CN111591996A - 一种利用硅铁合金制备工业硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，属于工业硅冶炼技术领域。本发明将硅铁合金熔体连续匀速加入到定向凝固连铸装置中，控制硅铁合金熔体的温度和流速、凝固速度以实现金属铁的偏析富集，得到铁含量梯级分布的硅锭产品，对硅锭产品进行取样检测，确定Fe含量梯级分布的节点，并对硅锭进行分级处理得到不同铁质量含量的各级工业硅产品，工业硅产品包括化学级工业硅、冶金级工业硅和硅铁合金。本发明方法将硅铁合金熔体直接进行高效除铁，可以将硅铁合金部分提纯至工业硅，具有生产成本低、技术适应性广、应用前景广阔等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，属于工业硅冶炼技术领域。
背景技术
现有硅行业中，硅铁已经面临产能过剩的局面。此外，硅铁价格基本保持在5500-6200元/吨，而工业硅价格，正常牌号产品质量，如441#工业硅的价格，基本稳定在10000元/吨以上。若使用硅铁为原料，辅以相应的硅分离的技术，不仅可以同时获得硅铁和工业硅产品，还能稳步提升工业硅产品的利润空间，并为硅铁行业提供增值服务。
现有的工业硅提纯技术中，基于分凝理论的定向凝固技术，通过可控的凝固方式实现硅中铁等金属杂质的分离；即通过可控的凝固过程实现杂质Fe向后凝固液相中富集的目的，进而使得先凝固部分的硅获得较高的纯度。但是在工业硅行业熔体的浇铸工艺方面，一直采用模铸这种自然空冷式的凝固技术，将抬包吹氧精炼后的硅铁合金熔体直接倾倒在锭模内，经过自然冷却形成硅锭产品。此凝固方式，极大的受制于锭模构造、熔体成分波动，以及浇铸过程中人为操作等因素的影响，会导致硅铁合金熔体模铸过程中产生不同程度的成分偏析，对工业硅产品的均匀性存在较为显著的影响，根据随机取样检测结果确定的产品品质等级与产品真实品质之间存在极大的差异；因此，现有的间歇式的凝固成型技术无法满足定向凝固除Fe技术的连续可控的需求。
现有的多晶硅铸锭技术无法直接应用于工业硅的生产工艺中，原因在于多晶硅铸锭设备费用以及设备运行费用都较高，间歇式的生产周期长，与低成本空间和连续性生产方式的工业硅行业无法有效嫁接。
发明内容
本发明针对现有工业硅生产工艺所得产品利润空间不足的问题，提供一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，本发明充分利用硅铁产品生产的成本优势，通过引入硅铁作为工业硅生产的直接原料，通过控制硅铁熔体的浇铸和凝固过程，实现主体硅中分凝系数远小于1的铁元素偏析分离，如将硅铁牌号为FeSi90Al3.0产品转变为Si441和FeSi75Al0.5-A两种产品时，控制好此工序成本，可带来巨大的经济效益。
本发明可将价格低廉的硅铁合金转变成工业硅产品，可以降低现有工业硅生产冶炼过程成本，提高铸锭效率和产品质量，大大降低了工业硅产品质量对原料的依赖性。
一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，具体步骤如下：
将硅铁合金熔体连续匀速加入到定向凝固连铸装置中，控制硅铁合金熔体的温度和流速、凝固速度以实现金属铁的偏析富集，得到铁含量梯级分布的硅锭产品，对硅锭产品进行取样检测，确定Fe含量梯级分布的节点，并对硅锭进行分级处理得到不同铁质量含量的各级工业硅产品，去除不合格的中间产品后所得的硅锭产品包括化学级工业硅、冶金级工业硅和硅铁合金。
所述硅铁合金熔体为90#硅铁合金和/或90#以上牌号的硅铁合金。
所述硅铁合金熔体的温度为1450-1750℃，硅铁合金熔体的流速为0.1kg/s-10kg/s，定向凝固速度为0.1cm/s-5cm/s。
以最终所获得的硅锭产品的总质量为100％计，化学级工业硅产品不低于40％、冶金级工业硅产品不低于50％、硅铁合金产品不高于10％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过采用电炉生产所得硅铁熔体作为原料，替代现有高纯硅石原料和碳质还原剂埋弧电炉碳热还原制备工业硅熔体得工序，同时针对出炉得硅铁熔体进行可控的连续熔体降温速率和可控的铸锭速率，控制硅铁熔体中杂质元素的偏析沉积，使其强化偏析富集到未结晶的尾部熔体中，从而降低先凝固的高硅产品中的杂质含量；
(2)本发明方法解决了高品质工业硅产品受原料纯度控制以及工业硅和硅铁冶炼利润空间小等难题，同时还实现了廉价硅铁原料制备高质量工业硅产品的产品增值目的。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：如图1所示，一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，具体步骤如下：
(1)将埋弧电炉冶炼所得的FeSi90Al3.0-A#硅铁合金熔体连续匀速加入凝固连铸装置中，根据定向凝固连铸装置的尺寸、熔体实时温度，调整定向凝固连铸装置的过冷度和定向凝固速度，进行硅铁熔体的连续铸锭即实现连续进料与连续出锭，促使硅铁合金熔体中分凝系数系数远小于1的Fe杂质不断偏析富集至定向凝固连铸装置的未结晶的熔体中，得到铁含量梯级分布的硅锭产品；其中待除铁硅铁合金熔体的温度为1750℃，硅铁合金熔体的流速为0.1kg/s，定向凝固速度为0.1cm/s；
(2)对步骤(1)硅锭产品进行取样检测，确定Fe含量梯级分布的节点，并对硅锭进行分级处理得到不同铁质量含量的各级工业硅产品和不符合质量等级鉴定的中间产品，不符合质量等级鉴定的中间产品返回至熔炼再进行连续铸锭处理；工业硅产品包括化学级工业硅、冶金级工业硅和硅铁合金；
本实施例埋弧电炉生产所得硅铁合金熔体除Fe前后产品质量见表1，
表1硅铁熔体连续铸锭前后结果对比，wt.％
以去除不合格的中间产品后所得的硅锭产品的总质量为100％计，化学级工业硅占44％、冶金级工业硅占53％、硅铁合金FeSi45占3％。
实施例2：如图1所示，一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，具体步骤如下：
(1)将埋弧电炉冶炼所得的FeSi90Al3.0-A#硅铁合金熔体连续匀速加入凝固连铸装置中，根据定向凝固连铸装置的尺寸、熔体实时温度，调整定向凝固连铸装置的过冷度和定向凝固速度，进行硅铁熔体的连续铸锭即实现连续进料与连续出锭，促使硅铁合金熔体中分凝系数系数远小于1的Fe杂质不断偏析富集至定向凝固连铸装置的未结晶的熔体中，得到铁含量梯级分布的硅锭产品；其中待除铁硅铁合金熔体的温度为1600℃，硅铁合金熔体的流速为5kg/s，定向凝固速度为2.5cm/s；
(2)对步骤(1)硅锭产品进行取样检测，确定Fe含量梯级分布的节点，并对硅锭进行分级处理得到不同铁质量含量的各级工业硅产品和不符合质量等级鉴定的中间产品，不符合质量等级鉴定的中间产品返回至熔炼再进行连续铸锭处理；工业硅产品包括化学级工业硅、冶金级工业硅和硅铁合金；
本实施例埋弧电炉生产所得硅铁合金熔体除Fe前后产品质量见表2，
表2硅铁熔体连续铸锭前后结果对比，wt.％
以去除不合格的中间产品后所得的硅锭产品的总质量为100％计，化学级工业硅占35％、冶金级工业硅占41％、硅铁合金FeSi45占52％，不符合质量等级鉴定的中间产品占7％。
实施例3：如图1所示，一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，具体步骤如下：
(1)将埋弧电炉冶炼所得的FeSi90Al3.0-A#硅铁合金熔体连续匀速加入凝固连铸装置中，根据定向凝固连铸装置的尺寸、熔体实时温度，调整定向凝固连铸装置的过冷度和定向凝固速度，进行硅铁熔体的连续铸锭即实现连续进料与连续出锭，促使硅铁合金熔体中分凝系数系数远小于1的Fe杂质不断偏析富集至定向凝固连铸装置的未结晶的熔体中，得到铁含量梯级分布的硅锭产品；其中待除铁硅铁合金熔体的温度为1450℃，硅铁合金熔体的流速为10kg/s，定向凝固速度为5cm/s；
(2)对步骤(1)硅锭产品进行取样检测，确定Fe含量梯级分布的节点，并对硅锭进行分级处理得到不同铁质量含量的各级工业硅产品和不符合质量等级鉴定的中间产品，不符合质量等级鉴定的中间产品返回至熔炼再进行连续铸锭处理；工业硅产品包括化学级工业硅、冶金级工业硅和硅铁合金；
本实施例埋弧电炉生产所得硅铁合金熔体除Fe前后产品质量见表3，
表3硅铁熔体连续铸锭前后结果对比，wt.％
以去除不合格的中间产品后所得的硅锭产品的总质量为100％计，化学级工业硅占40％、冶金级工业硅占50％、硅铁合金FeSi45占20％，不符合质量等级鉴定的中间产品占10％。
Claims (4)
1.一种利用硅铁合金制备工业硅的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将硅铁合金熔体连续匀速加入到定向凝固连铸装置中，控制硅铁合金熔体的温度和流速、凝固速度以实现金属铁的偏析富集，得到铁含量梯级分布的硅锭产品，对硅锭产品进行取样检测，确定Fe含量梯级分布的节点，并对硅锭进行分级处理得到不同铁质量含量的各级工业硅产品，工业硅产品包括化学级工业硅、冶金级工业硅和硅铁合金。
2.根据权利要求1所述利用硅铁合金制备工业硅的方法，其特征在于：硅铁合金熔体为90#硅铁合金和/或90#以上牌号的硅铁合金。
3.根据权利要求1所述利用硅铁合金制备工业硅的方法，其特征在于：硅铁合金熔体的温度为1450-1750℃，硅铁合金熔体的流速为0.1kg/s-10kg/s，定向凝固速度为0.1cm/s-5cm/s。
4.根据权利要求1所述利用硅铁合金制备工业硅的方法，其特征在于：以工业硅产品的总质量为100％计，化学级工业硅产品不低于40％、冶金级工业硅产品不低于50％、硅铁合金产品不高于10％。
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