一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法及生产系统

摘要

本发明涉及一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法，包括以下步骤：S1首先对工业废料微硅粉进行加密处理，然后与还原剂进行混合配料并搅拌，得混合物料；S2向混合物料中加入水进行搅拌，搅拌后经成球处理制得微硅粉球团；S3将微硅粉球团在1600‑2000℃的温度下还原冶炼19‑21min，即可得到工业硅。本发明还包括一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的生产系统，该系统包括微硅粉储料加密仓、还原剂储料仓、双龙搅拌混合机、对辊加压成球机和还原冶炼炉；本发明被还原冶炼的主要原料可以全为废料微硅粉，且微硅粉的还原回收率大于85％，既解决了微硅粉综合利用度低和污染环境的难题，又产生了比较高的工业硅产品。

说明书

技术领域

本发明属于有色冶金生产技术领域，具体涉及一种利用环保除尘器回收的粉尘废料生产的高品质工业硅的方法及生产系统。

背景技术

目前我国生产工业硅的方法主要是用河矿或山矿硅石作为原料，添加还原剂后用矿热炉进行高温冶炼生产。而山矿或河矿的硅石中含有许多不利于还原生产的杂质，若不加处理便会降低成品的质量，为了提高产品质量，大多需要在冶炼过程中先进行供氧去除。同时工业硅在生产过程中会产生大量的废料伴生物-微硅粉，据统计每生产1吨工业硅就伴有0.4吨左右的微硅粉。微硅粉中二氧化硅含量大于95％以上，其余不足的5％主要为碳以及其他微量杂质，非常适合冶炼高品质工业硅，但由于微硅粉质量很轻，并且在生成时发生了形态的转变，若直接将其作为原料运用到金属硅冶炼中，将面临加料以及物料还原这两个难题。因此微硅粉一般作为添加剂使用，但是用量很少，每年都会有大量的微硅粉堆积，由于微硅粉颗度小，比重轻，遇刮风下雨，该粉尘就会经风力飘到空中形成雾，或经雨水冲刷进入地下直接影响水质质量，对环境造成严重污染，需要后期花费大量的资金去维持微硅粉的管理。另外大量伴生的微硅粉也造成了工业硅生产企业产能的下降，生产成本变高，大大降低了我国工业硅产业的竞争力。因此微硅粉的综合利用已经成为了工业硅生产企业的一个难题，到目前为止，还没有成熟的工艺综合利用微硅粉，使其返回到工业硅的生产中。

申请号为CN201210327693.6公开了一种还原熔炼微硅粉的方法，主要步骤为把石英矿、木炭、烟煤以及粘接剂硅酸钠按照工艺的要求破碎到一定的粒度，把破碎后的物料与微硅粉进行混合，同时加入粘接剂硅酸钠，在混合过程中缓慢加入水，把混合料放入模具内进行压制成型，卸压得到形状大小合适的微硅粉球团，把微硅粉球团放入气氛炉内进行焙烧，将焙烧后的微硅粉球团放入熔炼炉内进行还原熔炼。该发明将微硅粉作为生产工业硅的部分原料，在一定程度上解决了硅冶金工业中粉尘的污染问题，但用于还原的微硅粉在整个原料中所占比例未超过50％，且工艺较为复杂，首先需要将原本为固体块状的石英矿、木炭、烟煤破碎为20-300μm的细小颗粒，然后再与比重轻的微硅粉经加水进行结合，最后还需经压制、焙烧得到抗压强度与密度都满足还原要求的微硅粉球团后才能进行熔炼得到成品，极其耗费人力物力，不适用于工业生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法及生产系统，本发明制备过程简单，安全高效，所用原料除了还原剂外可以全为废料微硅粉，且微硅粉的还原率大于85％，有效解决了微硅粉综合利用度低和污染环境的难题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法，包括以下步骤：

S1：首先对工业废料微硅粉进行加密处理，然后与还原剂进行混合配料并搅拌，得混合物料；

S1：向所述混合物料中加入水进行搅拌，搅拌后经成球处理制得微硅粉球团；

S1：将所述微硅粉球团在1600-2000℃的温度下还原冶炼19-21min，即可得到工业硅。

优选地：S1中所述微硅粉的重量份为90-110，所述还原剂的重量份为36-60.5，S2中所述水的重量份为9-11。

采用上述重量份的微硅粉、还原剂与水混合反应，可实现85％以上的还原回收率。

优选地：所述还原剂为焦炭粉、石油焦或原煤中的一种或几种，若为几种时，以任意比例混合。

进一步地：S1中所述还原剂为含铁量均小于1.5％的石油焦和/或原煤，若为含铁量均小于0.15％的石油焦和原煤时，二者以任意比例混合。

当还原剂为含铁量均小于0.15％的石油焦和/或原煤时，生产成本交底，且可降低成品工业硅中的铁含量，从而得到高品质的工业硅。

更进一步地：S1中所述石油焦和/或原煤的粒径均小于5mm。

本发明优选粒径小于10mm的焦炭粉作为还原剂，避免了在生产过程中的粉碎过程，降低了人力成本，简化了制备工艺。同时当粒径小于10mm时，可与微硅粉充分混合均匀，便于后续的还原冶炼。除了选用微硅粉作为还原剂也可选用石油焦或原煤，当选用的石油焦或原煤为块状时，需将石油焦或原煤粉碎为粒径小于10mm的颗粒。

优选地：S1中所述加密处理为采用微硅粉气动加密机将所述工业废料微硅粉加密至700-900kg/m³的密度。

优选地：S2中所述微硅粉球团的粒径为50-80mm。

本发明中将微硅粉、还原剂和水混合后制作为微硅粉球团再进行冶炼是因为经加密后的微硅粉密度较大，内部空隙较小，若直接加入到冶炼炉中进行冶炼会存在密闭空间内瞬间缺氧爆炸的潜在危险，而将微硅粉球团的粒径控制在50-80mm既消除了这种危害，又可实现自动下料，最大限度的进行冶炼，缩短了冶炼时间，降低了生产能耗。

一种应用上述方法的生产系统，包括微硅粉储料加密仓、还原剂储料仓、双龙搅拌混合机、对辊加压成球机和还原冶炼炉；所述微硅粉储料加密仓的出料口与所述双龙搅拌机的入口之间设有微硅粉计量皮带输送机，所述微硅粉储料加密仓的出料口处设有微硅粉计量给料阀，所述微硅粉储料加密仓内的工业废料微硅粉经加密处理后，经所述微硅粉计量给料阀控制出料并经所述微硅粉计量皮带输送机输送至所述双龙搅拌机内；所述还原剂储料仓的出料口与所述双龙搅拌机的入口之间设有还原剂计量皮带输送机，所述还原剂储料仓的出料口处设有还原剂计量给料阀，所述还原剂储料仓内的还原剂经所述还原剂计量给料阀控制出料后经所述还原剂计量皮带输送机输送至所述双龙搅拌机内；所述双龙搅拌机的出料口与所述对辊加压成球机的入口之间设有混合物料皮带输送机，进入到所述双龙搅拌机的工业废料微硅粉及还原剂经所述双龙搅拌机混合配料形成混合物料，所述混合物料通过所述混合物料皮带输送机进入到所述对辊加压成球机内；所述对辊加压成球机的出料口与所述还原冶炼炉的入口之间设有微硅粉球团皮带输送机，所述混合物料经所述对辊加压成球机成球后形成微硅粉球团，所述微硅粉球团经所述微硅粉球团皮带输送机进入到所述还原冶炼炉内进行还原冶炼。

优选地：所述双龙搅拌机的入口正上方设有环保除尘器吸尘罩。

优选地：所述对辊加压成球机的入口处设有混合物料料斗，所述混合物料皮带输送机将所述混合物料输送至所述混合物料料斗后进入所述对辊加压成球机内；所述微硅粉球团皮带输送机及所述还原冶炼炉之间设有移动投料车，所述移动投料车的出料口处设有气动卸料阀，所述微硅粉球团经所述微硅粉球团皮带输送机输送至移动投料车后，通过所述气动卸料阀投入至所述还原冶炼炉内。

优选地：所述还原冶炼炉为中频感应电炉，所述中频感应电炉的正上方设有消烟除尘吸烟罩，所述中频感应电炉的出料口处设有工业硅产品锭模，所述微硅粉球团经所述中频感应电炉还原冶炼后进入所述工业硅产品锭模成型。

中频感应电炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频(300HZ以上至1000HZ)的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。中频感应电炉与其他铸造设备相比较，具有热效率高、熔炼时间短、合金元素烧损少、熔炼材质广、对环境污染小、能精确控制金属液的温度和成分等优点。

还原冶炼过程的反应方程式为：

本发明的有益效果：

本发明中生产工业硅的主要原料为微硅粉，替代了传统生产中惯用的河矿或山矿硅石原料，克服了由于微硅粉颗度小、比重轻，若直接将其作为原料运用到金属硅冶炼中难以加料和还原的技术难题；

本发明为了使微硅粉成为抗压强度与密度都满足还原要求的原料，先将微硅粉用微硅粉气动加密机进行加密处理，(通常生产工业硅所伴生的废料微硅粉密度为100-150kg/m³左右，经加密机加密后达到700kg/m³以上)无需将固体块状的石英矿、木炭、烟煤破碎为细小颗粒后再与微硅粉混合，此时相同质量的微硅粉体积减小，便于储藏和配料，将加密后的微硅粉与还原剂和水混合均匀后转变为搅拌型混合物料，该搅拌型混合物料得含水量为5.1-8.0％，无需加入粘结剂即可在成球机中直接制成微硅粉球团，所得到的微硅粉球团无需烧结即可直接在中频感应电炉中进行连续冶炼，节省了时间，且中频感应电炉相对密封性能良好，在其内经还原后的微硅粉球团不会再次被氧化，回收还原率高，烟气排放少；另外由于被还原的原料仅为微硅粉，而微硅粉中的二氧化硅含量大于95％以上，其余不足的5％主要为碳以及其他微量杂质，配合还原剂进行还原冶炼，得到的工业硅质量可达到3303以下的牌号标准(按照金属硅中铁、铝、钙的含量，可把金属硅分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌号，具体含义以1101#为例：第一个数字1代表Fe的含量≤0.1％，第二个数字1代表Al的含量≤0.1％；后两位数字01代表Ca的含量≤0.01％，所以称为1101)；

本发明合理利用了通过环保除尘器回收的废料微硅粉，增强了各工业硅冶炼企业对环保除尘器的高度重视，特别是部分环保部门疏于监管的边远山区企业，使环保除尘器实至名归；同时提升了工业废料微硅粉的经济价值，充分利用了微硅粉中各类有害杂质少的优点，生产出了高品质的工业硅产品；降低了废料微硅粉对环境的污染，另外本发明在制备过程中通过合理的生产系统严格控制微硅粉对空气的污染，例如微硅粉在制成微硅粉球团前均在全密闭状态下运行，且冶炼炉的炉口上方装设消烟除尘吸烟罩，并对冶炼炉排放的烟气进行治理，达标排放来实现。

附图说明

图1为本发明的生产系统图。

图中：1、微硅粉储料加密仓；2、还原剂储料仓；3、微硅粉计量给料阀；4、还原剂计量给料阀；5、环保除尘器吸尘罩；6、微硅粉计量皮带输送机；7、还原剂计量皮带输送机；8、双龙搅拌混合机；9、混合物料皮带输送机；10、混合物料料斗；11、对辊加压成球机；12、微硅粉球团皮带输送机；13；移动投料车；14、气动卸料阀；15、消烟除尘吸烟罩；16、还原冶炼炉；17、工业硅产品锭模。

具体实施方式

下面通过附图和4个具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法，所用的原料包括微硅粉90kg；含铁量小于0.15％的石油焦36kg；水9kg。

具体步骤为：

在本发明的生产系统中，将上述重量份的微硅粉经气动加密机进行加密，加密至700kg/m³的密度后送入微硅粉储料加密仓1中，经微硅粉储料加密仓1下部的微硅粉计量给料阀3自动控制给料，所得的微硅粉经微硅粉输送机6输送至双龙搅拌混合机8中，与此同时，打开还原剂储料仓2下部的还原剂计量给料阀4，经自动计算给料后，通过还原剂输送机7输送至双龙搅拌混合机8中与微硅粉进行混合搅拌，为了防止搅拌过程中污染空气，在双龙搅拌混合机8的正上方设置环保除尘器吸尘罩5，当二者混合均匀后所得的混合物料经混合物料皮带输送机9输送至混合物料料斗10，此时向混合物料料斗10中加入上述重量份的水进行搅拌，搅拌后进入对辊加压成球机11内，制成若干个粒径为50mm微硅粉球团，其中微硅粉在制成微硅粉球团前的所有操作均是在全密闭状态下运行，所得的微硅粉球团经微硅粉球团皮带输送机12输送至移动投料车13，经移动投料车13上的气动卸料阀14投入到还原冶炼炉16(中频感应电炉)中，在1600℃的温度下进行冶炼19min，为了避免对空气的污染，在中频感应电炉的正上方设置消烟除尘吸烟罩15，冶炼后的产品经工业硅产品锭模17后即得，经分析微硅粉的还原回收率为85.03％。

实施例2

如图1所示，本发明提供了一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法，所用的原料包括微硅粉100kg；含铁量小于0.15％的焦炭粉40份；水10份。

具体步骤为：

在本发明的生产系统中，将上述重量份的微硅粉经气动流化床加密机进行加密，加密至750kg/m³的密度后送入微硅粉储料加密仓1中，经微硅粉储料加密仓1下部的微硅粉计量给料阀3自动控制给料，所得的微硅粉经微硅粉输送机6输送至双龙搅拌混合机8中，与此同时，打开还原剂储料仓2下部的还原剂计量给料阀4，经自动计算给料后，通过还原剂输送机7输送至双龙搅拌混合机8中与微硅粉进行混合搅拌，为了防止搅拌过程中污染空气，在双龙搅拌混合机8的正上方设置环保除尘器吸尘罩5，当二者混合均匀后所得的混合物料经混合物料皮带输送机9输送至混合物料料斗10，此时向混合物料料斗10中加入上述重量份的水进行搅拌，搅拌后进入对辊加压成球机11内，制成若干个粒径为65mm微硅粉球团，其中微硅粉在制成微硅粉球团前的所有操作均是在全密闭状态下运行，所得的微硅粉球团经微硅粉球团皮带输送机12输送至移动投料车13，经移动投料车13上的气动卸料阀14投入到还原冶炼炉16(中频感应电炉)中，在1700℃的温度下冶炼20min，为了避免对空气的污染，在中频感应电炉的正上方设置消烟除尘吸烟罩15，冶炼后的产品经工业硅产品锭模17后即得，经分析微硅粉的还原回收率为86.94％。

实施例3

如图1所示，本发明提供了一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法，所用的原料包括微硅粉110份；含铁量小于0.15％的原煤55份；水11份。

具体步骤为：

在本发明的生产系统中，将上述重量份的微硅粉经气动加密机进行加密，加密至800kg/m³的密度后送入微硅粉储料加密仓1中，经微硅粉储料加密仓1下部的微硅粉计量给料阀3自动控制给料，所得的微硅粉经微硅粉输送机6输送至双龙搅拌混合机8中，与此同时，打开还原剂储料仓2下部的还原剂计量给料阀4，经自动计算给料后，通过还原剂输送机7输送至双龙搅拌混合机8中与微硅粉进行混合搅拌，为了防止搅拌过程中污染空气，在双龙搅拌混合机8的正上方设置环保除尘器吸尘罩5，当二者混合均匀后所得的混合物料经混合物料皮带输送机9输送至混合物料料斗10，此时向混合物料料斗10中加入上述重量份的水进行搅拌，搅拌后进入对辊加压成球机11内，制成若干个粒径为70mm微硅粉球团，其中微硅粉在制成微硅粉球团前的所有操作均是在全密闭状态下运行，所得的微硅粉球团经微硅粉球团皮带输送机12输送至移动投料车13，经移动投料车13上的气动卸料阀14投入到还原冶炼炉16(中频感应电炉)中，在2000℃的温度下冶炼21min，为了避免对空气的污染，在中频感应电炉的正上方设置消烟除尘吸烟罩15，冶炼后的产品经工业硅产品锭模17后即得。经分析微硅粉的还原回收率为85.73％。

实施例4

如图1所示，本发明提供了一种利用工业废料微硅粉制备工业硅的方法，所用的原料包括微硅粉110份；以等比例混合且含铁量小于0.15％的的焦炭粉、石油焦和原煤60.5份；水11份。

具体步骤为：

在本发明的生产系统中，将上述重量份的微硅粉经气动加密机进行加密，加密至900kg/m³的密度后送入微硅粉储料加密仓1中，经微硅粉储料加密仓1下部的微硅粉计量给料阀3自动控制给料，所得的微硅粉经微硅粉输送机6输送至双龙搅拌混合机8中，与此同时，打开还原剂储料仓2下部的还原剂计量给料阀4，经自动计算给料后，通过还原剂输送机7输送至双龙搅拌混合机8中与微硅粉进行混合搅拌，为了防止搅拌过程中污染空气，在双龙搅拌混合机8的正上方设置环保除尘器吸尘罩5，当二者混合均匀后所得的混合物料经混合物料皮带输送机9输送至混合物料料斗10，此时向混合物料料斗10中加入上述重量份的水进行搅拌，搅拌后进入对辊加压成球机11内，制成若干个粒径为80mm微硅粉球团，其中微硅粉在制成微硅粉球团前的所有操作均是在全密闭状态下运行，所得的微硅粉球团经微硅粉球团皮带输送机12输送至移动投料车13，经移动投料车13上的气动卸料阀14投入到还原冶炼炉16(中频感应电炉)中，在1900℃的温度下冶炼20min，为了避免对空气的污染，在中频感应电炉的正上方设置消烟除尘吸烟罩15，冶炼后的产品经工业硅产品锭模17后即得。经分析微硅粉的还原回收率为85.43％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。