DE3411731A1 - Verfahren zur herstellung von silicium aus rohstoff-quarz in einem elektroniederschachtofen sowie verfahren zur reduktion von oxidischen rohstoffen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von silicium aus rohstoff-quarz in einem elektroniederschachtofen sowie verfahren zur reduktion von oxidischen rohstoffenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur Herstellung
von Silicium aus Rohstoff-Qu ar ζ in einem Elektroniederschachtofen,
wobei in den Elektroniederschachtofen der Rohstoff-Quarz in körniger Form und außerdem Reduktionsmittelbriketts aus
Quarz und Kohlenstoff eingebracht werden, die in bezug auf die Reaktion SiO0 +3C = SiC + 2CO einen Überschuß an Kohlenstoff aufweisen,
wobei in einem oberen Teil des Elektroniederschachtofens zuerst
bei einer Temperatur von unter 1600° C der Quarz in den Reduktionsmittelbriketts
zu SiC umgesetzt wird und wobei danach in einem unteren Teil des Elektroniederschachtofens bei einer Temperatur von
über 1600° C, vorzugsweise von 1800 bis 2000° C, der flüssige Rohstoff-Quarz reduziert wird. Die Reduktionsmittelbriketts werden vorzugsweise
im Wege der Heißbrikettierung hergestellt. - Rohstoff-Quarz bezeichnet alle für die Herstellung von Silicium eingesetzten SiIiciumdioxidträger,
insbesondere Quarzite und Quarzsand. Zur Herstellung der Reduktionsmittelbriketts wird im allgemeinen mit Quarzsand
gearbeitet. Heißbrikettierung bezeichnet eine bindemittelfreie Brikettierung, bei der die Ausgangsstoffe auf eine Temperatur von 430
bis 540° C erwärmt und unter Anwendung von Druck zu Briketts geformt
werden (vgl. DE-PS 19 15 905). Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet werden, die auf
andere Weise hergestellt wurden.
Bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren (DE-PS 30 32 720) wird mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet, die in bezug auf die
Reaktion SiO„ +3C = SiC + 2CO allenfalls einen geringen Überschuß
an Kohlenstoff aufweisen. Tatsächlich strebt man eine möglichst vollständige Umsetzung der Reaktionspartner bei der angegebenen Reaktion
in den Reduktionsmittelbriketts an, und zwar zu SiC und CO, um danach die Reduktion des flüssigen Rohstoff-Quarzes im unteren
Teil des Niederschachtofens bei den angegebenen hohen Temperaturen
34Π731
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
mit dem SiC als Reduktionsmittel durchzuführen. Der Überschuß an
Kohlenstoff ist nur vorhanden, weil der Kohlenstoff bei der Reduktion des Siliciumdioxids in den Reduktionsmittelbriketts auch mit Sauerstoff
reagiert und insoweit für die Reduktion des Siliciumdioxids verlorengeht. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen bestehen die Reduktionsmittelbriketts
nach der Reduktion des Siliciumdioxids jedoch praktisch aus Siliciumcarbid und nicht mehr aus Kohlenstoff. Die bekannten
Maßnahmen haben sich bewährt, sind jedoch in bezug auf die Siliciumausbeute und damit in bezug auf den Energiebedarf verbesserungsbedürftig
.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren
so zu führen, daß man bei reduziertem Energieeinsatz eine hohe Siliciumausbeute erhält.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß mit Reduktionsmittelbriketts
gearbeitet wird, die in bezug auf die Reaktion SiO0 +3C = SiC + 2CO einen Überschuß an Kohlenstoff von mehr als
50 Gew.-% und weniger als 90 Gew.-% aufweisen, daß im oberen Teil
des Elektroniederschachtofens in den Reduktionsmittelbriketts bei der Temperatur von unter 1600° C neben dem SiC aktivierter Kohlenstoff
gebildet wird, wobei die Reduktionsmittelbriketts eine koksartige Struktur annehmen, und daß einerseits mit diesem aktivierten Kohlenstoff
und andererseits mit dem gebildeten SiC der eingesetzte Rohstoff-Quarz in dem unteren Teil des Elektroniederschachtofens reduziert
wird. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung mit einem Überschuß an Kohlenstoff in den Reduktionsmittelbriketts gearbeitet,
der etwa 80 Gew.-% ausmacht. Eine Optimierung erreicht man fernerhin
dadurch, daß das Verfahren insgesamt so geführt wird, daß mit dem aktivierten Kohlenstoff zumindest 50 Gew.-% des eingesetzten
Rohstoff-Quarzes in dem unteren Teil des Elektroniederschachtofens
3 A11731
η
reduziert werden. - Insgesamt wird der Möller so eingestellt, daß die Stoffbilanz stimmt.
Wie bereits erwähnt, ist für das erfindungsgemäße Verfahren die Art
und Weise der Herstellung der Briketts grundsätzlich beliebig. Es muß allerdings sichergestellt werden, daß die Briketts entsprechend
standfest sind, um in der beschriebenen Weise gleichsam als Möller zusammen mit dem Rohstoff-Quarz in einen Elektroniederschachtofen
eingebracht zu werden und dort in der beschriebenen Weise zu reagieren. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird dabei
so verfahren, daß mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird, die im Wege der Heißbrikettierung in Form von Eierbriketts oder Kissenbriketts
hergestellt sind und die eine Größe von 15 bis 60 cm3 aufweisen. Im Zusammenhang damit empfiehlt die Erfindung fernerhin,
daß mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird, deren Kohlenstoffgehalt, soweit für die Heißbrikettierung erforderlich, aus backender
Kohle und im übrigen aus inerten Kohlenstoffträgern wie Petrolkoks, Anthrazit, Graphit, Braun- und Steinkohlenkoksen besteht. Es
versteht sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren zu Ferrosilicium
und zu Ferrometall fortgeführt werden kann, indem man neben dem Rohstoff-Quarz geeignete Substanzen, z. B. Eisenspäne
oder Eisengranulat, in den Elektroniederschachtofen einbringt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der Reduktion von Siliciumdioxid mit Kohlenstoff in den Reduktionsmittelbriketts
neben der Bildung des Siliciumcarbids auch eine Bildung von aktivem Kohlenstoff erfolgt, der gleichsam als jungfräulicher Kohlenstoff im
unteren Teil des Elektroniederschachtofens, neben dem Siliciumcarbid, zur Reduktion des Siliciumdioxids zur Verfügung steht, was
im Ergebnis die Ausbeute verbessert und den Energieeinsatz reduziert .
Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auch auf ein Verfahren zur Reduktion von oxidischen Rohstoffen, die mit SiC und Kohlenstoff
reduzierbar sind, in einem Elektroniederschachtofen, wobei in den Elektroniederschachtofen die Rohstoffe in körniger Form und außerdem
Reduktionsmittel eingebracht werden, die Kohlenstoff enthalten. Das gilt insbesondere für die Herstellung von Magnesium und Phosphor.
Tatsächlich betrifft die Erfindung insoweit konkret die Herstellung von Magnesium aus hauptsächlich Magnesiumoxid enthaltenden Ausgangsstoffen
bzw. von Phosphor aus geeigneten Phosphaten. Bei dem (aus der Praxis) bekannten vorgenannten Verfahren wird der Kohlenstoff
in Form von Holzkohle oder Koks in den Elektroniederschachtofen eingebracht. Das Ergebnis ist oft unbefriedigend, weil
die Ausbeute gering und der Energieverbrauch groß ist. Das ist der Grund, weshalb zumindest in bezug auf die Herstellung von Magnesium
und Phosphor die bekannten Maßnahmen im großen nicht in die Praxis eingeführt worden sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
das Verfahren so weiter auszubilden, daß bei wesentlich reduziertem Energieverbrauch eine verbesserte Ausbeute erreicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Reduktionsmittel
in den Elektroniederschachtofen in Form von Reduktionsmittelbriketts aus Quarz und Kohlenstoff eingebracht werden, deren Kohlenstoffgehalt
höher liegt, als der Reaktion SiO0 +3C = SiC + 2CO entspricht
und im Bereich von 60 bis 80 Gew.-% liegt, daß die oxidischen Rohstoffe zwischen den Reduktionsmittelbriketts angeordnet werden,
daß in einem oberen Teil des Elektroniederschachtofens bei einer Temperatur von unter 1600° C der Quarz in den Reduktionsmittelbriketts
mit einem Teil des Kohlenstoffs zu SiC umgesetzt und im übrigen aktivierter Kohlenstoff gebildet wird, wobei die Reduktionsmittelbriketts
eine koksartige Struktur annehmen, und daß danach in einem angeschlossenen, unteren Teil des Elektroniederschachtofens bei einer
Temperatur von über 1600° C, bei der die oxidischen Rohstoffe in einen flüssigen und/oder gasförmigen Aggregatzustand übergehen,
die Reduktion der oxidischen Rohstoffe mit dem SiC sowie dem aktivierten Kohlenstoff der Reduktionsmittelbriketts durchgeführt wird.
Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird mit Reduktionsmittelbriketts
gearbeitet, die im Wege des Heißbrikettierens hergestellt worden sind. Heißbrikettierung bezeichnet bekanntlich eine bindemittelfreie
Brikettierung, bei der Ausgangsstoffe auf eine Temperatur von 430 bis 540° C erwärmt und unter Anwendung von Druck zu Briketts
geformt werden, die beispielsweise als sogenannte Eierbriketts oder Kissenbriketts ausgeführt sind und deren Volumen im Bereich
von 15 bis 60 cm3 liegt. Im Rahmen der Erfindung muß aber nicht notwendig mit im Wege der Heißbrikettierung hergestellten Reduktionsmittelbriketts
gearbeitet werden.
Im allgemeinen wird man die Rohstoffe und die Reduktionsmittelbriketts
mischen und die Mischung als Möller in den Elektroniederschachtofen einführen. Es versteht sich, daß die Stoffbilanz insgesamt
stimmen muß. Entsprechend ist die Mischung aus den Rohstoffen und den Reduktionsmittelbriketts, anders ausgedrückt der Möller,
eingestellt. Das erfolgt nach den üblichen Regeln der Stöchiometrie. Es empfiehlt sich, insgesamt mit einem geringen Überschuß an Kohlenstoff
zu arbeiten, da ein Teil des Kohlenstoffes auch als Kohlendioxid gleichsam verlorengehen kann.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß in der beschriebenen
Weise aufgebaute Reduktionsmittelbriketts, die als Möller zusammen mit zu reduzierenden Rohstoffen einem Elektroniederschachtofen aufgegeben
werden, zunächst im oberen Teil des Elektroniederschachtofens bei einer Temperatur von unter 1600° C in dem Sinne reduziert werden
können, daß aus dem SiCL einerseits SiC und andererseits 2CO entstehen. Überraschenderweise behalten die Reduktionsmittelbriketts
dabei ihre Struktur, während sich der im Überschuß eingesetzte Kohlenstoff bei dieser Reduktion des SiO„ in aktivierten Kohlenstoff umsetzt,
der gleichsam jungfräulich im angeschlossenen unteren Teil des Elektroniederschachtofens neben dem Siliciumcarbid mit den Rohstoffen
reagieren und die Reduktion bewirken kann. Das führt im Ergebnis zu einer beachtlich verbesserten Ausbeute bei geringem Energieverbrauch.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Silicium aus Rohstoff-Quarz in
einem Elektroniederschachtofen,
wobei in den Elektroniederschachtofen der Rohstoff-Quarz in körniger Form und außerdem Reduktionsmittelbriketts aus
Quarz und Kohlenstoff eingebracht werden, die in bezug auf
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die Reaktion SiO +3C = SiC + 2CO einen Überschuß an
Ct
Kohlenstoff aufweisen,
wobei in einem oberen Teil des Elektroniederschachtofens zuerst bei
einer Temperatur von unter 1600° C der Quarz in den Reduktionsmittelbriketts zu SiC umgesetzt wird und wobei danach in einem
unteren Teil des Elektroniederschachtofens bei einer Temperatur von über 1600° C, vorzugsweise von 1800 bis 2000° C, der flüssige
Rohstoff-Qu ar ζ reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird,
die in bezug auf die Reaktion SiO„ +3C = SiC + 2CO einen
Überschuß an Kohlenstoff von mehr als 50 Gew.-% und weniger als 90 Gew.-% aufweisen,
daß im oberen Teil des Elektroniederschachtofens in den Reduktionsmittelbriketts
bei einer Temperatur von unter 1600° C neben dem SiC aktivierter Kohlenstoff gebildet wird, wobei die Reduktionsmittelbriketts
eine koksartige Struktur annehmen, und daß mit diesem aktivierten Kohlenstoff einerseits und dem SiC andererseits der Rohstoff-Quarz
in dem unteren Teil des Elektroniederschachtofens reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Reduktionsmittelbriketts
gearbeitet wird, die einen Überschuß von etwa 80 Gew.-% an Kohlenstoff aufweisen.
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3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß im unteren Teil des Elektroniederschachtofens zumindest 50 Gew.-% des eingesetzten Rohstoff-Quarzes mit dem aktivierten
Kohlenstoff der Reduktionsmittelbriketts reduziert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Reduktionsmittelbriketts gearbeitet wird, die im Wege der Heißbrikettierung in Form von Eierbriketts oder Kissenbriketts
hergestellt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Reduktionsmittelbriketts
gearbeitet wird, deren Kohlenstoffgehalt, soweit für die Heißbrikettierung erforderlich, aus backender Kohle und
im übrigen aus inerten Kohlenstoffträgern wie Petrolkoks, Anthrazit, Graphit, Braun- und Steinkohlenkoksen besteht.
6. Verfahren zur Reduktion von oxidischen Rohstoffen, die mit Siliciumcarbid
und Kohlenstoff reduzierbar sind, in einem Elektroniederschachtofen, wobei in den Elektroniederschachtofen die Rohstoffe in
körniger Form und außerdem Reduktionsmittel eingebracht werden, die Kohlenstoff enthalten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reduktionsmittel in den Elektroniederschachtofen in Form von Reduktionsmittelbriketts aus Quarz und
Kohlenstoff eingebracht werden, deren Kohlenstoffgehalt höher ist, als der Reaktion SiO „ +3C = SiC + 2CO entspricht, und im Bereich
von 60 bis 80 Gew.-% liegt, daß die oxidischen Rohstoffe zwischen den Reduktionsmittelbriketts angeordnet werden, daß in einem oberen
Teil des Elektroniederschachtofens bei einer Temperatur von unter 1600° C der Quarz in den Reduktionsmittelbriketts mit einem Teil des
Kohlenstoffes zu SiC umgesetzt und im übrigen aktivierter Kohlenstoff
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gebildet wird, wobei die Reduktionsmittelbriketts eine koksartige Struktur annehmen, und daß danach in einem angeschlossenen, unteren
Teil des Elektroniederschachtofens bei einer Temperatur von über 1600° C, bei der die oxidischen Rohstoffe in einen flüssigen
und/oder gasförmigen Aggregatzustand übergehen, die Reduktion der oxidischen Rohstoffe mit dem SiC sowie dem aktivierten Kohlenstoff
aus den Reduktionsmittelbriketts durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Reduktionsmittelbriketts
gearbeitet wird, die im Wege der Heißbrikettierung hergestellt worden sind.
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