用石油焦作还原剂生产工业硅的方法

摘要

本发明涉及一种工业硅的生产方法，包括以下步骤：原料准备，还原反应，除渣，定向凝固；本发明解决了现有工业硅生产方法无法解决炉底上涨以及杂质含量多的技术问题，具有杂质含量少，消除炉底上涨现象，反应速度快，能耗降低，炉体结构简单的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业硅的生产方法，尤其涉及一种全石油焦作还原剂的工业硅生产方法。

背景技术

传统工业硅的生产方法是采用碳质作还原剂，在矿热炉中将硅石还原成硅。木炭是最好的还原剂，但因为大量消耗森林资源使应用受限。石油焦可作为木炭的最佳替代品，但是石油焦的强石墨化特性使得炉底上涨，严重影响其应用。现在的解决办法有多种，主要是用70％的木炭和30％的石油焦作还原剂或者用30％的木炭和70％的石油焦做还原剂，其根本思路是部分使用石油焦来克服全石油焦的缺点。但是，增加其他还原剂的同时也会带来新的杂质。如何克服全石油焦作还原剂所带来的炉底上涨等诸多问题，成为硅冶炼行业的新问题。

发明内容

本发明提出了一种用石油焦作还原剂生产工业硅的方法，它解决了现有工业硅生产方法无法解决炉底上涨以及杂质含量多的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用石油焦作还原剂生产工业硅的方法，其特殊之处是：包括以下步骤：

1]原料准备：选择SiO₂含量≥99％的硅石，粉碎至一定的粒度，作为硅源；选择粉末状石油焦作为还原剂；按照硅石∶石油焦＝1.5∶1～2.5∶1的重量比进行充分混合，加入矿热炉；

2]还原反应：加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为1.5～2.5h；停止加热，捣炉；重加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为1.5～2.5h；

3]除渣：

将高温状态下的硅熔液倒入精炼炉中，保持温度为1500～1900℃，气压为0.5～2个标准大气压，通入氯气或者氧气或者富氧空气或者氯气和空气的混合气体进行除渣，持续0.5～1.5h；

4]定向凝固：将硅熔液倒入凝固池中自然降温凝固，即得工业硅。

上述还原反应的步骤为：加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为1.5～2.5h；停止加热，捣炉；重新加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为1.5～2.5h；停止加热，捣炉；再次加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为1.5～2.5h。

上述硅石和石油焦的较佳重量比为硅石∶石油焦＝1.8∶1～2.2∶1；所述硅石较佳粒度为50～150mm；所述还原反应中每次加热的温度保持时间为2h；所述除渣步骤是在气压为1～1.2个标准大气压条件下持续通入富氧空气1h进行除渣。

上述方法还包括还原反应中向矿热炉内的硅熔液中通入适量空气的过程。

上述硅石和石油焦的较佳重量比为硅石∶石油焦＝1.8∶1～2.2∶1；所述硅石较佳粒度为50～150mm；所述还原反应中每次加热的温度保持时间为2h；所述除渣步骤是在气压为1～1.2个标准大气压条件下持续通入富氧空气1h进行除渣。

上述矿热炉内呈“品”字状分布三个石墨电极，并分别和三相工频电源连接。

上述石墨电极为中空电极，所述向矿热炉内的硅熔液中通入适量空气是通过所述中空电极通入炉内硅熔液中。

本发明方法的优点是：

1、杂质含量少。本发明还原剂只采用了石油焦，没有其他还原剂的引入，也就没有了相应杂质的引入，所以同等质量的硅石可还原出更高质量的工业硅。

2、消除了炉底上涨现象。相对现有工业硅生产方法，本发明采用高温高压条件来解决全石油焦作为还原剂产生的炉底上涨现象。在这种高温高压还原条件下，石油焦几乎不发生石墨化现象。

3、反应速度快。由于本发明大幅度提高了硅石的还原反应温度和压力，加上通入空气来加速还原反应，使得反应速度加快，反应更充分。另外，本发明硅石的合适粒度可保证合适的还原反应，粒度太大则还原反应差，粒度太小则透气性差。

4、能耗降低，炉体结构简单。本发明方法采用中空电极的空心结构作为空气通道，简化了炉体结构，降低了炉温损耗。另外，石墨电极的布局方式也有利于炉温的一致性和炉体结构的简单。

具体实施方式

本发明用石油焦作还原剂生产工业硅的具体步骤如下：

1]原料准备：选择SiO₂含量≥99％，Fe₂O₃含量≤0.04％，Al₂O₃含量≤0.04％，，CaO含量≤0.01％的硅石，粉碎至50～150mm粒度，作为硅源；选择固定碳含量≥80％，挥发份≥13％，灰分≤2％的粉末状石油焦作为还原剂；按照硅石∶石油焦＝2∶1的重量比进行充分混合，加入矿热炉；矿热炉内包括三个呈“品”字状分布并分别和三相工频电源连接石墨电极，石墨电极为中空电极；

2]还原反应：加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为2h；停止加热，捣炉；重新加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为2h；停止加热，捣炉；再次加热至炉温为2400～2600℃，温度保持时间为2h；还原反应同时通过中空石墨电极向矿热炉内的硅熔液中持续通入适量空气；

3]除渣：将高温状态下的硅熔液倒入精炼炉中，保持温度为1500～1900℃，气压为1.2个标准大气压，通入富氧空气进行除渣，持续1h；

4]定向凝固：将硅熔液倒入凝固池中自然降温凝固，即得工业硅。经天津地质研究院地质矿产测试中心分析化验，所得工业硅的指标为：Si≥99.9％，Fe≤0.004％，Al≤0.001％，Ca≤0.0016％，P≤0.0002％，B≤0.0004％，Zr≤0.0004％，。

本发明原理：本发明方法采用全石油焦作为还原剂生产工业硅，为了消除全石油焦作为还原剂产生的炉底上涨现象，经过试验，发现在特定的高温高压条件下，全石油焦和硅石发生还原反应不会发生石墨化现象，也就是反应温度要比正常的硅石熔融温度1700℃高大约700～900℃，同时石油焦在还原反应中可对反应环境起到相对封闭的作用，使得还原反应的气压比外界正常气压高，可达到1.2～1.5个标准大气压，保证了反应所需的压强。本发明还原剂只采用了石油焦，没有其他还原剂的引入，也就没有了相应杂质的引入，所以同等质量的硅石可还原出更高质量的工业硅。硅石的合适粒度可保证合适的还原反应，粒度太大则还原反应差，粒度太小则透气性差。本发明方法采用中空电极作为空气通道，简化了炉体结构，降低了炉温损耗。另外，石墨电极的布局方式也有利于炉温的一致性和炉体结构的简单。