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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein
Verfahren zur Herstellung von reinem metallischen Silicium,
welches z.B. für eine Solarzelle verwendet werden kann.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
effizienten und wirtschaftlichen Herstellung eines metallischen
Siliciums mit einer Reinheit von 99,999 % oder mehr.
Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmlicherweise wird metallisches Silicium oder
Ferrosilizium durch Reduktion mit Hilfe eines koks- und/oder
kohleverwendenden Lichtbogenofens zur Verfügung gestellt. Während
des Reduktionsverfahrens wird nicht nur metallisches
Silicium, sondern auch Verunreinigungsbestandteile wie Eisen,
Titan, Aluminium usw. reduziert. Aufgrund der Anwesenheit
solcher Verunreinigungsbestandteile, die mit dem
metallischen Silicium reduziert werden, ist die Reinheit des
herzustellenden metallischen Siliciums auf ungefähr 98 % bis 99 %
begrenzt.
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In den letzten Jahren gab es eine wachsende Forderung nach
metallischem Silicium mit im wesentlichen hoher Reinheit,
z.B. höher als 99,999 % oder mehr. Solch ein hochreines
metallisches Silicium besitzt eine Vielzahl von Anwendungen
z.B. Solarzellen. Um dieser Forderung nachzukommen, wurden
Verfahren entwickelt und vorgeschlagen. Solche
vorgeschlagenen Verfahren verwenden gereinigte natürliche Kieselerde als
Siliciumdioxidquelle. Diese gereinigte natürliche Kieselerde
ist im allgemeinen pulverisiert oder granuliert und weist
eine Korngröße von weniger als einige Millimeter auf. Um
diese gereinigte Kieselerde zu verwenden war daher ein
zusätzlicher Verfahrensschritt notwendig, um die Korngröße der
Kieselerde ausreichend zu erhöhen, da solch eine Kieselerde
mit geringer Korngröße nicht für dieses Reduktionsverfahren
verwendet werden konnte.
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Die japanische erste (ungeprüfte) Patentveröffentlichung
(Tokkai) Showa 57-111223 schlägt z.B. ein Verfahren zur
Reduktion der gereinigten natürlichen Kieselerde vor. Das in
der Tokkai Showa 57-111223 vorgeschlagene Verfahren setzt
einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines
Kieselerdeblockmaterials von 3 bis 12 mm im Durchmesser ein. Dies
erhöht deutlich die Unwirtschaftlichkeit des
Verfahrensschrittes bei der Herstellung des hochreinen Siliciums. Des
weiteren tendieren die Verunreinigungen während der Herstellung
des Kieselerdematerialblocks dazu, sich in dem Block
anzureichern und verringern somit die Reinheit des
Kieselerdematerials.
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Eine weitere Verbesserung wurde in der ersten japanischen
Patentveröffentlichung (Tokkai) Showa 58-69713
vorgeschlagen. In dem vorgeschlagenen Verfahren findet die Reaktion
zwischen der Kieselerde und dem Kohlenstoff in einem
Hochtemperaturplasmastrahl statt, welcher die resultierenden
Produkte auf eine Kohlenstoffschicht befördert. In diesem
vorgeschlagenen Verfahren wird als Ergebnis der Reaktion mit
der Kohlenstoffschicht eine große Menge an Siliciumkarbid
gebildet. Das gebildete Siliciumkarbid tendiert dazu, sich
in der Kohlenstoffschicht anzusammeln und füllt die
Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffkörnern aus, so daß eine
weitere Reaktion unterdrückt wird.
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Ein weiterer Vorschlag wurde in der ersten (ungeprüften)
europäischen Patentveröffentlichung Nr. 0208567 beschrieben.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung führen die
Produktion des hochreinen metallischen Siliciums dadurch
aus, daß ein Strom von Oxiden des Siliciums (z.B. in einem
Aerosol) einer Reaktionswärme unter der Anwesenheit einer
Mischung von Oxiden des Siliciums und einem Material der
Gruppe, umfassend Kohlenstoff und metallische Karbide
unterworfen
wird. Das durch diese Reaktion hergestellte
Siliciummonoxid wird von dem, die Reaktionskammer verlassenden
Abgas, gereinigt, wieder kondensiert und zurück in die
Reaktionskammer geführt. Dieses ältere vorgeschlagene Verfahren
erfordert das Reinigen des abgashaltigen Siliciummonoxid, um
in die Reaktionskammer zurückgeführt zu werden, zur
Erzielung einer ausreichend hohen Ausbeute.
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Das in der ersten europäischen Patentveröffentlichung Nr.
0208567 beschriebene Verfahren basiert darauf, daß
metallisches Silicium im allgemeinen durch die chemische Reaktion
produziert wird, welche während des Produktionsverfahrens
stattfindet:
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SiO&sub2; + 2C --> Si + 2CO ... (1)
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In der Praxis tritt während des Herstellungsverfahrens von
metallischem Silicium eine Kombination von Reaktionen auf.
Diese Reaktionen können wie folgt dargestellt werden:
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SiO&sub2; + C --> SiO + CO ... (2)
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SiO&sub2; + 3C --> SiC + 2CO ... (3)
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2SiO&sub2; + SiC --> 3SiO + CO ... (4)
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SiO&sub2; + Si --> 2SiO ... (5)
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SiO + 2C --> SiC + CO ... (6)
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SiO + C --> Si + CO ... (7)
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SiO + SiC --> 2 Si + CO ... (8)
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Wird eine pulverförmige Kieselerde in einen elektrischen
Ofen eingeführt, in welchem die zuvor genannte Kombination
von Reaktionen auftreten, wird ein großes Volumen an
Siliciummonoxid SiO durch die Reaktion gemäß Formel (2) erzeugt,
da die pulverförmige Kieselerde eine bessere
Reaktionsfähigkeit aufweist, als die der blockförmigen Kieselerde. Ein
Teil des Siliciummonoxids tendiert dazu, mit dem Abgas aus
dem Ofen weggeblasen zu werden.
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Daher beschreibt die vorgenannte erste europäische
Patentveröffentlichung Nr. 0208567 ein Verfahren umfassend das
Einführen von Kieselerde durch den unteren Bereich des
Ofens, um die Reaktionen gemäß Formel (2) und (4) um den
Lichtbogenbereich herum auszulösen, um Siliciummonoxid zu
erzeugen. Das so erzeugte Siliciummonoxid reagiert mit
Kohlenstoff oder Siliciumkarbid, welches durch den oberen
Bereich des Ofens eingefüllt wird, bei einer
Reaktionstemperatur von ungefähr 1800ºC oder mehr, um zur Erzeugung des
metallischen Siliciums und Siliciumkarbids die Reaktionen der
Formeln (6) und (8) auszulösen. Es wird anerkannt werden,
daß die Reaktionen der Formeln (2) und (4) Reaktionen zur
Herstellung von Siliciummonoxid und Kohlenstoffmonoxid sind
und daß die Reaktionen der Formeln (6) und (8) Reaktionen
zur Herstellung von Kohlenstoffmonoxid unter Verbrauch des
Siliciummonoxids sind. Bei der thermodynamischen Analyse
fand man heraus, daß das Verhältnis des Siliciummonoxids
gegenüber Kohlenstoffmonoxids bei der Reaktion gemäß der
Formeln (2) und (4) in einem Bereich von 1,67 bis 2,48 im
Gleichgewichtszustand vorhanden war, während das Verhältnis
der Reaktion gemäß der Formeln (6) und (8) in einem Bereich
von 0,45 bis 0,95 lag. Daher können bei dem Verfahren,
umfassend das Wiedereinführen des Siliciummonoxids, nur
ungefähr 20 bis 50 % des Siliciummonoxids für die Herstellung
des metallischen Siliciums verwendet werden. Es wurde des
weiteren festgestellt, daß die Verringerung des
Verhältnisses des Siliciummonoxids gegenüber Kohlenstoffmonoxid bei
den Reaktionen der Formeln (6) und (8) durch die Verdünnung
des gasförmigen Siliciummonoxids mit Kohlenstoffmonoxidgas
als Zwischenprodukt bewirkt wird.
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Aus der vorgehenden Diskussion wird deutlich, daß das in der
ersten europäischen Patentveröffentlichung Nr. 0208567
vorgeschlagene Verfahren bisher nicht befriedigend ist, von dem
Gesichtspunkt der Produktionsausbeute her.
Zusammenfassung der Erfindung
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
neuartiges und hocheffizientes Verfahren zur Herstellung
eines hochreinen metallischen Siliciums und eine Vorrichtung
für dieses zur Verfügung zu stellen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen,
welche im wesentlichen ein Kieselerdematerial mit geringer
Korngröße verwenden kann, ohne daß eine Einrichtung zur
Reinigung des in der Reaktionskammer gebildeten Abgases
erforderlich ist.
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Um die vorgenannte und andere Aufgaben zu lösen, setzt ein
Verfahren zur Produktion oder Herstellung eines hochreinen
metallischen Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung einen
Prozeß zur Erzeugung von Siliciummonoxid ein, dadurch das
eine Reaktion zwischen einem siliziumdioxidhaltigen Material
und geschmolzenem metallischen Silicium bewirkt wird. Das so
erzeugte Siliciummonoxid wird eingesaugt für die Reaktion
mittels eines Reduktionsmittels, umfassend ein
kohlenstoffhaltiges Material und ein siliziumhaltiges Material. Dieses
Verfahren ermöglicht eine hohe Produktionsausbeute und
Materialeffizienz und kann in einer einfachen und billigen
Einrichtung durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 1 definiert.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Um eine ausreichend hohe Reinheit des herzustellenden
metallischen Siliciums zu erzielen, wird vorzugsweise eine
gereinigte natürliche Kieselerde als das siliciumdioxidhaltige
Material verwendet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
die gereinigte natürliche Kieselerde als
siliziumdioxidhaltiges Material in der Form eines Pulvers, Granulats oder
Pellets von im wesentlichen geringer Korngröße zur Verfügung
gestellt.
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Das Reduktionsmittel besteht vorzugsweise aus einem ersten
kohlenstoffhaltigen Material und einem zweiten
siliciumhaltigen Material. In der Praxis umfaßt das kohlenstoffhaltige
Material Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges Material,
und das siliciumhaltige Material aus Siliciumkarbid und/oder
Siliciumdioxid.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden
detailierten Beschreibung und durch die begleitenden Zeichnungen
bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung klarer, welche
die Erfindung jedoch nicht auf die besonderen
Ausführungsformen begrenzen, sondern nur zur Erklärung und zum
Verständnis dienen.
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Es zeigt:
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Fig. 1 Eine Teilansicht einer Vorrichtung zur Durchführung
des bevorzugten Verfahrens zur Herstellung von
hochreinem metallischen Silicium, gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 (a) und 2 (b)
Illustrationen, welche die Art und Weise der
Einführung des Kieselerdematerials darstellen; und
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Fig. 3 Eine Teilansicht einer anderen Vorrichtung zur
Durchführung des bevorzugten erfindungsgemäßen
Produktionsverfahrens für hochreines Silicium.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Das bevorzugte Verfahren oder der Prozeß zur Herstellung
hochreinen metallischen Siliciums gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt einen Schritt des Einführens von
Kieselerdematerials in geschmolzenes metallisches Silicium, welches in
einem unteren Bereich eines Ofens angehäuft ist.
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Wenn das Kieselerdematerial in das geschmolzene metallische
Silicium eingeleitet wird, bildet sich Siliciummonoxid durch
die Reaktion gemäß der vorgenannten Formel (5). Wie aus der
Formel (5) deutlich wird, sollte kein Kohlenstoffmonoxid
während der Reaktion des geschmolzenen metallischen
Siliciums mit der Kieselerde hergestellt werden. Daher tritt die
Verdünnung des so erzeugten Siliciummonoxids mit
Kohlenstoffmonoxid nicht auf. Als Ergebnis können mehr als 50 %
des Siliciummonoxids für die Reaktion gemäß Formel (8)
verwendet werden. Daher kann die Effizienz der Verwendung von
Siliciummonoxids deutlich verbessert werden.
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Es sollte festgehalten werden, daß die Reaktion gemäß Formel
(5) in einem Reaktionstemperaturbereich von 1600ºC oder mehr
durchgeführt werden. Es ist insbesondere bevorzugt, die
Reaktionstemperatur in einem Bereich von 1850ºC oder mehr zu
halten, bei welchem der Dampfdruck des Siliciummonoxids 1
atm oder mehr beträgt. Liegt die Reaktionstemperatur jedoch
bei 2300ºC oder mehr, beträgt der Dampfdruck des Siliciums
10&supmin;² atm oder mehr, so daß der Verdampfungsverlust von
Silicium erhöht wird. Daher sollte die obere Grenze der
Reaktionstemperatur auf ungefähr 2300ºC festgelegt werden.
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Das erzeugte Siliciummonoxid wird durch die Reaktionen gemäß
der Formel (7) und (8) zum metallischen Silicium reduziert.
Die Reaktionen können in einem Reaktionstemperaturbereich
von 1600ºC oder mehr stabil durchgeführt werden. Daher wird
die Ofenwand und die Beschickung zur Durchführung der
Reaktionen auf ungefähr den oben genannten
Reaktionstemperaturbereich
erwärmt. Eine externe Heizvorrichtung, wie eine
hochfrequente Induktionsheizvorrichtung, kann zur Erwärmung
der Ofenwand und der Beschickung verwendet werden. Es wird
bevorzugt die Reaktionstemperatur auf 2000ºC oder mehr zu
halten, bei welcher das Partialdruckverhältnis
Siliciummonoxid gegenüber Kohlenstoffmonoxid 1,0 oder weniger in dem
Gleichgewichtszustand beträgt. Liegt die Temperatur jedoch
bei 2400ºC oder mehr, beträgt der Dampfdruck des
Siliciumkarbids 10&supmin;³ atm oder mehr, und bewirkt die Verfestigung des
verdampften Siliciumkarbids in den Bereichen niedrigerer
Temperatur um den oberen Bereich des Ofens herum. Dies
verringert die Gasdurchlässigkeit des Ofens. Daher wird
bevorzugt die obere Grenze der Temperatur auf 2400ºC zur
Erwärmung der Ofenwand und der Beschickung festzulegen.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird das bevorzugte
Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung hochreinen
metallischen Siliciums gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail
beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu
vereinfachen. Die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur
Herstellung hochreinen metallischen Siliciums ist in Fig. 1
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Art von Hochofen 1, welcher als ein Körper
der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur
Herstellung von metallischen Silicium dient, unter Durchführung des
bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens. Der innere Raum
des Hochofens ist im wesentlichen in einen Siliciummonoxid
erzeugenden Bereich A, einen mit Reduktionsmittel
angefüllten Bereich B und einen geschmolzenes metallisches Karbid
anhäufenden Bereich C unterteilt.
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Der Siliciummonoxid erzeugende Bereich A umfaßt eine
Einspritzdüse 3 zum Einleiten eines gereinigten
Kieselerdematerials. Das durch die Einspritzdüse 3 einzuleitende
Kieselerdematerial wird auf einer Temperatur in einem Bereich von
1600 bis 2300ºC gehalten. Die Einspritzdüse 3 ist auf einen
geschmolzenes metallisches Silicium sammelnden Schmelzraum
12 in dem Siliciummonoxid erzeugenden Bereich A gerichtet.
In dem Schmelzraum 12 wird geschmolzenes metallisches
Silicium gesammelt. Daher wird, wie oben ausgeführt,
Kieselerdematerial in das geschmolzene metallische Silicium
eingeleitet, um die Reaktion gemäß der Formel (5) auszulösen, um
Siliciummonoxid zu erzeugen.
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Die Einleitung des Kieselerdematerials in das geschmolzene
metallische Silicium in dem Schmelzraum 12 ist nicht auf die
in Fig. 1 dargestellte Art begrenzt oder spezifiziert. Es
ist z.B. möglich, das Kieselerdematerial durch den unteren
Bereich des Schmelzraumes 12 einzuleiten, wie in Fig. 2 (b)
dargestellt. Auf der anderen Seite kann das
Kieselerdematerial, ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt, von der oberen
Seite des Schmelzraumes 12 eingeleitet werden, wie in Fig. 2
(a) gezeigt. Die Beispiele gemäß Fig. 2 (a) und 2 (b),
welche verschiedene Arten der Einführung des
Kieselerdematerials zeigen, sollten als bloße Beispiele erkannt werden. Das
Kieselerdematerial kann auch auf andere Arten als in den
dargestellten Beispielen in das geschmolzene metallische
Silicium eingeleitet werden.
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Um die Reaktion der Formel (5) stabil durchzuführen, ist es
notwendig, das geschmolzene metallische Silicium in dem
Schmelzraum 12 auf einen Temperaturbereich von 1600 bis
2300ºC zu erwärmen. Daher ist, in der dargestellten
Ausführungsform, eine Lichtbogenelektrode 2 in dem Siliciummonoxid
erzeugenden Bereich A vorgesehen. Ein Lichtbogenstrom wird
an die Lichtbogenelektrode 2 zur Bildung eines Lichtbogens
angelegt. Das Lichtbogenende der Lichtbogenelektrode 2 ist
in der Nähe der oberen Fläche des geschmolzenen metallischen
Siliciums in dem Schmelzraum 12 angeordnet, so daß ein
Lichtbogenbereich 9 in der Nähe der Oberfläche des
geschmolzenen metallischen Silicium aufgebaut wird, um das letztere
effektiv zu erwärmen.
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Obwohl die Lichtbogenerwärmungsvorrichtung zur Erwärmung des
geschmolzenen metallischen Siliciums in dem Schmelzraum 12
bei der dargestellten Ausführungsform eingesetzt wird, ist
es möglich, andere Erwärmungsvorrichtungen einzusetzen, wie
Plasmaerwärmungsvorrichtungen, Widerstandsheizvorrichtungen,
hochfrequente Induktionsheizvorrichtungen usw.
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Der mit einem Reduktionsmittel angefüllte Bereich B ist mit
einer reduktionsmittelhaltigen Beschickung 7 angefüllt. Die
Beschickung 7 enthält ein Reduktionsmittel und ein
siliciumhaltiges Material. Als Reduktionsmittel wird Kohlenstoff,
kohlenstoffhaltiges Material oder eine Kombination dieser
verwendet. Auf der anderen Seite wird als siliciumhaltiges
Material Siliciumkarbid, Siliciumdioxid oder eine
Kombination dieser verwendet. Der mit Reduktionsmittel angefüllte
Bereich B ist mit einer hochfrequenten Induktionsheizspule 4
versehen. Die hochfrequente Induktionsheizspule 4 dient als
eine äußere Heizvorrichtung und ist daher um den äußeren
Umfang der Ofenwand herumgewickelt. Die hochfrequente
Induktionsheizspule 4 ist zur Erwärmung der Ofenwand, des
Innenraums, d.h. des mit Reduktionsmittel angefüllten Bereichs B
und der Beschickung in dem Bereich B in dem
Temperaturbereich von 1600 bis 2400ºC ausgelegt.
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Dieser mit Reduktionsmittel angefüllte Bereich B steht mit
dem Siliciummonoxid erzeugenden Bereich A über einen
Verbindungsdurchgang 14 in Verbindung. Das in dem Siliciummonoxid
erzeugenden Bereich A erzeugte Siliciummonoxid wird über den
Verbindungsdurchgang 14 in dem mit Reduktionsmittel
angefüllten Bereich B befördert. Das in den mit Reduktionsmittel
angefüllten Bereich B eingefüllte Siliciummonoxid tritt in
Kontakt mit der Beschickung, d.h. mit dem Reduktionsmittel
und mit dem siliciumhaltigen Material, um die Reaktionen der
Formeln (7) und (8) zur Herstellung von metallischen
Silicium und Siliciumkarbid zu bewirken.
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Während der Beförderung des Siliciummonoxids aus dem
Siliciummonoxid erzeugenden Bereich A in den mit Reduktionsmittel
angefüllten Bereich B tritt eine Verfestigung des
Siliciummonoxids auf, wenn das Siliciummonoxid in dem
Verbindungsdurchgang 14 abgekühlt wird. Um dies zu vermeiden, ist es
erforderlich, das Siliciummonoxid in dem
Verbindungsdurchgang 14 ausreichend zu erwärmen. Vorzugsweise wird das
Siliciummonoxid in dem Verbindungsdurchgang und in dem mit
Reduktionsmittel angefüllten Bereich B auf einer Temperatur
von 1700ºC oder mehr gehalten. Zur Erwärmung des
Siliciummonoxids in dem Verbindungsdurchgang 14 ist eine Heizspule
15 vorgesehen. Die Heizspule 15 ist um den äußeren Umfang
des Verbindungsdurchganges herumgewunden, um die Wärme zur
Beibehaltung der Temperatur des den Verbindungsdurchgang 14
durchlaufenden Siliciummonoxids zu liefern. Die Heizspule 15
wird so gesteuert, daß die Temperatur des Siliciummonoxids
in dem Verbindungsdurchgang 14 auf der gewünschten
Temperatur gehalten wird, d.h. bei 1700ºC oder mehr.
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Das in dem mit Reduktionsmittel angefüllten Bereich B
erzeugte metallische Silicium tropft in den geschmolzenes
metallisches Silicium sammelnden Bereich C in einen
Schmelzraum 10 des Ofens.
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Der Schmelzraum 10 dient als der geschmolzenes metallisches
Silicium sammelnde Bereich C und steht mit dem Schmelzraum
12 über einen Verbindungsdurchgang 13 in Verbindung. Der
Schmelzraum 10 wird mittels einer Heizspule 16 erwärmt.
Gleichermaßen ist eine Heizspule 17 zur Erwärmung des
Verbindungsdurchganges 13 vorgesehen.
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Bei dieser Konstruktion wird ein Teil des geschmolzenen
metallischen Siliciums, welches in dem geschmolzenes
metallisches Silicium sammelnden Bereiches C gesammelt ist, in den
Siliciummonoxid erzeugenden Bereich A befördert und zur
Erzeugung von Siliciummonoxid verwendet. Auf der anderen Seite
wird geschmolzenes metallisches Silicium als ein Erzeugnis
des Schmelzraumes 10 durch einen Gießtrichteransatz 5 nach
außen geleitet.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Silicium.
In dieser Ausführungsform ist der Siliciummonoxid erzeugende
Bereich A und der geschmolzenes metallisches Silicium
anhäufende Bereich C der vorhergehenden Ausführungsform als ein
gemeinsamer Bereich in dem Ofen ausgebildet.
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Der Hochofen 20 gemäß der Ausführungsform aus Fig. 3 weist
einen Schmelzraum 21 in dem unteren Bereich auf. Der
Schmelzraum 21 sammelt geschmolzenes metallisches Silicium.
Ein Lichtbogenelektrodenpaar 22 ist oberhalb des in dem
Schmelzraum 21 angesammelten geschmolzenen metallischen
Silicium vorgesehen. Die Lichtbogenelektroden 22 sind durch
eine Seitenwand 23 des Ofenkörpers eingeführt und erstrecken
sich horizontal. Die Lichtbogenelektroden 22 weisen
Lichtbogenenden auf, die unmittelbar oberhalb des geschmolzenen
metallischen Siliciums Lichtbogenbereiche 24 bilden. Die
Lichtbogenelektroden 22 erwärmen das geschmolzene
metallische Silicium auf eine Temperatur im Bereich von 1600 bis
2300ºC.
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In der Nähe der Lichtbogenelektroden 22 ist eine
Kieselerdematerialeinspritzdüse 25 vorgesehen, um pulverförmiges
Kieselerdematerial einzuleiten. Die Einspritzdüse 25 ist in dem
Innenraum des Ofens durch die Seitenwand 23 des Ofenkörpers
eingeführt. Die Kieselerdeeinspritzdüse 25 erstreckt sich
schräg zu der Achse der Lichtbogenelektroden 22 und das Ende
ist auf die Oberfläche des geschmolzenen metallischen
Siliciums in dem Schmelzraum 21 gerichtet. Die
Kieselerdeeinspritzdüse 25 leitet Kieselerdematerial in pulverförmigem
Zustand, granuliertem Zustand oder als Pellets usw. in das
geschmolzene metallische Silicium ein. Durch das Einleiten
des Kieselerdematerials wird Siliciummonoxid aufgrund der
Reaktion gemäß Formel (5) erzeugt.
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Oberhalb des Schmelzraumes 21 ist ein mit Reaktionsmittel
angefüllter Bereich 26 in dem Ofen ausgebildet. Der mit
Reaktionsmittel angefüllte Bereich 26 ist mit einer
reaktionsmittelhaltigen Beschickung angefüllt, umfassend das
Reduktionsmittel, z.B. Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges
Material. Die Beschickung in dem mit Reaktionsmittel
angefüllten Bereich 26 wird auf einer Temperatur im Bereich von 1600
bis 2400ºC mittels einer hochfrequenten Induktionsheizspule
27 beibehalten.
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In dem mit Reduktionsmittel angefüllten Bereich 26 tritt das
durch die Reaktion des eingeleiteten Kieselerdematerials mit
dem des geschmolzenen metallischen Siliciums in dem
Schmelzraum erzeugte Siliciummonoxid in Kontakt mit der
Beschickung. Als Ergebnis werden die Reaktionen der Formeln
(7) und (8) ausgelöst, um metallisches Silicium und
Siliciumkarbid zu bilden. Das erzeugte metallische Silicium tropft
in den Schmelzraum 21, um dort gesammelt zu werden.
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Das so in dem Schmelzraum 21 gesammelte metallische Silicium
wird durch einen Gleichtrichteransatz 28 aus dem Ofen
geleitet.
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Es wird deutlich, daß es bei den beiden obigen
Ausführungsformen nicht notwendig ist, eine Vorbehandlung des
Kieselerdematerials durchzuführen, welches in der Form eines
Pulvers, Granulats oder als Pellets mit geringer Korngröße
vorgesehen ist, um eine blockförmige Kieselerde mit
ausreichender Korngröße zu bilden und daher kann pulverförmiges,
granuliertes oder pelletiertes Kieselerdematerial verwendet
werden. Des weiteren erfordert die Vorrichtung der gezeigten
Ausführungsformen keine Rezirkulation von Siliciummonoxid
zur Erzielung einer hoher Ausbeute.
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Die Wirkung der Vorrichtung aus Fig. 1 wurde durch
Experimente nachgewiesen, unter Verwendung eines kleinen
Lichtbogenofens
(100 kW). Die bei dem herkömmlichen Verfahren und
den erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Ergebnisse der
Experimente sind in der angefügten Tabelle dargestellt. Aus
der Tabelle wird deutlich, daß das erfindungsgemäße
Verfahren im wesentlichen die gleiche Ausbeute erzielt, wie die
bei dem herkömmlichen Verfahren erzielte, bei welchem
Siliciummonoxid rezirkuliert wird. Auf der anderen Seite wird
aus der Tabelle deutlich, daß die Produktionseffizienz für
metallisches Silicium gegenüber verbrauchter elektrischer
Energie auf eine Größenordnung von 16 kW/kg-Si bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren reduziert werden kann.
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Es sollte festgehalten werden, daß das in dem bevorzugten
Verfahren eingesetzte Reduktionsmittel aus Kohlenstoff
und/oder kohlenstoffhaltiges Material und Siliciumkarbid
und/oder Siliciumdioxid besteht. In dem Fall, daß das
Reduktionsmittel hochrein ist und in einem pulverförmigen Zustand
vorgesehen ist, wird bevorzugt eine Behandlung zur Bildung
von Blöcken mit relativ großer Korngröße durchzuführen,
unter Verwendung von Bindemitteln wie Zucker, Phenolharz,
Stärke usw.. Blöcke aus Reduktionsmitteln mit großer
Korngröße können ausreichende Gasdurchlässigkeit des mit
Reduktionsmittel angefüllten Bereiches in dem Ofen sicherstellen.
Tabelle
Herkömmlich
Erfindung
Staub zurückgewonnen
Staub nicht zurückgewonnen
Menge an eingeleitetem SiO (kg/Stunde)
Ausbeute an zurückgewonnenem Si (%)
Verbrauch an elektrischer Energie (kW/kg-Si)