CS225844B2 - The production of semi-products used for the production of the silicon and/or of the silicon xarbide - Google Patents

Description

Vyrólez.se týká způsobu výroby polotovaru, obsahujícího kysličník křemičitý e uhlík, pro výrobu křemíku e/nebo karbidu křemíku. Rozumí se samo sebou, že výchozí látkou při t<m může být křemenný písek nebo křemenná moučka'. V následujícím se z terminologického hlediska používá pouze výraz křemenný písek. Spektrum zrnitosti použitého křemenného písku mé být pokud možno úzké, ačkoliv se může pracovat také s různou zrnitostí.

Pod pojmem křemík se rozumí elemeetární křemík o vysoké čistotě. Používá se pro nejrůznější účely, například pro výrobu ferosilicia a kalciumsilicidu. čistý křemík se ale « také používá obzvláště v polovodičové technice.

Karbid křemíku sestává z křemíku a uhlíku a mé chemický vzorec SiC. Je odolný vůči většině chemických vlivů a má vedle borkarbidu boru a diamantů nejvyšší tvrdost. Karbid křemíku se dále zpracovává v průmyslu brousicích prostředků na brusní prášky, brusné pasty, brusné kotouče a podobně. Brusné prostředky se dají stejnou měrou pouuít jek pro broušení tvrdých látek, jakými jsou slinuté kovy a ocelolitLta, tak také pro broušení tažných materiálů, jako je hliník, mosaz a měň. Dá se s nimi ale také zpracovávat guma, kůže a dřevo.

Vzhledem ke své výborné tepelné vodivooti a chemické odolnooti při vysokých teplotách je karbid křemíku vhodným materiálem pro výrobu žáruvzdorných vybavení průmyslových pecí, u kterých ee musí brát zřetel na obzváštní požadavky, jako je rychlý odvod reakčního tepla, dobrá vyhřívátelnost zvenku, eventuálně spojené s velikou odolnooti proti opotřebení a s korozívní stálostí. V průmyslu zinku se pouužvvjí například mtuie z karbidu křemíku.

Vzhledem k dobré elektrické vodivosti a stálosti vůči kyslíku při zvýšených teplotách je možno karbidu křemíku pouUít v komtrtneci s vhodnými pojivý k výrobě topných článků elektrických odporových pecí, které snesou dlouhodobé tepelné namáhání při teplotách aí 1 500 °C. Takovéto topné články je možno·použít také pro infračervené pece. V silnoproudé a sleboproudé elektrotechnice se pouuívají články z karbidu křemíku pro omezování napětí, nebojí elektrický odpor závislý na naptí. Zde se také používá pro výrobu vysokooeplotních tranzistorů a vy sokooe plotních' diod speciálně vyrobený, obzvláště čistý a dotovaný karbid křemíku.

Vedle poUH, při kterých se vyšívají vlastnosti krystalického karbidu křemíku, dá se také získávat·karbid křemíku ve formě vláken nebo jako pěna. V.ákna se dají déle zpracovávat v kombinaci s'jitými meaeriály ne žáruvzdorné tkaniny, pěna se zpracovává ne tepelně odolné a vůči korozi stálé izolační maateiály. *

Přes tento značný technický význam karbidu křemíku, nevykazuje v posledních desetiletich technologie výroby tohoto produktu žádný podstatný pokrok. Provádí se od doby Achesona (1891) zahříváním převážně · kysličníku křemičitého ve formě křemenného písku s koksovým prachem. Výroba je nákladná a tím je drahý i karbid křemíku a produkty z něho vyrobené.

Pro technický proces výroby karbidu křemíku se pouuívvjí následující suroviny:

kysličník křemičitý vé formě křemenného písku nebo jemně rozemletého křemene o pokud možno vysoké čistotě;

uhlík ve formě hutnického koksu, smolného koksu, ropného koksu nebo antracitu; chlorid sodný;

dřevné

Kysličník křemičitý a uhlík se pouuívvjí v přibližně stech!ometrickém poměru, přičemž je íádaný · nepatrný přebytek uhlíku. Dřevěná moučka se přidává z toho důvodu, aby se dosáhlo nakypření reakční směs. Chlorid sodný sloučí k tomu, aby se mohly jako chloridy odpařením oddtrannt sloučeniny hliníku a íeleza, přítomné mnohdy ve výchozích surovinách, které zabraňj tvorbě krystalů a způsobují také katalytický rozklad vytvořeného karbidu křemíku.

Technická výroba karbidu křemíku se · provádí vzhledem k vysokým reekčním teplotám (2 000 °C) všeobecně v elektrických odporových pecích.· Průběh· reakce a vý^,ttíek závisí v podstatě ne homogenním promísení surovin a ne přesné zrnitosti jednak křemenného·písku a jednak koksového prachu.

Neapoti· tomu řeší předloíený vynález úkol, připravit polotovar, ze kterého je možno vyrobit křemík a/nebo karbid křemíku bez toho, íe by byla zapotřebí směs křemenného písku a koksového prachu.

Výše uváděné nedostatky tedy řeší způsob podle vynálezu jehoí podstata spočívá v tom, íe se ze zrn křemenného· písku připraví a udríuje fluidní loíe ze pomoci vodní páry a ·plynů, jehoí teplota leíí v rozmezí 500 aí 700 °C, do flirt dní ho loíe se zaváděj při teplotě vyšší neí 250 °C horké kapalné uhlovodíky a do flirtdního loíe se stéle zaváděj čerstvé zrna křemenného písku nebo také křemenný písek jií o vrstvený uhlíkem o teplotě v rozmezí 600 aí 800 °C, na nichí se uhlovodíky krakijí tak, íe vzniká vrstva olejového koksu, nebo se jií příoomná vrstva zeeUí, a sice aí do té míry, aí mnooítví uhlíku ve vrstvě olejového koksu odpovídá alespoň stechiometrokkému poměru pro reakci zapouzdřených zrn křemenného písku na křemík· a/nebo karbid křemíku, tím se zrna stanou ^íšími, klesají dolů a z fluidního loíe se odtohuuí.

Podle vynálezu se tedy provádí nekrakování uhlovodíku na zrna křemenného písku ve fluidním loíi při vhodné teplotě, takíe vzniknou zrna křemenného písku zapouzdřená v uhlíku. Převáné potřeba energie pro krakovec í proces se může odebbret jako v^třní teplo zrn kře3 měrného písku a již uhlíkem potečených zrn křemenného písku, které se zahřívají ne potřebnou teplotu parciálním hořením uhlovodíků ve zvláštním předehříveči nebo tepelnou výměnou s horkými spalinami. Teplota fluidního lože se kromě toho může udržovat parciálním spalováním uhlovodíků. «

Způsoby s vířivými vrstvami pro koksování uhlovodíků jsou v zásadě známé, přičemž již bylo také pracováno s pevnými nosiči tepla ve formě písku. Přioom se však na těchto nosičích teple netvořily , žádné vrstvy koksu a neodtehoval se odpovídající produkt.

Když se pracuje způsobem podle předloženého vynálezu, tek závvsí mnoožtví olejového koksu, který se usadí ne jednotných zrnech křemenného písku, jednak na termodynamických podmínkách a kromě toho na statické době zdržení zrn křemenného písku ve vířvvém loži. Při provádění způsobu podle předloženého vynálezu bylo zjištěno, že popsaným postupem je možno na zrna křemenného písku olbnt stechiomeerické množní nebo in^oživí přelaračnící stechiomeerické olejového koksu, podle toho, jek je to potřebné pro další zpracování p^i pra rvaného polotovaru.

Způsob podle předloženého vynálezu je možno provádět všeobecně kontinuálně, a sice tak, že produkt již potažený uhlíkem, který je po dosažení tepelné rovnováhy obsažen v přebytku, se po odloučení z fludcního lože před dosažením předehřívače odtahuje. Je účelné zavádět do předehřívače čerstvá ' zrna křemenného písku, zde je smísit s horkým meaeriálem a společně 8 tímto zahřát na teplotu maximálně 800 °C. V rámci předloženého vynálezuje recyklování již olejoým koksem zapouzdřenéhokřemenného písku, aby se tím ovlivnilo munožlví usazenin olejového {oorfesu. na jednotných zrnech křemenného písku. Rozumí se samo sebou, že z horní části fluidního lože odtahují plynné a kondenzovvtelné uhlovodíky.

- V rámci předloženého vynálezu se pro tvorbu olejového koksu na zrnech křemenného písku mohou použít nejrůznějěí uhlovodíky. Podle výhodné formy provedení se jeko výchozí, látky po^ívn^ těžké ropné frakce, kamenouhelné dehty a smoly.

Výhody předloženého vynálezu spoČívní v tom, že se při způsobu podle vynálezu získá polotovar, který se může bez delšího použít pro ýrobu křemíku a/nebo karbidu křemíku, a sice tam, kde dosud byle potřebná nákladná směs křemenného -písku a koksového prachu. Výsledkem postupu je zjednodušení výroby křemíku a/nebo karbidu ' křemíku použitím. polotovaru získaného daným postupem. Když se ponuří čisté ýchozí látky, deaí se z polotovaru získaného způsobem podle předloženého vynálezu vyrobbt velmi čisté konečné produkty -křemík a karbid křemíku.

Pro výrobu křemíku se používá rovněž polotovar ve formě ^πbl□?opoeet, který se zavádí do elektrické pece, která má například běžně tři elektrody. V této elektrické pscl potom reaguje kysličník křemičitý s uhlíkem podle následnicí .rovnice

SiO₂+2C=Si+2CO ne křemík.V peci s elektrodami se nemůže vést reakce na karbid křemíku, nebol karbid křemíku je pevná látka, které se nepéká na elektrody a bez speciálních opatření se z pece nedá vyjmcrnt. Reakce kysličníku křemičitého s uhlíkem probíhá podle následnici rovnice

SiO₂+3C=SiC+2CO

Tato reakce se všeobecně provádí ne horizontální nístěji, ne které je obsažena nasypávka reakčních složek, v popis ováném případě tedy mitaroppeet. Do nanesené vrstvy se zavádí elektrická energie, přičemž probíhá ýše popsané reakce. Samozřejmě je potřebné, aby byla vrstva zakryta uhlíkem, který zamezí přístupu vzdušného kyslíku. Obdobným způsobem je možno pracovat ve vakuu. Při tomto způsobu vzniká převážně krystalický karbid křemíku ve formě tyčí nebo provazců.

V následujícím je způsob podle předloženého vynálezu blíže objasněn příkladem provedení s odkazy na obrázek, který znázorňuje příslušné zařízení к provádění tohoto způsobu.

Příklad

D_o reaktoru 1 se nejprve vhání zrna křemenného písku 2 při teplotě v rozmezí 600 až 800 °C. Za pomoci vodní péry J a plynů Д se z tohoto písku vytvoří a udržuje fluidní lože T jehož teplota leží v rozmezí 500 až 700 °C. Do tohoto fluidního lože i se vstřikují při teplotě přes 250 °C horké kapalné uhlovodíky 6. Tyto uhlovodíky 6 se přitom ne zrnech křemenného písku krakují a tvoří se vrstva olejového koksu, a sice ve stechiometrickém množství nebo ve výše než stechiometrickém množství. Takto vytvořené těžší částice klesají směrem dolů a na dolním konci 2 reaktoru 1 se odtahují. Převážné množství potřebné energie pro krekovací proces se přitom odebírá z vlastního tepla zm křemenného písku. Před zavedením do reaktoru se tyto vedou před předehříveč 8. К tomu se do předehřívače 8 přivádí část produktů z reaktoru 1 a v tomto probíhá částečné spalování uhlíku na zrnech křemenného písku 2. Zahřívání zrn křemenného písku se může provádět také pomocí horkých spalin. Do předehřívače 8 se dále vedou čerstvé zrna křemenného písku 2. Uhlíkem potažený produkt se po odloučení z fluidního lože 2 alespoň částečně odtahuje před dosažením předehřívače 8. Vedením i se odtahují nad fluidním ložem 2 plynné a kondenzovetelné uhlovodíky· Jako uhlovodíly 6 se používají těžké ropné frakce, katnenouhelný dehet nebo popřípadě kamenouhelná smola, jako plyny pro vytvoření a udržování fluidního lože se vedle vodní páry používá dusík, jakož i ve vztahu к uvedená reakci neutrální a/nebo zřeegováné plyny.

Claims (6)

1. Způsob výroby polotovaru pro výrobu křemíku a/nebo karbidu křemíku, obsahujícího kysličník křemičitý a uhlovodík, vyznačený tím, že se ze zrn křemenného písku připraví a udržuje fluidní lože za pomoci vodní péry a plynů, jehož teplota leží v rozmezí 500 až 700 °C, do tohoto fluidního lože se zavádějí horké kapalné uhlovodíky o teplotě vyěší než 250 °C a do fluidního lože se dále stále zavádějí čerstvá, popř. již uhlíkem potažená zrna křemenného písku o teplotě v rozmezí 600 až 800 °C, na nichž se uhlovodíky krakují ke vzniku vrstvy olejového koksu nebo к zesílení již přítomné vrstvy, obsahující potom množství olejového koksu odpovídající alespoň stechiometrickému množství uhlíku potřebnému pro reakci zapouzdřených zrn křemenného písku ne křemík a/nebo karbid křemíku, načež se ztěžklé částice klesající z fluidního lože dolů, odtahují.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že se převážné množství energie potřebné pro krakovací proces získává z vlastního tepla zrn křemenného písku a již uhlíkem potažených zrn křemenného písku, která se na potřebnou teplotu zahřejí parciálním spalováním uhlíku ve zvláštním předehřívači nebo tepelnou výměnou s horkými spalinami.

3. Způsob podle bodů 1 a 2, vyznačený tím, že se produkt již potažený uhlíkem, který je po dosažení tepelné rovnováhy přítomný v přebytku, po oddělení z fluidního lože odtahuje jeětě před dosažením předehřívače.

4. Způsob podle bodů 1 3, vyznačený tím, že se čerstvá zrna křemenného písku zavá- dějí do předehřívače, kde se mísí s horkým materiálem odtaženým z fluidního lože a společně s tímto materiálem se zahřejí ne teplotu maximálně 800 ^C.

5. Způsob podle bodů 1 až 4, vyznačený tím, že se z prostoru nad fluidním ložem odvádějí plynné a kondenzovetelné uhlovodíky.

5.

6. Způsob podle bodů 1 ež 5, vyznačený tím, že se jako uhlovodíky používají těžké ropné frakce, kaoenouhelný dehet a kemenouhelné smoly.