Способ очистки технического кремния

Авторы патента:

C22B9/10 - с использованием рафинирующих средств или флюсов; использование материалов для этой цели (C22B 9/18 имеет преимущество)

C22B9/05 - рафинирование путем обработки газами, например газовой промывкой

C01B33/037 - очистка (зонной плавкой C30B 13/00)

B22D1/00 - Литье металлов и прочих материалов (формование пластиков или веществ в пластическом состоянии B29C; металлургические процессы, выбор присадок для литья металлов C21,C22)

Владельцы патента RU 2671357:

Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" (RU)

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для очистки технического кремния, полученного восстановительной плавкой в руднотермических электрических печах. Способ включает продувку расплава кремния сжатым воздухом через пористую часть днища ковша в процессе выливки из печи в ковш при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава. После заполнения ковша расплав кремния отделяют от шлака, сливают в подготовленный новый ковш и продолжают продувку расплава сжатым воздухом в новом ковше при одновременной загрузке на поверхность кремния флюса, состоящего из кварцевого песка, известняка и глинозема, при следующем соотношении компонентов, мас. %: кварцевый песок 50-55; известняк 35-40; глинозем 10-12. Технический результат – повышение качества технического кремния за счет снижения содержания кальция в кремнии до уровня менее 0,005 мас.%. 7 пр.

Область техники

Уровень техники

Технический кремний получают высокотемпературным восстановлением минерального сырья, кварца или кварцитов, с помощью углеродистых восстановителей. При ведении восстановительной плавки, кроме ведущего элемента кремния, восстанавливаются и другие элементы, оксиды которых входят в состав примесей минерального сырья и золы восстановителей. Большинство примесей ухудшают качество получаемого кремния и требуются дополнительные технологии по их удалению из полученной продукции (Рагулина Р.И., Емлин Б.И. Электрометаллургия кремния и силумина. М., Металлургия, 1972, 240 с.).

Известен способ выплавки кремния (RU 2082783, С01В 33/00, С22В 5/02, опубл. 27.06.1997), для осуществления которого при выпуске кремния в ковш или изложницу в жидкий кремний вводят хлориды щелочных металлов в количестве, которое зависит от массы выпускаемого кремния. После дробления слитков кремния, куски кремния промывают водой. Недостатком данного способа является недостаточно эффективная очистка кремния от примесей.

Известен способ выплавки кремния и его сплавов (RU 2127707, С01В 33/00, С22В 4/06, опубл. 20.03.1999), включающий загрузку кварцита и углеродистых восстановителей в руднотермическую электропечь, карботермическое восстановление кремния, выпуск жидкого кремния из печи в ковш или изложницу. Во время выпуска кремний пропускают через струю сжатого воздуха, обогащенного кислородом, который подают в замкнутое с боков пространство, через которое сверху поступает струя жидкого кремния. Недостатком данного способа является невысокая степень удаления примесей, алюминия и кальция.

Известен способ рафинирования кремния и его сплавов (RU 2146650, С01В 33/037, опубл. 20.03.2000), включающий обработку расплава в ковше кислородом, подаваемым через устройство для продувки газа, в присутствии флюса, в состав которого входят чистый кварцевый песок, известь и/или плавиковый шпат. При этом обработку расплава ведут в две стадии: на первой стадии расплав продувают смесью кислорода с воздухом и/или инертным газом в процессе выливки расплава из печи в ковш до его заполнения при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, на второй стадии после заполнения ковша расплав обрабатывают воздухом и/или инертным газом до достижения температуры расплава в ковше 1450-1550°С, причем продувку расплава газами осуществляют через пористую часть днища ковша.

Цитируем описание способа: «… одновременно с подачей расплава в ковш непрерывно и равномерно подавали флюс в размере ~80 кг, в качестве которого использовали: чистый кварцевый песок фракции - 1 мм, известь фракции - 10 мм и/или плавиковый шпат фракции - 10 мм в стехиометрическом количестве от объема расплава.

Одновременно с подачей расплава через пористую часть днища ковша подавали смесь кислорода с воздухом и/или инертным газом с давлением, превышающим гидростатическое давление столба расплава.

После заполнения ковша расплавом подачу кислорода и флюса прекращали.

При этом использовался осушенный воздух без микровключений 1 класса чистоты с давлением 5-6 атм. с расходом 50-100 м³/час с t=10-20°C и кислород с давлением 5-6 атм. и расходом 30-200 м³/час. Расход кислорода на этой стадии составил ~9,8 нм³».

По технической сущности, по наличию общих признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.

Недостатком данного способа является неполная очистка кремния от примесей. Рафинирование кремния по данному способу приводит к снижению алюминия и кальция.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача, направленная на повышение качества технического кремния.

При этом техническим результатом является снижение содержания кальция в кремнии до величин менее 0,005 мас.%.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки технического кремния, включающем продувку в процессе выливки расплава из печи в ковш сжатым воздухом через пористую часть днища ковша при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, новым является то, что после заполнения ковша расплав кремния отделяют от шлака, сливают в подготовленный новый ковш и продолжают продувку расплава сжатым воздухом в новом ковше при одновременной загрузке на поверхность кремния флюса, состоящего из кварцевого песка, известняка и глинозема, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

кварцевый песок	50-55
известняк	35-40
глинозем	10-12

Осуществление способа

Расплав кремния выпускают в ковш, загружают флюс, состоящий из кварцевого песка и извести, в количестве, пропорционально вылитому из печи расплаву, проводят окислительное рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша. После заполнения ковша расплав кремния сливают в новый ковш, продолжают продувку расплава сжатым воздухом, на поверхность загружают флюс, состоящий из кварцевого песка, известняка и глинозема.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1 (прототип)

Расплав кремния в количестве 3,05 т выпускали в ковш, загружали флюс, состоящий из кварцевого песка и извести, в количестве 80 кг проводили окислительное рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша.

Исходное количество примесей до рафинирования, мас. %: Al 0,68, Са 0,31; после рафинирования, мас. %: Al 0,04, Са 0,01.

Пример 2

Расплав кремния в количестве 3,1 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 82 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование кремния. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 45, известняк 25, глинозем 30, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша.

Исходное количество примесей до рафинирования, мас. %: Al 0,62, Са 0,31; после рафинирования, мас. %: Al 0,052, Са 0,012.

Пример 3

Расплав кремния в количестве 3,05 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 80 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 60, известняк 25, глинозем 15, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша.

Исходное количество примесей до рафинирования, мас. %: Al 0,68, Са 0,38; после рафинирования, мас. %: Al 0,054, Са 0,011.

Пример 4

Расплав кремния в количестве 3 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 80 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 50, известняк 40, глинозем 10, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,82, Са 0,54; после рафинирования, мас. %: Al 0,05, Са 0,0048.

Пример 5

Расплав кремния в количестве 3,3 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 86 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загружали флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 55, известняк 35, глинозем 10, и продолжали рафинирование сжатым воздухом через пористую часть днища ковша. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,89, Са 0,62; после рафинирования, мас. %: Al 0,049, Са 0,0046.

Пример 6

Расплав кремния в количестве 2,9 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 76 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загрузили флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 53, известняк 35, глинозем 12, и продолжали рафинирование сжатым воздухом. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,55, Са 0,70; после рафинирования, мас. %: Al 0,0051, Са 0,0048.

Пример 7

Расплав кремния в количестве 3,4 т выпускали в ковш, загружали флюс в количестве 89 кг, состоящий из кварцевого песка и извести, проводили окислительное рафинирование. После заполнения ковша кремний переливали в прогретый ковш, загрузили флюс в составе, мас. %: кварцевый песок 60, известняк 35, глинозем 5, и продолжали рафинирование сжатым воздухом. Исходное количество примесей, до рафинирования, мас. %: Al 0,46, Са 0,48; после рафинирования, мас. %: Al 0,052, Са 0,0059.

Проведенные испытания показали оптимальное соотношение компонентов флюса, мас. %: кварцевый песок - 50-55, известняк 35-40, глинозем 10-12 (примеры 4-6). Увеличение или уменьшение соотношения компонентов не приводят к получению запланированного результата (примеры 2, 3, 7).

Сравнение предлагаемой технологии рафинирования не только с технологией по прототипу, но технологиями по аналогам показывает, что:

- известно использование воздуха и/или кислорода в процессе рафинирования металлов;

- известно рафинирование расплава в процессе выливки его из печи в ковш;

- известно использование флюсов в процессе рафинирования кремния;

- известна обработка расплава через пористую часть днища ковша.

Новая совокупность признаков как известных, так и неизвестных в их тесной взаимосвязи позволяет получить технический результат более высокого уровня по сравнению с известным, а именно:

- перелив расплава кремния в новый ковш;

- флюсы, с использованием в качестве составляющего компонента глинозема;

- загрузка флюсов определенного соотношения в новый ковш после перелива ковша.

Способ очистки технического кремния, включающий продувку в процессе выливки расплава из печи в ковш сжатым воздухом через пористую часть днища ковша при непрерывной и равномерной подаче флюса на поверхность расплава, отличающийся тем, что после заполнения ковша расплав кремния отделяют от шлака, сливают в подготовленный новый ковш и продолжают продувку расплава сжатым воздухом в новом ковше при одновременной загрузке на поверхность кремния флюса, состоящего из кварцевого песка, известняка и глинозема, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

кварцевый песок	50-55
известняк	35-40
глинозем	10-12

Изобретение относится к получению алюминиевых сплавов, в частности к способу раскисления выплавляемых алюминиевых сплавов. Способ раскисления сплава Al-Nb-Ti включает плавление и выдержку сплава, содержащего от 50 до 75 мас.% Al и от 5 до 30 мас.% Nb при суммарном содержании Al и Nb 80 мас.% или менее, с использованием исходных алюминиевого, ниобиевого и титанового материалов с суммарным содержанием кислорода 0,5 мас.% или более, при этом плавление осуществляют методом плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда в атмосфере с давлением от 1,33 Па до 2,67×105 Па при температуре 1900 К или более.

Способ приготовления галогенидсодержащего флюса для обработки алюминия и его сплавов // 2657680

Изобретение относится к способу приготовления галогенидсодержащих флюсов. Способ включает взвешивание компонентов флюса, порционную загрузку в печь и плавление галогенидов, составляющих основу флюса, с последующим введением в расплав остальных галогенидов металлов, перемешивание расплава флюса, грануляцию жидкого флюса или кристаллизацию расплава и дробление флюса, при этом 20÷40% вес.

Флюс для электрошлаковой выплавки сплошных и полых слитков из борсодержащих сталей // 2656910

Изобретение относится к электрошлаковому переплаву и может найти применение при выплавке сплошных и полых слитков из конструкционных борсодержащих сталей для изготовления шестигранных труб устройств хранения отработанного ядерного топлива.

Способы снижения содержания примесей в магнии, очищенный магний и получение металлического циркония // 2641201

Способ получения очищенного от примесей магния включает: объединение цирконийсодержащего материала с расплавленным магнием с низким содержанием примесей, содержащим не более 1,0% мас.

Сталеплавильный флюс "экошлак" и способ его получения и применения // 2637839

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве стали с использованием флюсов в качестве обрабатывающих реагентов. Сталеплавильный флюс содержит, мас.

Способ очистки технического кремния // 2635157

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способам очистки технического кремния. Способ включает обработку расплава в присутствии флюса, состоящего из бикарбоната натрия и известняка в соотношении 1:1, при температуре кремния выше 1600°С окислительными газами, при этом 45-60% флюса загружают в ковш, затем проводят выпуск кремния в ковш, остальной флюс загружают по мере заполнения ковша через равные промежутки времени.

Способ рафинирования магния и его сплавов // 2635117

Изобретение относится к области металлургии, в частности к рафинированию магния и его сплавов от неметаллических включений. Способ включает ввод рафинируемого металла с помощью заливочной трубы в печь с расплавленным флюсом, удельный вес которого больше, чем удельный вес рафинируемого металла, и пропускание металла через упомянутый слой.

Устройство для рафинирования кремния // 2632827

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования для последующего производства полупроводникового и солнечного кремния.

Флюс для электрошлакового переплава // 2606691

Изобретение относится к металлургии, в частности к флюсам для электрошлаковых технологий, для сталелитейного производства и для рафинирования и модифицирования сталей.

Шлакообразующая смесь для рафинирования стали // 2605410

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для рафинирования стали в агрегатах «ковш-печь» и вакууматорах. Шлакообразующая смесь содержит в качестве флюса отходы производства вторичного алюминия и шлаковую составляющую и дополнительно двууглекислый натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: двууглекислый натрий 1,0-2,0, отходы производства вторичного алюминия 10,0-30,0, шлаковая составляющая остальное.

Способ очистки металлургического кремния // 2645138

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способам очистки (рафинирования) металлургического кремния от примесей. Способ очистки металлургического кремния включает в себя выпуск из печи расплава кремния, очистку расплава кремния в ковше перегретым паром с температурой 120-400°C, в смеси со сжатым воздухом, подаваемым через пористые пробки в днище ковша при соотношении водяной пар-сжатый воздух 1:8-1:30 при температуре кремния 1500-1760°C, при этом количество точек подачи в ковш паровоздушной смеси может составлять от одной до четырех.

Усовершенствованный пузырьковый насос, стойкий к разрушающему действию расплавленного алюминия // 2638474

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий, а именно к пузырьковому насосу, используемому для удаления шлака в ванне с расплавленным алюминием. Пузырьковый насос выполнен в виде трех участков прямых труб и трех коленчатых участков с непрерывной футеровкой из стойкой к воздействию расплавленного алюминия керамики.

Способ очистки технического кремния // 2635157

Система и способ анодного рафинирования меди // 2573846

Представлены способ и устройство для анодного рафинирования меди, в которых применяют технологию когерентной струи для нагрева загрузок расплавленной черновой меди и/или металлического скрапа с использованием плавильного пламени, окисления серы в расплавленной черновой меди и восстановления кислорода в расплавленной черновой меди с использованием вдуваемых сверху газовых потоков в виде когерентной струи из одной или более монофункциональных когерентно-струйных фурм в сборе.

Электрическая печь для получения расплавленного металла, выполненная с возможностью рециклинга материала // 2553170

Изобретение относится к способу и печи для получения расплава сырьевого материала, содержащего металлооксидные агломераты. Способ включает восстановление и плавление сырьевого материала, содержащего металлооксидные агломераты, и периодическое удаление мелких фракций из печи через одно или более отверстий, расположенных в ее нижней части, с обеспечением заданных характеристик постели или слоя материала по прошествии длительного времени.

Способ очистки висмута // 2541244

Изобретение относится к области металлургии редких элементов, а именно к способу глубокой очистки висмута. Способ глубокой очистки висмута от примесей, в частности от примесей свинца и хлора, включает хлорирование расплава висмута барботированием смесью четыреххлористого углерода и инертного газа при 550-600°C и расходе четыреххлористого углерода 2-4 мл на 1 кг рафинируемого висмута с расходом инертного газа 30-35 л/час.

Способ очистки висмута // 2514766

Изобретение относится к области металлургии редких элементов, а именно к способам глубокой очистки висмута от радиоактивных загрязнений 210Ро при использовании солянокислых растворов.

Способ получения высокочистого титана для распыляемых мишеней // 2418874

Изобретение относится к способу получения высокочистого титана для распыляемых мишеней. .

Устройство для рафинирования расплава металлов или сплавов // 2400546

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для рафинирования расплава алюминия или его сплавов. .

Способ получения высокочистого титана для распыляемых мишеней // 2370559

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано при производстве распыляемых магнетронных мишеней в технологии производства кремниевых интегральных схем в микроэлектронике.

Способ выплавки технического кремния // 2649423

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к технологии производства технического кремния в электрических печах, и может быть использовано для повышения качества кремния во время ведения восстановительной плавки.