CN1043112A - 硅粉及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种把熔融硅经气体雾化而制得的硅粉，粒径0.1-1000μm，比表面0.001-1m²/g，化学组成(重量)：铁0.1-1％，铝0.01-1％，铜0.8％，钙、锌、锡各为0-1％，硼、磷、钠、锂、钾、镁、锶、钡和铍各为0-0.5％，其余为硅及少于0.3％的杂质。一种连续生产硅粉的方法，包含下列步骤：在电炉中连续生产硅，将所获熔融硅连续加入金属处理容器中精炼并合金化，然后送往保温炉，再送往雾化设备用惰性气体射流将其雾化，随后在固/气分离器中分离，将所得硅粉过筛分别装罐。

Description

本发明涉及一种新的硅粉产品以及生产该种硅粉产品的连续方法。

硅主要是在电炉中用碳热还原法来生产。通常把熔融的硅从电炉中排出，将其浇铸为较大的块状，例如将其浇于铸铁模中。在硅的诸多用途中，很大一部分都是以粉末形式使用。在此情况下，必须将硅块或硅粒进行机械破碎，并接着将其研磨成预定颗粒度并具有所需化学分析组成的硅粉。然而该方法有很多缺点。由于在熔融硅的铸锭过程中其冷却速度必然是较慢的，因此，加到熔融硅中的合金化元素和熔融硅中本身所含的杂质在铸锭过程中就具有强烈的偏析倾向，并且固体硅的晶粒也必将是较粗的。由于这种偏析作用和较粗的原生晶粒，使得在铸锭硅块的机械破碎和研磨过程中获得的是一种质地不均匀的粉末产品，这种产品对很多用途来说都是不利的。

在硅的铸锭过程中还会生成氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物。这些化合物，即使有很少量也是不希望的。

在破碎和研磨过程中，由于破碎和研磨设备的磨损也会使硅被铁沾污。

在将硅块破碎和研磨时，硅粒的断裂面将发生氧化，因此在所获的硅粉中每一个硅粒的表面都将带有不希望的氧化层。

最后，破碎和研磨过程还产生噪音和粉尘形式的环保问题并要产生热应力。

因此，需要提供一种可以连续地把从电熔炼炉中流出的熔融硅直接制成硅粉的方法。

已知有很多用来生产一般金属粉末的方法，例如惰性气体雾化法，液体雾化法以及高速旋转盘雾化法等等。然而，这些用来生产金属粉末的已知方法皆是批式的，都是取一定量的金属进行熔融和雾化，因此是不经济的，这是由于这些方法都必须经过常规的浇铸过程和再熔化过程，因此不可能连续地把从熔化炉中流出来的熔融金属直接制成硅粉。据发明人所知，尚没有一种可用于使硅进行气体雾化的方法。

本发明的一个目的是提供一种这样的硅粉，这种硅粉不具有由铸锭硅制得的硅粉所带有的上述缺点，另外一个目的是提供一种用于生产硅粉的连续方法。

本发明的第一方面涉及一种硅粉，其特征在于，这种硅粉是用熔融硅的气体雾化法来生产，硅粉的粒径在0.1至1000μm之间，其比表面积在0.001至1m²/g之间，其化学组成如下（重量百分）：

0.1-1%    Fe

0.01-1%    Al

0-8%    Cu

0-1%    Ca

0-1%    Zn

0-1%    Sn

0-0.5%    B

0-0.5%    P

0-0.5%    Na

0-0.5%    Li

0-0.5%    K

0-0.5%    Mg

0-0.5%    Sr

0-0.5%    Ba

0-0.5%    Be

余量为硅和少于0.3%的杂质，如Ti、V、Cr、Mo、W和Zr等。

根据一个较佳实施方案，此硅粉的组成如下（重量百分）：

0.25-0.55%Fe，0.05-0.45%Al，

0.005-0.20%Ca，余量为硅和正常量的杂质。

根据另一个较佳实施方案，此硅粉的组成如下（重量百分）：

0.25-0.55%Fe，0.05-0.45%Al，

0.005-0.20%Ca，1-6%Cu，余量为硅和正常量的杂质。

本发明的硅粉特别适合于生产有机硅烷，其方法是将硅粉与烷基氯或芳基氯反应以生成氯代硅烷。

在生产有机硅烷时，用铜作催化剂和用锌和锡作促进剂，使硅粉与烷基氯或芳基氯反应。已经发现，在生产硅烷时，使用本发明的硅粉可以明显地提高生产速率。在生产有机硅烷时，使用本发明的硅粉的一个特殊优点是可利用硅粉本身所含的铜作催化剂和所含的锌和锡作促进剂。

本发明的硅粉的其他一些优点是可用于陶瓷与耐火材料并可采用将硅粉喷入熔融铝的方法来使铝合金化。

本发明的另一方面涉及一种连续生产硅粉的方法，该方法的特征是包含如下步骤：

a）    在一个电熔炼炉中连续地生产硅，

b）    在一个金属处理容器中将熔融硅精炼并使其合金化，

c）    将熔融硅从金属处理容器连续地转移入一个保温炉，

d）    将保温炉中的熔融硅连续地加入一个密封的雾化设备内，在其中借助于来自一个压力容器或压缩机的惰性气体使熔融硅雾化，

e）    从雾化设备中连续地排出雾化的硅粉和惰性气体，

f）    在一个固/气分离器中使雾化的硅粉和惰性气体分离，

g）    将硅粉过筛，使其分为预定粒径的各个筛分，

h）    将不同粒径筛分的硅粉装入各个密封的产品贮罐，

i）    将来自步骤f）中的惰性气体过滤以除去其中任何残留的固体颗粒，

j）    将来自步骤i）中的惰性气体冷却和压缩并将此经压缩的惰性气体再循环至压力容器或直接送往雾化设备中。

本发明方法的一个较佳实施方案是将一种可以改善雾化硅粒子表面的化合物喷射到雾化设备的出口端、雾化设备与固/气分离器之间或固/气分离器的内部。

本发明方法，将熔融的硅送至步骤d）中的雾化装置，直至将过筛分级后的硅粉送至产品贮藏罐为止，都是在一个密闭系统中和在惰性气氛下对硅进行处理的。这样就消除了杂质混入硅粉中的可能性。

下面将结合附图进一步解释本发明的方法。

图1为本发明的原理图。

在图1中示出一个电熔炼炉，在其中将二氧化硅与含碳的还原物质进行碳热还原反应以生产硅。熔融的硅从熔炼炉1的出口2处连续地流入处理容器3，以常规的方法对容器3中的硅进行精炼和合金化处理。接着将经处理的熔融硅转移入保温炉4。从保温炉4连续并恒流量地或基本上恒流量地将硅送入雾化设备5。

雾化设备5包含有一个密封罐6，在密封罐的上部装有一个雾化装置7，该雾化装置带有很多用来喷射惰性气体的喷嘴，惰性气体流将硅熔体的连续液流打碎成很多细小的熔滴，这些液滴在经过密封罐6自由下降时凝成固体。

在雾化设备5中硅液的固化过程只有几秒钟。在此情况下由于没有偏析作用而获得十分均质的硅颗粒，并且由于有惰性气氛的保护，因此在硅颗粒上不会形成氧化物、碳化物、氮化物或碳氮化物。因此获得了纯净而均质的硅粉。

硅粉集中到密封罐6的底部8。硅粉和惰性气体从密封罐的底部8进入分离器9以使硅粉与惰性气体分离。该分离器9最好是一个旋风分离器。硅粉连续地从分离器9的底部10进入一个密封的过筛装置11，在此处将硅粉过筛使其分级为不同粗细的筛分。然后把不同粗细筛分的硅粉在密封系统中装入不同的硅粉产品贮罐12。

从以上叙述可以看出，所说的硅粉从它在雾化设备5处形成开始，直至它进入产品贮罐12为止，全部过程皆在一个带有惰性气氛的密闭系统中进行。因此防止了在粉末粒子的表面发生氧化。

惰性气体接着从硅粉与惰性气体的分离器9进入一个过滤器13，它最好是一个袋式过滤器，在过滤器中全部残留在气体中的硅粉皆被捕集并被转移入某一个产品贮罐12。经过净化的惰性气体继而进入一个冷却器14以使气体冷却，然后该气体在压缩机15中被压缩并被压送入一个惰性气体压力罐16，并从该处再循环至雾化装置7的喷嘴处。

在雾化过程开始之前，必须先将所有的含氧气体从密封系统中除去。为此目的，在系统中安装第2个惰性气体压力罐17。另外，在过滤器13之后安装有一个排气阀，使得在起动前用来清扫含氧气体的惰性气体能从该排气阀排出。压力罐17还可用来提供补充的惰性气体，以补偿那些在雾化过程中损失到过筛装置和产品罐中的惰性气体。然而，这一部分气体损失量是很小的，它通常小于供应到雾化装置7的气体总量的1%。

在雾化罐6的底部8与用来分离硅粉与惰性气体的分离器9之间，最好安装一个加料装置18，以加入一种可以改善硅粉粒子表面状态的化合物。

为了调节供应到雾化喷嘴的惰性气体量与供应到雾化设备5的熔融硅量这二者之间的比例关系，安装有一个可自动调节气体流量的控制装置19。

下列实施例表明，使用本发明的硅粉与甲基氯进行反应以生产有机硅烷可以获得多种好处。

实施例1

下列各实验在一个直径为30mm，其中装有螺旋搅拌器的搅拌床反应器中进行。

在所有的实验中硅或铜合金化的硅的用量皆相同。硅粉的粒径在70至160μm之间。将甲基氯以2巴的压力送入反应器的底部。在所有实验中甲基氯的流量保持恒定，在2巴压力下其流量约为1.5升/小时。在经过预热和反应开始后，在300℃下达到一个稳定的反应阶段。在这些条件下测定单位时间内生产出的硅烷量。实验时所用的各工艺参数恒定地为：压力＝2巴、甲基氯流量＝1.5升/小时和温度＝300℃，所得的结果是4次实验平均值。装入反应器的反应物质包括40克硅、3.2克铜催化剂和0.05克ZnO。在将这些物质加入反应器之前先将其搅拌均匀。

实验A和B所用的是以常规的粉碎和研磨方法所生产出的硅粉。实验C所用的是以本发明的方法所生产出的硅粉。

实验A、B和C中所用硅粉的化学组成如下：

A    B    C

（重量%）    （重量%）    （重量%）

Fe    0.43    0.3    0.52

Al    0.32    0.19    0.38

Ca    0.07    0.10    0.08

在该三次实验中所获的硅烷生产速率如下：

实验A：5.7克/小时

实验B：5.2克/小时

实验C：8.3克/小时

上面结果表明，与常规的硅粉相比，使用本发明的雾化硅粉可以把生产速率分别提高45%和56%。

实施例2

采用与实施例1相同的反应器和相同的实验条件（2巴，1.5升甲基氯/小时，300℃），所用的本发明的雾化硅粉的化学组成如下（重量百分）：

Fe：0.34%，Al：0.40%，Cu：5.75%，

Zn：0.14%，Ca：0.10%

余量为硅和杂质。两次实验结果所获的硅烷的生产速率分别为8.13克/小时和9.9克/小时，该结果表明，与实施例1的实验A和B中使用常规粉碎和研磨方法生产的硅粉相比，生产速率获得了显著的提高。

Claims (5)

1、硅粉，其特征在于，该硅粉是把熔融硅进行气体雾化处理而制得，该硅粉的粒径在0.1至1000μm之间，其表面积在0.001至1米²/克之间，其化学组成如下(重量百分)：

0.1-1%   Fe

0.01-1%  Al

0-8%     Cu

0-1%     Ca

0-1%     Zn

0-1%     Sn

0-0.5%   B

0-0.5%   P

0-0.5%   Na

0-0.5%   Li

0-0.5%   K

0-0.5%   Mg

0-0.5%   Sr

0-0.5%   Ba

0-0.5%   Be

余量为硅及小于0.3%量的杂质，例如Ti、V、Cr、Mo、W和Zr。

2、如权利要求1中所述的硅粉，其特征在于，该硅粉的化学组成如下（重量百分）：0.25-0.55%Fe，0.05-0.45%Al，0.005-0.20%Ca，余量为硅和正常量的杂质。

3、如权利要求1中所述的硅粉，其特征在于，该硅粉的化学组成如下（重量百分）：0.25-0.55%Fe，0.05-0.45%Al，0.005-0.20%Ca，1-6%Cu，余量为硅和正常量的杂质。

4、连续生产硅粉的方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：

a）在一个电熔炼炉中连续地生产硅，

b）在一个金属处理容器中将熔融硅精炼并使其合金化，

c）将熔融硅从金属处理容器中连续地转移入一个保温炉，

d）将熔融硅连续地送入一个密封的雾化设备内，在其中借助于来自一个压力容器或压缩机的惰性气体使熔融硅雾化，

e）从雾化设备中连续地排出雾化的硅粉和惰性气体，

f）在一个固/气分离器中将雾化的硅粉与惰性气体分离，

g）将硅粉过筛使其分为预定粒径的各个筛分，

h）把不同粒径筛分的硅粉装入各个密封的产品贮罐，

i）将来自步骤f）中的惰性气体过滤，以除去其中任何残留的固体颗粒，

j）将来自步骤i）的惰性气体冷却和压缩并将经压缩的惰性气体再循环到压力容器或者直接送往雾化设备中。

5、如权利要求4中所述的方法，其特征在于，把一种可改善雾化硅粒表面状态的化合物喷射到雾化设备的出口端、雾化设备与固/气分离器之间或固/气分离器的内部。

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