Способ получения металлического кремния


 


Владельцы патента RU 2428378:

Зуев Михаил Георгиевич (RU)

Изобретение может быть использовано в металлургической промышленности. Металлический кремний получают восстановлением диоксида кремния карбонатом щелочноземельного металла в присутствии оксида церия при соотношении компонентов, масс.%: оксид кремния - 17-18; карбонат щелочноземельного металла - 13-14; оксид церия - остальное до 100. Изобретение позволяет получать кремний с выходом до 98 масс.%.

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кремния, который может быть использован в полупроводниковом приборостроении, металлургической промышленности.

Известен способ получения кремния, в котором шихту из кварцита, древесного угля, нефтяного кокса, древесной щепы и полукокса дозируют, смешивают и проплавляют (патент RU 2060936, МКИ С01В 33/025, 1996 год). При этом полукокс предварительно обрабатывают азотной кислотой, после чего промывают водой, а отмытый продукт не более двух раз обрабатывают сначала раствором щелочи, а затем соляной кислотой и вновь промывают.

Недостатками известного способа являются его сложность - сложный состав исходного сырья, использование агрессивных сред при подготовке исходного сырья (щелочь, кислоты).

Известен способ получения металлического кремния путем карботермического восстановления диоксида кремния жидкой фенольной смолой, при этом сам процесс получения кремния включает три приема термообработки - от комнатной температуры до 160°С при 0,1-0,7 МПа; до 800°С с выдержкой в течение 1 часа; до 1700°С в среде инертного газа в два этапа - до 1300-1400°С при 0,01 Па и с 1300-1400°С до 1700°С при повышающем давлении от 0,01 Па до 0,1 МПа (патент RU 2160705, МКИ С01В 33/025, 2000 год).

Недостатками известного способа являются многоступенчатость процесса, использование в качестве восстановителя фенольной смолы, которая относится к токсичным материалам, а также многократное варьирование давления и необходимость использования среды инертного газа.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой способ получения металлического кремния, обеспечивающий наряду с простотой высокую степень извлечения кремния.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения металлического кремния путем восстановления диоксида кремния углеродсодержащим компонентом при высоких температурах, в котором в качестве углеродсодержащего компонента используют карбонат щелочноземельного металла и процесс осуществляют в присутствии оксида церия, причем исходные компоненты берут в следующем соотношении, масс.%: оксид кремния - 17÷18; карбонат щелочноземельного металла - 13÷14; оксид церия - остальное до 100.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы неизвестен способ получения металлического кремния путем восстановления диоксида кремния, в котором в качестве углеродсодержащего компонента используют карбонат щелочноземельного металла и процесс осуществляют в присутствии оксида церия.

Известный уровень техники предполагает в процессе восстановления диоксида кремния для получения металлического кремния использование в качестве углеродсодержащего компонента кокса (например, нефтяного), угля (каменного или бурого) с различными добавками (древесные опилки или щепа, рисовая шелуха, сажа и т.д.) (патенты RU 2383493; 2352524; 2333889). Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что процесс восстановления диоксида кремния может быть осуществлен в случае использования в качестве углеродсодержащего компонента карбоната щелочноземельного металла в присутствии оксида церия. В этом случае при повышенных температурах происходит разложение карбоната с выделением оксида углерода, который выступает в качестве восстановителя кремния, причем оксид церия, проявляя каталитические свойства, во-первых, способствует прохождению реакции восстановления, во-вторых, препятствует обратному процессу окисления полученного металлического кремния. Экспериментальным путем авторами были определены пределы содержания исходных компонентов. Уменьшение содержания щелочноземельного карбоната в исходной шихте менее 13 масс.% приводит к снижению выхода конечного продукта за счет недостаточного количества восстановителя. Увеличение содержания щелочноземельного карбоната в исходной шихте более 14 масс.% технологически нецелесообразно, поскольку приводит к необоснованному перерасходу карбоната. При увеличении содержания диоксида кремния в исходной шихте более 18 масс.% возникает необходимость увеличения содержания карбоната щелочноземельного металла, при этом конечный продукт загрязнен оксидом кремния, что является следствием сокращения содержания оксида церия. При уменьшении содержания диоксида кремния в исходной шихте менее 17 масс.% возникает необходимость уменьшения содержания карбоната щелочноземельного металла, при этом конечный продукт загрязнен оксидом церия, что является следствием увеличения его содержания.

Предлагаемый способ получения металлического кремния может быть осуществлен следующим образом. Исходные порошкообразные компоненты диоксид кремния SiO2, карбонат щелочноземельного металла МСО3, где М - Ва, Sr, Ca; и оксид церия СеО2 смешивают в соотношении (масс.%): оксид кремния - 17÷18; карбонат щелочноземельного металла - 13÷14; оксид церия - остальное до 100. Затем тщательно перетирают с этиловым спиртом, помещают в алундовый тигель и спекают на воздухе при температуре 1200-1350°С в течение 40-50 часов. После чего охлаждают в печи произвольно при выключенных нагревателях до комнатной температуры. Фазовую однородность полученного металлического кремния контролируют рентгенофазовым анализом (РФА). Затем полученный продукт помещают в шаровую мельницу и измельчают в течение 20-30 мин. Полученный металлический кремний отделяют от сопутствующих фаз известными методами, например сепарацией.

Ведение процесса получения кремния путем восстановления оксида кремния карбонатом щелочноземельного элемента в присутствии оксида церия, который в данном случае проявляет каталитические свойства, позволяет осуществлять способ на воздухе при атмосферном давлении в одну стадию, обеспечивая при этом высокую степень извлечения кремния.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Исходные порошкообразные компоненты - 10 г (17 масс.%) диоксида кремния SiO2, 7,65 г (13 масс.%) карбоната бария ВаСО3 и 41,18 г (70 масс.%) оксида церия СеО2 - смешивают. Затем тщательно перетирают с этиловым спиртом, помещают в алундовый тигель и спекают на воздухе при температуре 1350°С в течение 50 часов. После чего охлаждают в печи произвольно при выключенных нагревателях до комнатной температуры. Фазовую однородность полученного металлического кремния контролируют рентгенофазовым анализом (РФА). Выход кремния - 98%. Затем полученный продукт помещают в шаровую мельницу и измельчают в течение 20 мин.

Пример 2. Исходные порошкообразные компоненты - 10 г (18 масс.%) диоксида кремния SiO2, 7,78 г (14 масс.%) карбоната бария СаСО3 и 37,78 г (68 масс.%) оксида церия CeO2 - смешивают. Затем тщательно перетирают с этиловым спиртом, помещают в алундовый тигель и спекают на воздухе при температуре 1350°С в течение 40 часов. После чего охлаждают в печи произвольно при выключенных нагревателях до комнатной температуры. Фазовую однородность полученного металлического кремния контролируют рентгенофазовым анализом (РФА). Выход кремния - 98%. Затем полученный продукт помещают в шаровую мельницу и измельчают в течение 20 мин.

Пример 3. Исходные порошкообразные компоненты - 10 г (17,5 масс.%) диоксида кремния SiO2, 7,71 г (13,5 масс.%) карбоната стронция SrCO3 и 39,43 г (69 масс.%) оксида церия CeO2 - смешивают. Затем тщательно перетирают с этиловым спиртом, помещают в алундовый тигель и спекают на воздухе при температуре 1200°С в течение 50 часов. После чего охлаждают в печи произвольно при выключенных нагревателях до комнатной температуры. Фазовую однородность полученного металлического кремния контролируют рентгенофазовым анализом (РФА). Выход кремния - 98%. Затем полученный продукт помещают в шаровую мельницу и измельчают в течение 20 мин.

Таким образом, автором предлагается простой, не требующий специального оборудования способ получения металлического кремния, обеспечивающий высокую степень извлечения.

Способ получения металлического кремния путем восстановления диоксида кремния углеродсодержащим компонентом при высоких температурах, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего компонента используют карбонат щелочноземельного металла и процесс осуществляют в присутствии оксида церия, причем исходные компоненты берут в следующем соотношении, мас.%: оксид кремния - 17÷18; карбонат щелочноземельного металла - 13÷14; оксид церия - остальное до 100.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к процессам и аппаратам для получения кристаллического кремния повышенной чистоты. .
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству высокочистого кремния, который может быть использован при изготовлении солнечных элементов.

Изобретение относится к области химии металлургических процессов. .

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения металлов из их оксидов, а также кремния из его оксида. .

Изобретение относится к химической технологии. .

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при производстве кристаллического кремния. .

Изобретение относится к способам физико-химического получения вещества и может быть использовано в народном хозяйстве при производстве поликристаллического кремния высокой чистоты для полупроводниковой техники.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении чистого кремния и стабильных изотопных его разновидностей Si28, Si29, Si30. .

Изобретение относится к цветной металлургии. .

Изобретение относится к технологии получения высокочистого кремния, используемого для производства фотогальванических элементов
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния

Изобретение относится к использованию в качестве энергоносителей исходных материалов, содержащих диоксид кремния

Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для получения синтетического кремния

Изобретение относится к производству высокочистого кремния в виде наноразмерного порошка, который может быть использован в полупроводниковой электронике и в нанотехнологиях. Способ включает синтез газообразного монооксида кремния реакцией диоксида кремния с кремнием и последующее восстановление монооксида кремния до свободного кремния, при этом синтез газообразного монооксида кремния проводят при температуре ниже точки плавления кремния, газообразный монооксид кремния конденсируют при температуре 400-600°C, а восстановление монооксида кремния до свободного кремния проводят путем отжига при температуре 950-1200°C в течение 2-3 часов с последующим выделением наночастиц кремния. Выделение наночастиц кремния проводят травлением в растворе плавиковой кислоты с последующей отмывкой и сушкой. Регулирование размеров наночастиц кремния и их структуры осуществляют изменением условий отжига монооксида кремния. Изобретение позволяет получать кремний с размерами частиц менее 50 нм и чистотой 99,999%. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к технологии получения чистых веществ, используемых в отраслях высоких технологий: полупроводниковой, солнечной энергетики, волоконно-оптической связи. Способ получения поликристаллического кремния осуществляют путем плазмохимического пиролиза частиц исходного кварцевого сырья в проточном реакторе в потоке плазмы инертного газа - аргона и водорода, при этом в качестве исходного кварцевого сырья используют природный кварцевый концентрат с размером частиц не более 20 мкм, пиролиз осуществляют при температуре 6500-13000 К с разложением реагирующей смеси на атомы кремния и кислорода, затем полученную газофазную атомарную смесь охлаждают в интервале от 6500 до 2000 К со скоростью 105-106 К/с для образования паров кремния за счет связывания свободного кислорода с водородом без повторного окисления кремния, после чего конденсируют полученные пары кремния путем дальнейшего охлаждения смеси до 1000 К с образованием поликристаллического кремния в виде сферических частиц. Предложенный способ является высокоэффективным и экологически чистым и позволяет получать поликремний с низкой себестоимостью непосредственно из концентратов природного кварца без использования дополнительных восстановителей. 7 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области химической технологии неорганических веществ. В тигель при температуре не менее 2000°C заливают расплав диоксида кремния и герметизируют его для создания условий поддержания в газовой фазе над расплавом избыточного давления не менее 2,0 МПа. После подачи внутрь расплава диоксида кремния подают смесь водяного пара и метана ("дутье"). Под воздействием температуры расплава в смеси водяного пара и метана внутри расплава происходит паровая конверсия метана с получением водорода, в том числе атомарного, и окислов углерода. Сначала диоксид кремния восстанавливается водородом до элементарного кремния, который в свою очередь реагирует в расплаве с диоксидом кремния с получением монооксида кремния. Полученный в результате реакции монооксид кремния под воздействием избыточного давления над расплавом не возгоняется в газообразное состояние, а остается в жидкой фазе в расплаве и взаимодействует с водородом, восстанавливая кремний. Изобретение позволяет получать кремний с низким содержанием примесей, в том числе углерода и кислорода.
Изобретение относится к области неорганического синтеза и может быть использовано для получения чистого кремния. Способ включает получение силицида магния смешиванием диоксида кремния с магнием, термическое разложение силицида магния в кислородсодержащей атмосфере при температуре выше 650°C и обработку минеральной кислотой с получением порошка кремния. Технический результат - получение элементного кремния, пригодного для использования в солнечной энергетике, при меньших энергетических затратах по сравнению с традиционными способами. 2 пр.

Изобретение может быть использовано в химической, горнорудной промышленности. Восстановление железа, кремния и восстановление диоксида титана до металлического титана проводят путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO2, кремнийсодержащего газа, частиц FeTiO3 и магнитных волн. При этом осуществляют накачку энергии в скрещенных полях с параметрическим резонансом в RLC-контуре с многомодовой модуляцией на резонансных частотах в диапазоне 105÷1012 Гц и более при индуктивном взаимодействии частиц сырья SiO2, кремнийсодержащего газа или частиц FeTiO3 в бегущих магнитных и электрических волнах с круговой или эллиптической поляризацией в замкнутом объеме электронно-ионной петли тока или вихрей частиц типа ротора, в диапазоне 101÷106 Гц циклической частоты, с магнитно-электрически инерционным удержанием вращающихся магнитных и электрических волн типа статора. Изобретение позволяет переработать трудноразлагаемое кремний- и титансодержащее сырье без использования кислот, повысить при этом экологичность и уменьшить энергозатраты. 3 з.п. ф-лы, 38 ил., 4 табл., 3 пр.

Группа изобретений относится к получению кремния из оксида кремния. Способ включает нагрев верхней поверхности кремния, подачу оксида кремния на нагретый сверху кремний с получением моноокиси кремния. Далее осуществляют продувку полученной моноокиси кремния водородом с получением чистого кремния и охлаждение полученного кремния по бокам с удалением примесей, образующихся в процессе охлаждения на поверхности кремния по мере их накопления. При этом все реакции проводят в одном реакторе. Приведена также установка для получения кремния из оксидов. Техническим результатом является повышение технологичности процесса за счет проведения процесса в одной установке и повышения объемов получаемого конечного продукта. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх