Результат интеллектуальной деятельности: ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Область техники

Изобретение относится к области электротермии, химической технологии и глубокой переработке каменных энергетических углей, может быть использовано при получении карбида кремния для применения в восстановительных процессах, при использовании в металлургической промышленности для производства стали.

Уровень техники

Из уровня техники известен способ получения карбида кремния восстановлением кварцевого песка нефтяным коксом в высокотемпературных печах сопротивления. При этом гранулометрический состав кварцевого песка имеет ограничения по фракционному составу: содержанию и крупных (+6 мм не более 10%) и мелких (менее 0,3 мм не более 10%, в том числе менее 0,22 мм не более 2%) фракций. В электрическую печь сопротивления на подсыпку из кварцевого песка загружают керн из нефтяного кокса, затем дозируют и загружают шихту из кварцевого песка и нефтяного кокса в расчетном стехиометрическом соотношении SiO₂+3C (SiO₂ - 62,5%, С - 37,5%) и ведут восстановительную плавку карбида кремния. По окончании выделения газов из печи, что соответствует окончанию восстановления карбида кремния, печь отключают, охлаждают, проводят извлечение продуктов плавки, отбор карбида кремния и отделение промежуточных продуктов. (Парада А.Н., Гасик М.И. «Электротермия неорганических материалов», М., Металлургия, 1990, 230 с.). Переход кремнезема в карбид кремния составляет 63-65% от массы загруженного с шихтой кремнезема. Недостатком способа является использование целевых классов восстановителей, требующих особой подготовки к плавке, что ведет к высоким затратам на производство карбида кремния.

Известен способ получения карбида кремния (патент RU 1777312, С01В 31/36, опубл. 30.09.1994 г.), включающий смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего сырья, углерода и магния, термообработку смеси в режиме горения, кислотную обработку, в котором с целью получения продукта в виде мелкодисперсного однородного по гранулометрическому составу порошка, смешение осуществляют при следующих соотношениях компонентов, мас. %:

затем смесь трамбуют до плотности 1,04-1,63 г/см³ и термообработку осуществляют при 1400-2200°С. Недостатком способа является сложность технологического процесса и использование химически агрессивных компонентов сырья для получения карбида.

Известен способ получения карбида кремния (патент RU 1730035, С01В 31/36, опубл. 30.04.1992 г.), включающий приготовление шихты из мелкозернистого буроугольного полукокса и аморфной ультрадисперсной пыли сухой газоочистки производства ферросилиция при их массовом соотношении 0,55-0,60, гранулирование полученной шихты в присутствии 15-25 мас. % связующего в качестве которого используют водный раствор концентрата лигносульфонатов или жидкого стекла при концентрации последних в растворе 5-50 мас. %. Гранулированную шихту подвергают термообработке в электропечах. Недостатком способа является сложное аппаратурное оформление и высокий уровень нежелательных примесей, переходящих в карбид кремния из пыли газоочисток производства ферросилиция.

Известен способ получения карбида кремния (патент RU 2163563, C01D 31/36, опубл. 27.02.2001 г.), включающий электронагрев, со скоростью 200-300°С/ч, природной горной породы - шунгита, содержащей кремнезем и углерод, при 1600-1800°С, отличающийся тем, что нагрев шунгита ведут в вакуумной печи при остаточном давлении в рабочем пространстве 0,25-1,3 кПа. Недостатком данного способа является необходимость использования сложного оборудования для создания вакуума в рабочем пространстве печи.

Известен способ получения карбида кремния (патент RU 2627428, С01В 31/36, опубл. 08.08.2017 г.), включающих в себя дозирование кремнеземсодержащих материалов и углеродистых восстановителей, загрузку их в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки, при этом в начале загрузки (вокруг керна) шихта содержит кварцит фракцией 6-10 мм, затем загружается шихта, содержащая кварцевый песок и/или кварцит, фракцией 0,3-6,0 мм, и в верхнюю часть печи и на периферию загружаемая шихта содержит кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем, фракцией менее 0,22 мм, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья, масс., %:

кварцит, фракцией 6,0-10 мм 20-30,

кварцевый песок (кварцит) фракцией 0,3-6,0 мм 70-50,

кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5-8,

мелкодисперсный кремнезем, менее 0,22 мм 5-15.

Недостатком данного способа является необходимость предварительной классификации восстановителей по гранулометрическому составу, что увеличивает затраты на ведение восстановительной плавки и конечную продукцию.

Известен способ получения металлургического карбида кремния (патент RU 2004493, С01В 31/36, опубл. 15.12.1993 г.). Сущность изобретения: в шахтную печь подают смесь из кремнезема и углеродсодержащего вещества. Печь включает вертикальную шахту, средства для загрузки шихты и выгрузки готового продукта, электроды, установленные соосно горизонтально в нижней части печи с возможностью перемещения навстречу друг другу с торцами, скошенными вверх, а также подвижный в горизонтальной плоскости перпендикулярно движению электродов под, представляющий собой два бункера, сообщающиеся с шахтой поочередно и снабженные днищем в форме короба с перфорированной крышкой и патрубком для подачи газа, установленные с возможностью вертикального перемещения. Шихта прогревается при движении по шахте сверху вниз за счет тепла реакционных газов. Шихту прокаливают и одновременно уплотняют пропусканием электрического тока через электроды. Прокаленный продукт периодически выгружают на перфорированную крышку короба при разведении электродов и опускании днища с одновременным охлаждением газом, поступающим через патрубок короба. Недостатком данного способа получения карбида кремния является невысокая степень перехода кремнезема в карбид кремния, что сдерживает производительность печей.

Известна шихта для получения карбида кремния (патент RU 2673821, С01В 32/914, опубл. 30.11.2018 г.), включающая кварцевый песок, нефтяной кокс, дополнительно содержит древесный уголь и малозольный каменный уголь фракцией 0-5 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %: кварцевый песок 51,3-56,7; нефтяной кокс 3,5-22,3; древесный уголь 7,9-24,2; малозольный каменный уголь 12,6-26,2.

По технической сущности, по наличию общих признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога. Недостатком использования данной шихты является многокомпонентность восстановительной композиции для получения карбида кремния.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача, направленная на увеличение производительности печей на выпуске карбида кремния. При этом техническим результатом является снижение расхода кремнеземсодержащих материалов, используемых в восстановительной плавке карбида кремния.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве шихты для получения карбида кремния используются: отсевы кварцита фракцией 5-20 мм; каменные энергетические угли фракцией 10-30 мм, при соотношении компонентов, мас. %: отсевы кварцита 43,7-46; каменный энергетический уголь 54-56,3. Проплавку шихты для получения карбида кремния ведут в электрической печи сопротивления с вертикальной шахтой непрерывным способом и с периодической выгрузкой карбида кремния через каналы разгрузки.

На фиг. 1 показан разрез электрической печи сопротивления.

Осуществление изобретения

Шихту (6), состоящую из отсевов кварцита и каменных энергетических углей загружают сверху в электрическую печь сопротивления, имеющую вертикальную шахту (1), футерованную огнеупорными материалами (2), токоподвод верхний (3) с электродом (4) и токоподвод нижний в виде токопроводящей подины (5) и проводят плавку карбида кремния. Процесс ведения плавки карбида кремния - непрерывный, с периодической выгрузкой карбида кремния через каналы разгрузки (7) с помощью передвижных шнековых устройств (на схеме не показаны). Получаемый карбид кремния предназначен для применения в металлургической промышленности и должен содержать SiC в продукте не менее 88 мас. %. Зола каменных энергетических углей содержит около 50% диоксида кремния, который при восстановлении, снижает количество кремнезема, расходуемого на производство карбида кремния.

Примеры осуществления способа

Пример 1. В шахтную печь загружали типичную шихту, состоящую из кварцевого песка и нефтяного кокса и вели восстановительную плавку карбида кремния. После выгрузки полученный карбид кремния взвешивали и рассчитывали расход шихтовых материалов. Для данной шихты он составил: кварцевого песка - 1610 кг/т; нефтяного кокса - 1130 кг/т. Соотношение компонентов шихты составило, мас. %: кварцевый песок - 58,7; нефтяной кокс - 41,3.

Пример 2. В шахтную печь для плавки карбида кремния загружали шихту, состоящую из отсевов кварцита фракцией 5-20 мм с содержанием SiO₂ 98,01 мас. % и каменного угля, используемого для энергетических целей, следующего состава: содержание золы 19,8 мас. %, содержание летучих веществ 20 мас. %, содержание SiO₂ в золе 45,1 мас. %. Расход шихтовых материалов на получение карбида кремния составил: отсевов кварцита - 1466 кг/т; каменного энергетического угля - 1715 кг/т. Соотношение компонентов шихты составило, мас. %: отсевы кварцита - 46,0; каменный энергетический уголь - 54,0.

Карбид кремния для металлургического производства, полученный этим способом, был следующего химического состава, мас. %: SiC - 88,48; Si+SiO₂ - 4,9; C - 1,84.

Пример 3. В данном эксперименте для получения карбида кремния использовали отсевы кварцита и каменный энергетический уголь состава, мас. %: содержание золы 12,1, содержание летучих веществ 32, содержание SiO₂ в золе 45,1. Расход шихтовых материалов на получение карбида кремния составил: отсевов кварцита - 1509 кг/т; каменного энергетического угля - 1814 кг/т. Соотношение компонентов шихты составило, мас. %: отсевы кварцита - 45,4; каменный уголь - 54,6.

Состав карбида кремния, мас. %: SiC - 90,2; Si+SiO₂ - 5,3; С - 0,98.

Пример 4. Для получения карбида кремния в печь загружали шихту с каменным энергетическим углем состава, мас. %: содержание золы 18,0, содержание летучих веществ 26,0; содержание SiO₂ в золе 48,2. Расход шихтовых материалов на получение карбида кремния составил: отсевов кварцита - 1462 кг/т; каменного энергетического угля - 1879 кг/т. Соотношение компонентов шихты составило, мас. %: кварцевый песок - 43,7; каменный энергетический уголь - 56,3.

Полученный карбид кремния был следующего химического состава, мас. %: SiC - 88,4; SiO₂ - 2,4; С - 1,05.

Пример 5. В этом примере для получения карбида кремния в шихте применяли каменный энергетический уголь состава, мас. %: содержание золы 6,0, содержание летучих веществ 41,0, содержание SiO₂ в золе 53,02. Расход шихтовых материалов на получение карбида кремния составил: отсевов кварцита - 1551 кг/т; каменного энергетического угля - 1942 кг/т. Соотношение компонентов шихты составило, мас. %: кварцевый песок - 44,5; каменный энергетический уголь - 55,5.

Карбид кремния, полученный в этом эксперименте, содержал, мас. %: SiC - 88,2; SiO₂ - 1,1; С - 3,1.

Полученные в процессе испытаний результаты показали, что использование каменных энергетических углей за счет восстановления кремнезема золы углей снижает расход кварцита на получение карбида кремния; оптимальным соотношением шихтовых материалов для получения карбида кремния из шихты, состоящей из каменных энергетических углей и отсевов кварцита является, мас. %:

- отсевы кварцита 43,7-46;

- каменный энергетический уголь 54-56,3.

Информация:

1. Парада А.Н., Гасик М.И. «Электротермия неорганических материалов», М., Металлургия, 1990, 230 с.

2. Патент RU 1777312, С01В 31/36, опубл. 30.09.1994 г.

3. Патент RU 1730035, С01В 31/36, опубл. 30.04.1992 г.

4. Патент RU 2163563, C01D 31/36, опубл. 27.02.2001 г.

5. Патент RU 2627428, С01В 31/36, опубл. 08.08.2017 г.

6. Патент RU 2004493, С01В 31/36, опубл. 15.12.1993 г.