reaction (1) in the new invention looks different. Here, A1 is not in a dispersed state, but in a compact state. It is not aluminum powder that is not present here that is dosed when it is fed into the reactor, but liquid dispersed tetrachloride.

Краткое описание ФИГУР чертежей Для реализации предложенного технического решения используется реактор, состоящий из цилиндрической части 1 , для выполнения химической работы восстановления и конусообразного сборника продуктов взаимодействия 2 вместе с избыточным трихлоридом 3 (Фиг. 1.). Важнейшей частью устройства является компактный алюминиевый цилиндрический блок из особо чистого металла 4, устанавливаемый на ложное днище 5 в нижней части реактора. Этот блок снабжён проточками 6 для стекания по ним продуктов восстановления. Brief description of the FIGURES of the drawings To implement the proposed technical solution, a reactor consisting of a cylindrical part 1 is used to carry out the chemical work of reduction and a cone-shaped collection of reaction products 2 together with excess trichloride 3 (Fig. 1.). The most important part of the device is a compact aluminum cylindrical block made of highly pure metal 4, mounted on a false bottom 5 at the bottom of the reactor. This block is provided with grooves 6 for draining recovery products on them.

Другой важнейшей частью устройства является узел дозирования подачи тетрахлорида в струйно - капельном режиме 7 на горизонтальную поверхность алюминиевого блока. На этой поверхности тетрахлорид в виде капель, частично растекающихся в плёнки, взаимодействует с алюминием при образовании порошков титана или кремния. Another most important part of the device is the dosing unit for the supply of tetrachloride in the jet - drop mode 7 to the horizontal surface of the aluminum block. On this surface, tetrachloride in the form of droplets, partially spreading into films, interacts with aluminum to form titanium or silicon powders.

Устройство содержит также узел регулирования и стабилизации температуры 7, охватывающий цилиндрическую часть реактора. Реактор герметично закрыт крышкой 8 , через которую проходит штуцер 9 для подачи дополнительных количеств тетрахлорида при необходимости некоторого повышения давления в системе. Другой штуцер 10 предназначен для продувки устройства инертным газом перед отключением и разгерметизацией реактора для установки нового блока восстановителя. Узел регулирования давления в системе связан с использованием штуцера 9 и является традиционным. The device also comprises a temperature control and stabilization unit 7, covering the cylindrical part of the reactor. The reactor is hermetically sealed with a lid 8, through which the nozzle 9 passes to supply additional amounts of tetrachloride, if necessary, a slight increase in pressure in the system. Another fitting 10 is designed to purge the device with inert gas before shutting down and depressurizing the reactor to install a new reducing agent block. The node for regulating the pressure in the system is connected with the use of the nozzle 9 and is traditional.

Устройство содержит также запорно-выпускное устройство 11 , которое может работать как в периодическом, так и в непрерывном режиме. The device also contains a locking-outlet device 11, which can operate both in batch and continuous mode.

При подаче тетрахлорида МС14 через узел дозирования 7 на поверхности компактного алюминиевого блока 4 капли и струйки хлорида растекаются и взаимодействуют с этой поверхностью, растекаясь по ней в радиальном направлении. Далее продукты восстановления в избыточном тетрахлориде стекают по выточкам в нижнюю конусную часть реактора. После выпуска из реактора под небольшим избыточным давлением эта смесь направляется на фильтры для отделения порошков титана или кремния, а также трихлорида алюминия от тетрахлорида. Остаточный тетрахлорид отгоняется вакуум-термически последовательно при температурах около 600С для SiC14, порядка 1400С для TiC14, и, наконец, около 1820 С для А1С13. Может выполняться при необходимости и дополнительная сушка каждого продукта при более высоких температурах в вакууме или инертном газе. When MS14 tetrachloride is fed through dosing unit 7 on the surface of a compact aluminum block 4, drops and trickles of chloride spread and interact with this surface, spreading along it in the radial direction. Further, the reduction products in excess tetrachloride flow down the recesses into the lower conical part of the reactor. After discharge from the reactor under slight excess pressure, this mixture is sent to filters to separate titanium or silicon powders, as well as aluminum trichloride from tetrachloride. The residual tetrachloride is vacuum-stripped sequentially at temperatures of about 600 ° C for SiC14, about 1400 ° C for TiC14, and finally about 1820 ° C for A1C13. If necessary, additional drying of each product can be carried out at higher temperatures in vacuum or inert gas.

Сведения, подтверждающие возможность и целесообразность осуществления изобретения В химической термодинамике равновесных состояний и обратимых процессов основным критерием возможности протекания реакции является величина её свободной энергии Гиббса или Гельмгольца. Если это значение отрицательно, реакция возможна. По нашим расчётам для процесса восстановления кремния алюминием при (273 - 330) К величина AG ~ (- 740) КДж, а для титана при (260 - 410)К это - (265-310)КДж, т.е. обе эти реакции в рассматривающихся условиях имеют равновесие, значительно смещённое в сторону продуктов - свободных кремния и алюминия. Information confirming the possibility and feasibility of the invention In chemical thermodynamics of equilibrium states and reversible processes, the main criterion for the possibility of a reaction proceeding is the magnitude of its Gibbs or Helmholtz free energy. If this value is negative, a reaction is possible. According to our calculations, for the process of silicon reduction with aluminum at (273 - 330) K, the value of AG ~ (- 740) KJ, and for titanium at (260 - 410) K it is (265-310) KJ, i.e. under these conditions, both of these reactions have an equilibrium significantly shifted toward products — free silicon and aluminum.

Кинетические и фазовые барьеры в условиях работы предложенных способа и устройства отсутствуют благодаря явно турбулентным режимам движения сред, дисперсному характеру и постоянно возобновляемой свежей поверхности компонентов. Kinetic and phase barriers under the conditions of the proposed method and device are absent due to clearly turbulent modes of motion of the media, the dispersed nature and the constantly renewed fresh surface of the components.

Целесообразность реализации режимов получения порошков кремния при температуре ниже 1000С и для титана не выше 1500С крайне привлекательна, т.к. эти процессы несопоставимо менее энергоёмки. Кроме того, они могут выполняться только в герметичной аппаратуре, обеспечить работоспособность которой гораздо легче при низких температурах, чем при значениях её до 1000 К и выше. Таким образом, решаются и вопросы экологической чистоты, а также предрасположенности процессов к автоматизации и исключению затрат тяжёлого физического труда. Спрос на порошки существует, стоимость их достигает нескольких тысяч руб/кг. The feasibility of implementing the regimes for producing silicon powders at temperatures below 1000 ° C and for titanium no higher than 1500 ° C is extremely attractive, because these processes are incomparably less energy intensive. In addition, they can only be carried out in sealed equipment, which is much easier to ensure at low temperatures than with values up to 1000 K and higher. Thus, issues of environmental cleanliness, as well as the predisposition of processes to automation and the elimination of the cost of heavy physical labor, are solved. There is a demand for powders; their cost reaches several thousand rubles / kg.

Ожидается резкое снижение затрат на производство, что увеличивает шансы разработки и массового внедрения солнечно-кремниевой энергетики. Спрос на титан, и в существующих условиях быстро растущий, ещё более повысится при снижении его цены. A sharp decrease in production costs is expected, which increases the chances of the development and mass introduction of solar-silicon energy. Demand for titanium, and in the current conditions is rapidly growing, will increase further with a decrease in its price.

Наконец, после реализации низкозатратных способов получения порошков титана и кремния представляется возможность превращать их в слитки, профили или монокристаллы в результате применения вакуум-термической электроплавки, зонной плавки, метода Чохральского и т.д. Finally, after the implementation of low-cost methods for producing titanium and silicon powders, it is possible to turn them into ingots, profiles, or single crystals as a result of the application of vacuum thermal melting, zone melting, the Czochralski method, etc.

Claims

Формула изобретения Claim 1. Способ получения металлических порошков титана и кремния алюмотермическим восстановлением тетрахлорида , отличающийся тем. что тетрахлорид подают на поверхность алюминиевого блока со скоростью, обеспечивающей капельный или струйно-капельный режим истечения жидкости с последующим растеканием её по поверхности алюминия в плёнку и механическим уносом продуктов восстановления, при этом процесс проводится в температурных условиях для кремния от - 700 С до +580 С и по давлению от 1,00 до 1,05 ат для обеих сред того или иного тетрахлорида. 1. The method of producing metal powders of titanium and silicon by aluminothermic reduction of tetrachloride, characterized in that. that tetrachloride is supplied to the surface of the aluminum block at a speed that provides a drip or jet-drop mode of liquid outflow, followed by spreading it over the aluminum surface into the film and mechanical ablation of the reduction products, while the process is carried out under temperature conditions for silicon from -700 С to +580 C and pressure from 1.00 to 1.05 atm for both media of one or another tetrachloride. 2. Устройство для реализации способа в виде реактора с цилиндрической основной частью и конусной частью для сбора и удаления продуктов восстановления вместе с избыточным тетрахлоридом, отличающееся тем, что алюминий - восстановитель заранее располагают в реакционное пространство в виде компактного металлического блока, при этом реактор снабжён узлом дозирования подачи тетрахлорида в струйно - капельном режиме, а также узлами регулирования и стабилизации температуры и давления в пределах , позволяющих поддерживать преимущественно жидкое агрегатное состояние того или иного тетрахлорида. 2. A device for implementing the method in the form of a reactor with a cylindrical main part and a conical part for collecting and removing reduction products together with excess tetrachloride, characterized in that the aluminum - reducing agent is pre-arranged in the reaction space in the form of a compact metal block, and the reactor is equipped with a unit dosing of tetrachloride supply in a jet - drop mode, as well as by nodes of regulation and stabilization of temperature and pressure within the limits allowing to maintain a predominantly liquid state of aggregation of one or another tetrachloride.
PCT/RU2019/000871 2018-12-05 2019-11-29 Method for aluminothermic production of metal powders and device for the implementation thereof Ceased WO2020117098A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143217A RU2729691C2 (en) 2018-12-05 2018-12-05 Method of aluminothermic production of metal powders and device for its implementation
RU2018143217 2018-12-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020117098A1 true WO2020117098A1 (en) 2020-06-11

Family

ID=70973523

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000871 Ceased WO2020117098A1 (en) 2018-12-05 2019-11-29 Method for aluminothermic production of metal powders and device for the implementation thereof

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2729691C2 (en)
WO (1) WO2020117098A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009018425A1 (en) * 2007-08-01 2009-02-05 Boston Silicon Materials Llc Process for the production of high purity elemental silicon
WO2013185153A2 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Csir Process for the production of crystalline titanium powder
RU2519460C1 (en) * 2012-12-26 2014-06-10 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) Production of silicon with the use of aluminium subchloride
RU2549795C2 (en) * 2013-06-28 2015-04-27 Общество с ограниченной ответственностью "Современные химические и металлургические технологии" (ООО "СХИМТ") Method of producing titanium and apparatus therefor
RU2559075C2 (en) * 2013-11-26 2015-08-10 ООО "Современные химические и металлургические технологии" (ООО "СХИМТ") Method for aluminothermal production of titanium

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009018425A1 (en) * 2007-08-01 2009-02-05 Boston Silicon Materials Llc Process for the production of high purity elemental silicon
WO2013185153A2 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Csir Process for the production of crystalline titanium powder
RU2519460C1 (en) * 2012-12-26 2014-06-10 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии И Химической Технологии Сибирского Отделения Российской Академии Наук (Иххт Со Ран) Production of silicon with the use of aluminium subchloride
RU2549795C2 (en) * 2013-06-28 2015-04-27 Общество с ограниченной ответственностью "Современные химические и металлургические технологии" (ООО "СХИМТ") Method of producing titanium and apparatus therefor
RU2559075C2 (en) * 2013-11-26 2015-08-10 ООО "Современные химические и металлургические технологии" (ООО "СХИМТ") Method for aluminothermal production of titanium

Also Published As

Publication number Publication date
RU2018143217A (en) 2020-06-05
RU2018143217A3 (en) 2020-06-05
RU2729691C2 (en) 2020-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0129555B1 (en) Process and apparatus for obtaining silicon
SU1331435A3 (en) Method and installation for production of rare high-melting metal
NL8320390A (en) METHOD AND APPARATUS FOR OBTAINING SILICONE FROM HYDROFLUORIC HYDROXIC ACID.
van der Ham et al. Eutectic freeze crystallization in a new apparatus: the cooled disk column crystallizer
Safarian et al. Thermodynamic and kinetic behavior of B and Na through the contact of B-doped silicon with Na2O-SiO2 slags
JP5886831B2 (en) Generation of single crystal semiconductor materials
JP4038110B2 (en) Method for producing silicon
JPS6345112A (en) Purification of silicon
JPH0264006A (en) Production of solar silicon
Friedrich et al. Effect of process parameter variation on purity during rotary fractional crystallization of Aluminum
WO2020117098A1 (en) Method for aluminothermic production of metal powders and device for the implementation thereof
EA009910B1 (en) Method for controlling the size of powder
Maurits Silicon production
US4597948A (en) Apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid
JP2006506532A (en) Separation system and separation method of metal powder from slurry
WO1984002514A1 (en) Process and apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid
US8974761B2 (en) Methods for producing silane
MX2007011733A (en) Process for the production of si by reduction of siclj with liquid zn.
US4781565A (en) Apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid
US4748014A (en) Process and apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid
WO2001044112A1 (en) Method for purification of tungsten hexafluoride
Karabanov et al. Mathematical modeling and experimental research of the method of plasma chemical purification of metallurgical-grade silicon
JP2008037735A (en) Apparatus for manufacturing silicon
JP2003002626A (en) Reactor for silicon production
NO132078B (en)

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19892277

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19892277

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1