DE102016104979A1 - Process for melting and cleaning metals, in particular metal waste - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metall- und Halbmetallpartikeln (1) mittels Mikrowellen und Aufreinigung mit einem Filtermedium (2), das vorzugsweise Mikrowellen absorbieren kann.The present invention relates to a method and an apparatus for melting metal and metalloid particles (1) by means of microwaves and purification with a filter medium (2), which can preferably absorb microwaves.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen und gleichzeitigen Aufreinigen von Metallpartikeln, wie sie häufig als Metallabfälle anfallen. The present invention relates to a method for melting and simultaneous cleaning of metal particles, as often incurred as metal waste.
Metallpartikel wie Metallstäube, Granulate und Brüche fallen als Abfälle bei industriellen Verfahren an. Üblicherweise werden diese partikelförmigen Metallabfälle entweder als Zuschlagstoff für zum Beispiel Legierungen oder Feuerfestmaterialien verwendet oder eingeschmolzen und gegebenenfalls aufgereinigt. Metal particles such as metal dusts, granules and fractions are recovered as waste in industrial processes. Typically, these particulate metal wastes are either used as an aggregate for, for example, alloys or refractory materials or melted down and optionally purified.
Beispielsweise beträgt der Verschnitt von Solarsilizium, der beim Schneiden von Wafern entsteht, ca. 40 % der eingesetzten Siliziummenge. Bis heute wird jedoch das dabei anfallende Siliziumpulver nicht zurückgewonnen. So lässt sich pulverförmiges Siliziumpulver mit konventionellen Methoden nicht wirtschaftlich schmelzen.For example, the blending of solar grade silicon that results when cutting wafers is about 40% of the amount of silicon used. To date, however, the resulting silicon powder is not recovered. For example, powdered silicon powder can not be economically melted using conventional methods.
Es ist bekannt, feste Verunreinigungen in Metallschmelzen durch Filtration zu beseitigen. Als Filtermedien werden üblicherweise sogenannte offenporige Schaumkeramiken eingesetzt, die die Feststoffe entweder zurückhalten oder die in der Schmelze enthaltenen Verunreinigungen an der Oberfläche binden. It is known to remove solid impurities in molten metal by filtration. As filter media so-called open-cell foam ceramics are usually used, which either retain the solids or bind the impurities contained in the melt on the surface.
Geeignete Keramikfilter und Verfahren zu deren Herstellung sind beispielsweise in den US-Patenten
Das Schmelzen von Metallen wird üblicherweise in Lichtbogenöfen, Widerstandsöfen oder Induktionsöfen durchgeführt, deren Energiebedarf sehr hoch ist. The melting of metals is usually carried out in electric arc furnaces, resistance furnaces or induction furnaces whose energy requirement is very high.
Eine alternative Beheizungsart, die energiegünstiger ist, als die vorstehend beschriebenen Verfahren wird in
Allerdings ist bekannt, dass metallische oder halbmetallische Materialien nicht mit Mikrowellen erwärmt und aufgeschmolzen werden können. Der Grund dafür ist, dass feste metallische oder halbmetallische Materialien Mikrowellen im Allgemeinen sehr stark reflektieren und diese kaum absorbieren. So beträgt die Eindringtiefe der Mikrowellen in diese Materialien lediglich wenige Mikrometer, wobei sich allenfalls die Oberflächen leicht erwärmen können.However, it is known that metallic or semi-metallic materials can not be heated and melted with microwaves. The reason for this is that solid metallic or semi-metallic materials generally reflect and hardly absorb microwaves. Thus, the penetration depth of the microwaves into these materials is only a few micrometers, whereby at most the surfaces can easily be heated.
Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen kostengünstig und effektiv Metalle, einschließlich Halbmetalle, insbesondere Metallabfälle, geschmolzen und aufgereinigt werden können. It was an object of the present invention to provide a method and an apparatus with which inexpensive and effective metals, including semi-metals, in particular metal waste, can be melted and purified.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass partikelförmige metallische oder halbmetallische Materialien mit Mikrowellen durchaus auf sehr hohe Temperaturen erwärmt und geschmolzen werden können. Der Grund wird in der vorstehend erwähnten Erwärmung der Oberfläche vermutet, die bei partikelförmigen Materialien einen viel größeren prozentualen Anteil besitzt als bei kompakten Feststoffen der gleichen Masse. Dadurch ist die effektive Eindringtiefe der Mikrowellen gegenüber einem kompakten Feststoff deutlich erhöht. The present invention is based on the finding that particulate metallic or semi-metallic materials with microwaves can be heated to very high temperatures and melted. The reason is presumed in the above-mentioned heating of the surface, which has a much larger percentage of particulate matter than compact masses of the same mass. As a result, the effective penetration depth of the microwaves compared to a compact solid is significantly increased.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Aufschmelzen von partikelförmigen Metallen und Halbmetallen durch Bestrahlung mit Mikrowellen und Aufreinigung der erhaltenen Schmelze durch Filtration mit einem Filtermedium.The object according to the invention is achieved by a method for melting particulate metals and semimetals by irradiation with microwaves and purification of the resulting melt by filtration with a filter medium.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung das Schmelzen von partikelförmigen Metallen und Halbmetallen mittels eines Filtermediums, indem das Filtermedium durch Bestrahlung mit Mikrowellen erwärmt und die Wärme auf das zu schmelzende partikelförmige Metall oder Halbmetall übertragen wird. According to a further aspect, the present invention relates to the melting of particulate metals and semi-metals by means of a filter medium by heating the filter medium by irradiation with microwaves and transferring the heat to the particulate metal or metal to be melted.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Furthermore, the present invention relates to an apparatus for carrying out the method.
Für die vorliegende Erfindung bezieht sich der Begriff „Metalle“ beziehungsweise „metallische Materialien“ gleichermaßen auf Metalle wie auf Halbmetalle, wie zum Beispiel Silizium. For the present invention, the term "metals" or "metallic materials" refers equally to metals as to semimetals, such as silicon.
Da diese metallischen Materialien teilweise sehr teuer sein können und/oder der Anteil an Abfall vergleichsweise groß sein kann wie vorstehend am Beispiel von Solarsilizium aufgezeigt, ist es wünschenswert, diese Abfälle möglichst kostengünstig und effizient zu recyceln. Das recycelte Material kann wieder in den Ursprungsprozess zurückgeführt werden, wodurch sich die Ausbeuten drastisch erhöhen lassen. Since these metallic materials can sometimes be very expensive and / or the proportion of waste can be comparatively large, as shown above using the example of solar silicon, it is desirable to recycle this waste as inexpensively and efficiently as possible. The recycled material can be recycled back to the original process, dramatically increasing yields.
Erfindungsgemäß werden Metallpartikel eingesetzt, die klein genug sind und damit eine ausreichende Oberfläche aufweisen, um mittels Mikrowellen aufgeschmolzen werden zu können. According to the invention, metal particles are used which are small enough and thus have a sufficient surface area to be melted by means of microwaves.
Beispielsweise kann der Partikeldurchmesser 20 mm oder weniger betragen. Er kann 10 mm oder weniger und insbesondere 500 µm oder weniger betragen. Für die vorliegende Erfindung werden Partikel mit einem Durchmesser > 10 mm als Granulat, mit einem Durchmesser zwischen 100 µm bis 10 mm als Pulver und mit einem Durchmesser von weniger als 100 µm bis wenigen µm als Stäube klassifiziert. Der Begriff „Durchmesser“ wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den größten Durchmesser eines Teilchens. For example, the particle diameter may be 20 mm or less. It may be 10 mm or less, and more preferably 500 μm or less. For the present invention particles with a diameter> 10 mm are classified as granules, with a diameter between 100 microns to 10 mm as a powder and with a diameter of less than 100 microns to a few microns as dusts. The term "diameter" as used herein refers to the largest diameter of a particle.
Als Mikrowellen wird Strahlung bezeichnet, die eine Frequenz von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz aufweist. Beispielsweise liegt die Betriebsfrequenz von Haushalts-üblichen Mikrowellenöfen bei 2,455 GHz. As microwaves radiation is designated having a frequency of about 300 MHz to about 300 GHz. For example, the operating frequency of household standard microwave ovens is 2.455 GHz.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden in einem ersten Schritt die Metallpartikel durch Beaufschlagung mit Mikrowellen geschmolzen und dann in einem zweiten Schritt lässt man die erhaltene Schmelze ein Filtermedium („Filter“) passieren. According to a first embodiment of the present invention, in a first step, the metal particles are melted by application of microwaves and then, in a second step, the resulting melt is allowed to pass through a filter medium ("filter").
Als Filtermedium können Filter eingesetzt werden, wie sie für die Filtration von Metallschmelzen bekannt sind. Beispiele hierfür sind die vorstehend in Verbindung mit dem Stand der Technik genannten offenporigen Schaumkeramikfilter. As a filter medium filters can be used, as they are known for the filtration of molten metal. Examples of these are the open-cell foam ceramic filters mentioned above in connection with the prior art.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Filtermedium eingesetzt werden, das Mikrowellen absorbiert. In diesem Fall kann das Filtermedium gleichfalls mit Mikrowellen beaufschlagt werden, sodass sich das Filtermedium erwärmt und eine Wärmeübertragung auf das Metall bewirkt wird. According to an advantageous embodiment, a filter medium can be used, which absorbs microwaves. In this case, microwaves may also be applied to the filter medium so that the filter medium is heated and heat is transferred to the metal.
Das mikrowellenabsorbierende Filtermedium, das ein offenporiger Schaumkeramikfilter sein kann, besteht in diesem Fall aus einem mikrowellenabsorbierenden Material oder enthält ein solches Material.The microwave absorbing filter medium, which may be an open cell foam ceramic filter, in this case consists of or contains a microwave absorbing material.
Ein Beispiel für einen geeigneten Filter ist ein Filter aus SiC mit einer Beimischung von Al2O3, wobei der Anteil an Al2O3 vorzugsweise 25–35 Gewichtsteile betragen kann.An example of a suitable filter is a filter made of SiC with an admixture of Al 2 O 3 , wherein the proportion of Al 2 O 3 may preferably be 25-35 parts by weight.
Materialien, die Mikrowellen absorbieren und in Wärme umwandeln können, werden häufig auch als Mikrowellensuszeptoren bezeichnet. Beispiele für Suszeptormaterialien sind Kohlenstoff, Graphit oder Siliziumcarbid.Materials that can absorb and convert microwaves to heat are often referred to as microwave susceptors. Examples of susceptor materials are carbon, graphite or silicon carbide.
Wird ein mikrowellenabsorbierendes Filtermedium eingesetzt, kann das Aufschmelzen der Metallpartikel unmittelbar durch Wärmeübertragung aus dem durch Mikrowellenbestrahlung erwärmten Filtermedium erfolgen. If a microwave-absorbing filter medium is used, the melting of the metal particles can take place directly by heat transfer from the filter medium heated by microwave irradiation.
Infolge der Erwärmung steigt die Mikrowellensuszeptibilität der Metallpartikel und des Filtermediums, wodurch der Schmelzprozess gefördert wird.As a result of the heating, the microwave susceptibility of the metal particles and the filter medium increases, which promotes the melting process.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft zur Wiederaufbereitung von Verschnitten von Solarsilizium, wie sie zum Beispiel beim Schneiden von Wafern anfallen, eingesetzt werden.The method according to the invention can advantageously be used for the reprocessing of blends of solar silicon, as they are obtained, for example, when cutting wafers.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vorrichtung verwendet werden, die einen Reaktionsraum zum Schmelzen und Filtrieren der Metallpartikel aufweist. Hierzu ist der Reaktionsraum mit einem Filtermedium ausgestattet. For carrying out the method according to the invention, a device may be used which has a reaction space for melting and filtering the metal particles. For this purpose, the reaction space is equipped with a filter medium.
Die Mikrowellen werden mit einem Mikrowellengenerator erzeugt und zum Beispiel über Hohlleiter in den Reaktionsraum übertragen. Die Position der Hohlleiter wird nach Bedarf jeweils so gewählt, dass die Metallpartikel geschmolzen und/oder das Filtermedium erwärmt wird. The microwaves are generated by a microwave generator and transmitted for example via waveguides in the reaction space. The position of the waveguide is selected as needed in each case so that the metal particles are melted and / or the filter medium is heated.
Durch eine gleichzeitige Erwärmung des Filtermediums kann die Temperatur der Metallschmelze ohne Weiteres gehalten werden und zudem eine bessere Benetzung des Filters erhalten werden. Die Erwärmung und das Schmelzen wird durch die typische hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen beziehungsweise Halbmetallen unterstützt.By simultaneously heating the filter medium, the temperature of the molten metal can be kept readily and also a better wetting of the filter can be obtained. The heating and melting is supported by the typical high thermal conductivity of metals or semi-metals.
Darüber hinaus ermöglicht eine Erwärmung des Filtermediums durch Mikrowellen die indirekte Aufheizung des Metalls durch das Filtermedium. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Metall nicht ausreichend über die Mikrowellen erwärmt werden kann. So können mit dieser Ausgestaltung Metallpartikel eingeschmolzen werden, die von sich aus Mikrowellenenergie absorbieren, als auch Metalle, die über eine sehr geringe eigene Mikrowellenabsorption verfügen, da diese über das Filtermedium erwärmt werden können.In addition, heating of the filter medium by microwaves enables the indirect heating of the metal by the filter medium. This is particularly advantageous if the metal can not be heated sufficiently over the microwaves. Thus, with this embodiment, metal particles can be melted that absorb microwave energy of their own, as well as metals that have a very low own microwave absorption, since they can be heated via the filter medium.
Die Gestalt der Vorrichtung und des Reaktionsraumes unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Die Querschnittsform kann rund, quadratisch oder rechteckig sein. Die Vorrichtung ist mit einer Zufuhr für das Zuführen der Metallabfälle ausgestattet. Weiter ist die Vorrichtung mit einem Mikrowellengenerator zur Erzeugung der Mikrowellen verbunden, wobei die Mikrowellen zum Beispiel über Hohlleiter in den Reaktionsraum übertragen werden können. The shape of the device and the reaction space is not particularly limited. The cross-sectional shape can be round, square or rectangular. The device is equipped with a feeder for feeding the metal waste. Further, the device is connected to a microwave generator for generating the microwaves, wherein the microwaves can be transmitted for example via waveguides in the reaction space.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann je nach Bedarf batchweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Dabei kann sowohl die Zufuhr der Metallpartikel als auch die Abfuhr automatisiert sein. The process according to the invention can be carried out batchwise or continuously as required. In this case, both the supply of metal particles and the removal can be automated.
Die kontinuierliche Durchführung mit automatisierter Zufuhr und Abfuhr ist besonders geeignet für die Integration des erfindungsgemäßen Recyclingprozesses in großtechnische Anlagen. Der anfallende Metallabfall wird geschmolzen und gereinigt, sodass das recycelte Material wieder in den Ursprungsprozess zurückgeführt werden kann. Damit lässt sich eine signifikante Erhöhung der Ausbeuten erzielen. The continuous implementation with automated supply and removal is particularly suitable for the integration of the recycling process according to the invention in large-scale plants. The resulting metal waste is melted and cleaned so that the recycled material can be returned to the original process. This can achieve a significant increase in yields.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es sich auch wirtschaftlich mit Filtern durchführen lässt, deren Querschnittsfläche vergleichsweise gering ist. Üblicherweise werden Filter mit geringer Querschnittsfläche als ungeeignet für industrielle Zwecke angesehen, da die geringe Querschnittsfläche nur einen geringen Durchsatz zulässt. Erfindungsgemäß werden jedoch die benötigten Temperaturen und die damit verbundene benötigte Leistung durch den Einsatz von Mikrowellen direkt und/oder indirekt in dem zu erwärmenden Gut erzeugt, wodurch sich die Prozesszeiten verkürzen lassen. Damit können erfindungsgemäß auch Filter mit geringer Querschnittsfläche eingesetzt werden, da sich diese durch die verkürzten Prozesszeiten ausgleichen lassen. Another advantage of the method according to the invention is that it can also be carried out economically with filters whose cross-sectional area is comparatively low. Usually, filters with a small cross-sectional area are considered unsuitable for industrial purposes, since the small cross-sectional area only allows a low throughput. According to the invention, however, the required temperatures and the associated required power generated by the use of microwaves directly and / or indirectly in the material to be heated, which can shorten the process times. Thus, filters with a small cross-sectional area can also be used according to the invention, since they can be compensated for by the shortened process times.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird das Verfahren unter Inertgas durchgeführt, um eine Reaktion der Schmelze mit Luftsauerstoff zu vermeiden. Hierzu wird der Reaktionsraum mit einem Inertgas durchströmt. Ein Beispiel für ein geeignetes Inertgas ist Argon. Es können jedoch auch andere Inertgase eingesetzt werden, die nicht mit der Schmelze reagieren, wie z.B. Stickstoff. Die Vorrichtung kann folglich mit einer Zufuhr und einem Abzug für das Inertgas versehen sein. According to a further embodiment, the process is carried out under inert gas in order to avoid a reaction of the melt with atmospheric oxygen. For this purpose, the reaction space is flowed through with an inert gas. An example of a suitable inert gas is argon. However, other inert gases which do not react with the melt, e.g. Nitrogen. The device may thus be provided with a supply and a withdrawal for the inert gas.
Das zugeführte Inertgas, sowie mögliche Abgase, die durch Verunreinigungen in der Schmelze entstehen können, werden vorzugsweise aktiv, zum Beispiel mit einer Pumpe, über den Abzug aus dem Reaktionsraum abgeführt, und können durch Kreislaufführung recycelt werden. Das Verfahren kann auch unter Vakuum durchgeführt werden.The inert gas supplied, as well as possible exhaust gases which may be formed by impurities in the melt, are preferably actively removed, for example by means of a pump, via the exhaust from the reaction space, and can be recycled by recycling. The process can also be carried out under vacuum.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren näher erläutert. Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures.
Es zeigen:Show it:
In
Nach
In
In
In
Das obere Ende des Reaktionsraums
In der hier gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Reaktionsraum
In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Filter
Das zu schmelzende und zu reinigende Material wird dem Reaktionsraum
Das Gehäuse
In
Das Gehäuse
Der Mantel
Vorzugsweise kann der Hohlraum
Zur weiteren Kühlung der Gehäusewände sowie der eingesetzten Mikrowellenkomponenten kann eine Kühlung, zum Beispiel Wasserkühlung, angeschlossen sein. For further cooling of the housing walls and the microwave components used, cooling, for example water cooling, may be connected.
Als Füllmaterial für den Hohlraum
Es kann jedoch auch ein mikrowellenabsorbierendes Material oder eine Kombination aus mikrowellendurchlässigen und mikrowellenabsorbierenden Materialien verwendet werden. Heutzutage weitverbreitet sind Mikrowellen mit einer Betriebsfrequenz von 2,455 GHz.However, a microwave absorbing material or a combination of microwave transparent and microwave absorbing materials may also be used. Widely used today are microwaves with an operating frequency of 2.455 GHz.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine effiziente und energiesparende Aufreinigung von Metallabfällen durch Schmelzen der Metallabfälle und Filtrieren mit einem Filtermedium. Insbesondere kann das recycelte Material in den Ursprungsprozess zurückgeführt werden, wodurch sich nicht nur die Ausbeuten signifikant erhöhen lassen, sondern was auch aus ökologischer Sicht einen Fortschritt darstellt.The inventive method allows an efficient and energy-saving purification of metal waste by melting the metal waste and filtering with a filter medium. In particular, the recycled material can be returned to the original process, which not only significantly increases yields, but also represents environmental progress.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- partikelförmiges Metall, Halbmetall particulate metal, semi-metal
- 22
- Filter filter
- 33
- Anlage investment
- 44
- Gehäuse casing
- 55
- Reaktionsraum reaction chamber
- 66
- Mantel coat
- 77
- obere Anschlusseinheit upper connection unit
- 88th
- untere Anschlusseinheit lower connection unit
- 99
- Hohlleiter waveguide
- 1111
- Zuleitung supply
- 1212
- Abzug deduction
- 1313
- Hohlraum cavity
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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