[发明专利]用于生产工业硅的方法

说明书

本发明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_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的含义在权利要求1中进行了解释。

本发明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,Production of High Silicon Alloys,1998,Tapir forlag,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)