Elektrischer Reduktionsofen, insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung
von Silicium Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Reduktionsofen, mit
dem Silicium oder andere Stoffe, wie Siliciumcarbid oder Calciumcarbid, hergestellt
werden können. Die Herstellung von Silicium geschiehtbekanntlich durch Reduzierung
von Kieselsäure mit Hilfe von Kohlenstoff, gewöhnlich in Form von Holzkohle. Diese
Stoffe läßt man miteinander durch Erhitzen auf Reaktionstemperatur im Lichtbogen
reagieren. Die Beheizu.ng der Öfen geschieht elektrisch. Bekannt hierfür sind Öfen,
die nach dem Widerstandsprinzip arbeiten, d. h. bei denen die Wärme unmittelbar
durch den Stromübergang erzeugt wird. Der Nachteil dieser Öfen, liegt in, den großen
Schwierigkeiten, die die Zuführung des elektrischen Stromes bietet. Diese .sind
dann besonders groß, wenn die Kontaktflächen zwischen den Stromzuleitungen und dem
Graphitstapel innerhalb der Charge liegen und daher nicht zugänglich sind.Electric reduction furnace, especially for continuous production
of silicon The invention relates to an electric reduction furnace, with
silicon or other substances such as silicon carbide or calcium carbide
can be. It is known that silicon is produced by reduction
of silica with the help of carbon, usually in the form of charcoal. These
Substances are left together by heating them to reaction temperature in an electric arc
react. The ovens are heated electrically. Known for this are ovens,
who work according to the resistance principle, d. H. where the heat is immediate
is generated by the current transfer. The disadvantage of these ovens is that they are large
Difficulties that the supply of electric current presents. These are
then particularly large if the contact areas between the power supply lines and the
Graphite stacks lie within the batch and are therefore not accessible.
Die Nachteile der Widerstandsöfen vermeiden die Lichtbogenöfen. Die
bisher üblichen Lichtbogenöfen sind aber flach ausgeführt und haben große horizontale
Abmessungen. Die Wärmeverluste an, der Oberfläche des Ofens und in der Umgebung
der Elektroden sind daher beträchtlich. Es kann weiter ein erheblicher Abbrand an
Silicium entstehen, wenn. bei den herrschenden Temperaturen das gebildete Silicium
zu verdampfen beginnt. Dieser Abbrand wird durch die verhältnismäßig geringe Chargenhöhe
und durch die um die Lichtbögen sich bildenden. Krater sowie die hohen L.ichtboge@ntemperaturen
biegünstigt. Außerdem ist die Wärmestrahlung vom Ofen. her so stark, daß sehr ungünstige
Arbeitshedingungen für die Personen bestehen, denen die Wartung des Ofens obliegt.Arc furnaces avoid the disadvantages of resistance furnaces. the
Up to now conventional electric arc furnaces are flat and have large horizontal ones
Dimensions. The heat losses on, the surface of the furnace and in the surrounding area
of the electrodes are therefore considerable. Significant burn-up can continue
Silicon arise when. the silicon formed at the prevailing temperatures
begins to evaporate. This burn-off is due to the relatively low batch size
and by the ones around the arcs. Craters and the high temperatures
flexible. In addition, there is heat radiation from the furnace. so strong that it is very unfavorable
There are working conditions for the persons who are responsible for the maintenance of the furnace.
Die Erfindung bezweckt die Ausbildung eines Reduktionsofens zur Herstellung
vom Silicium oder Stoffen, wie S.iliciumca,rb:id und Caleiumearbid, durch den die
zuvor erwähnten Nachteile vermieden und gleichzeitig bedeutende Vorteile in wärmewirtschaftlicher
und betriebstechnischer Beziehung erreicht werden.The invention aims to provide a reduction furnace for manufacture
from silicon or substances such as S. Siliciumca, rb: id and Caleiumearbid, through which the
previously mentioned disadvantages avoided and at the same time significant advantages in the thermal economy
and operational relationship can be achieved.
Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung ist, daß der Ofen als Induktionsofen
ausgebildet ist, einen als Sekundärwicklung dienenden Ofenkörper von verhältn:iismäßi.g
großer axialer Länge im Verhältnis zum Durchmesser hat und dessen. primäre, in,
der Wärmeleistung regelbare Windungen so angeordnet sind, daß sie den. Ofenraum
in, eine Einfüll- und Kon densierungszone, eine Re;aktions:zone, eine Sammelzone
für das gebildiete Silicium und, in eine Zapfzo:ne aufteilen, wobei als Sekundärwicklung
ein Graphitzylinder dient, der in eine hitzebeständige, wärmeisolierende, leicht
entfernbare, zwischen der primären Ofen-,vicklung und dem Graphitzylinder liegende
Schicht eingebettet ist. Der Ofen nach der Erfindung vermeidet die Nachteile beider
bekannter Ofenarten. Die Schwierigkeiten, der Stromzuführung und die der geringen.
Chargen-. höhe entfallen. Der Ofen läßt weiter einen schrittweisen Nachschule des
Graphitmaterials zu, da. dieser weder durch Stromzuführungen noch durch die Lichtbogenelektroden
behindert wird. Ein weiterer Vorteil dabei ist die Aufteilung der Chargen. in eine
ziemlich kühle Einfüll- und Kondensierungszo:ne, eine Reaktionszone, eine verhältnismäßig
kühle Sammelzone für das geschmolzene Silicium und. eine wärmere Zapfzone.The main feature of the invention is that the furnace is an induction furnace
is designed, a furnace body serving as a secondary winding of behaves: iismäßi.g
large axial length in relation to the diameter and its. primary, in,
the heat output adjustable windings are arranged so that they. Furnace room
in, a filling and condensation zone, a reaction zone, a collecting zone
for the formed silicon and, in a Zapfzo: ne divide, with as a secondary winding
A graphite cylinder is used, which is converted into a heat-resistant, heat-insulating, lightweight
removable, located between the primary furnace winding and the graphite cylinder
Layer is embedded. The furnace according to the invention avoids the disadvantages of both
known types of ovens. The difficulties of power supply and that of the minor.
Batch. no height. The furnace allows for a gradual follow-up of the
Graphite material to, there. neither through power supply nor through the arc electrodes
is hindered. Another advantage is the division of the batches. in a
rather cool feed and condensation zone, a reaction zone, a relatively cool one
cool collecting zone for the molten silicon and. a warmer tapping zone.
Die Charge wird in an sich bekannter Weise aus einer Mischung von
Quarz und Kohle gebildet, die durch Erhitzen auf etwa, 1600 bis 1800° miteinander
reagieren, wobei sich Silicium bildet. Dieses sammelt sich in einer unterhalb der
Reaktionszone gelegenen kälteren Zone. Die unterhalb der Sammelzone gelegene Zapfzone
ist ebenfalls induktiv geheizt, damit der Ausfluß des geschmolzenen. Siliciums geregelt
werden kann.The batch is in a manner known per se from a mixture of
Quartz and charcoal are formed by heating to about, 1600 to 1800 ° with each other
react to form silicon. This collects in one below the
Reaction zone located colder zone. The tapping zone located below the collection zone
is also inductively heated to allow the outflow of the melted. Silicon regulated
can be.
Die: Zeichnung zeigt ein. Ausführungsbeispiel der Erfindung.The: drawing shows a. Embodiment of the invention.
Ein Graph.itzylinder- 1, der die Wärmeerzeugung in der Charge besorgt
und als Rohr ausgeführt oder aus Ringen oder Ziegeln aufgebaut sein kann, ist von
einer Schicht 2 mit guter Wärmeisolierfähigkeit und Wä.rmebeständigk eit umgeben..
Diese Schicht besteht
vorzugsweise aus Pulver, z. B. Aluminiumoxyd,
das in den. oberen Teil des Ofens eingefüllt und am Boden abgeführt werden kann:.
Eine Spule 3 umgibt den mittleren Teil des Ofens und eine weitere Spule 4 seinen
unteren Teil. Der Ofen wird hierdurch beim Schmelzvorgang in vier Zonen aufgeteilt:
eine ziemlich kühle Einfüll- und Kondensierungszone A, eine ReaktionszoneB, eine
verhältnismäßig kühle Sammelzone C für das, geschmolzene Silicium und eine wärmere
Zapfzone D. Durch die Ausbildung der vier Zonen erhält der Ofen, besonders vorteilhafte-,
Die Einfüllzone kann verhältnismäßig hoch ausgeführt werden, wodurch die Wärmeverluste
in axialer Richtung auf einen vernachlässigbaren Betrag gebracht werden können.
Durch die hohe Einfüllzome erreicht man auch, daß verdampftes Silicium aus der Reaktionszone
in dem oberen. Teil zum Kondensieren gebracht wird. Hierdurch kann der Siliciumabbrand
praktisch ganz beseitigt werden. In der Zone B wird die Temperatur auf 1600 bis
1800° gehalten, um die gewünschte Reaktion herbeizuführen. Der Schmelzpunkt von
Silicium liegt bei 1450°. Hält man die Sammelzonentemperatur etwas über dieser Temperatur,
so ist es wahrscheinlich, daß die Temperatur an der Zapföffnung 5 niedriger ist.
Die Schmelze wird daher in der Zapföffnung erstarren. Um die Charge abzapfen und
ihre Umlaufgeschwindigkeit regeln zu können, wird auch die Umgebung der Zapföffnung
durch eine Spule 4 induktiv geheizt oder durch einen mit der Spule 3 zusammengebauten
Spul.enteil, dessen Wärmeleistung getrennt oder zusammen mit der der Spule 3 geregelt
werden. kann. In der Zeichnung ist eine Alternative gezeigt, bei der angenommen
ist, daß die Temperatur um die Zapföffnung so hoch gehalten wird, daß die Charge
nicht Zeit hat, zu erstarren. In diesem Fall wird die Zapföffnung während des Schmelzprozesses
in üblicher Weise durch einen, Pfropfen 6 verschlossen, der beim Abstich entfernt
wird. Die Spulen 3 und 4 können auch als eine gemeinsame Induktionswicklung ausgeführt
werden, wobei der gewünschte Strombelag durch ungleiche Windungsverteilung erreichbar
ist. Die Spulen sind im übrigen von einem magnetischen Schirm umgeben. Die beschriebene
Ausführung erlaubt, daß der Graphitzylinder, von dem ein Teil, insbesondere in der
Reaktionszone, verbraucht wird; gegen die Abzapföffnung verschoben werden: kann
und so die verbrauchten Stücke erneuert werden können. Da die Isolierschicht pulverförmig
ist, kann sie leicht durch eine Öffnung 8 im Ofenboden entfernt werden, was das
Verschieben des Graphitzylinders nach unten und das Einsetzen neuer Graphitteile
oder der Austausch des ganzen Graphitzylinders erleichtert. 9 ist ein Gehäusemantel
und 10 ein Träger für den Ofen.A graphite cylinder 1, which provides the heat generation in the batch and can be designed as a tube or made up of rings or bricks, is surrounded by a layer 2 with good thermal insulation properties and heat resistance. This layer preferably consists of powder, z. B. alumina, which is in the. The upper part of the furnace can be filled in and discharged at the bottom :. A coil 3 surrounds the central part of the furnace and another coil 4 surrounds its lower part. The furnace is thereby divided into four zones during the melting process: a fairly cool filling and condensing zone A, a reaction zone B, a relatively cool collecting zone C for the molten silicon and a warmer tapping zone D. The formation of the four zones gives the furnace special advantageous-, the filling zone can be made relatively high, whereby the heat losses in the axial direction can be brought to a negligible amount. The high filling zone also ensures that evaporated silicon from the reaction zone in the upper one. Part is brought to condense. In this way, the silicon burn-off can be practically completely eliminated. In zone B, the temperature is kept at 1600 to 1800 ° in order to bring about the desired reaction. The melting point of silicon is 1450 °. If the collection zone temperature is kept slightly above this temperature, it is likely that the temperature at the tap opening 5 is lower. The melt will therefore solidify in the tap opening. In order to be able to draw off the charge and regulate its circulation speed, the area around the tap opening is inductively heated by a coil 4 or by a coil part assembled with the coil 3, the heat output of which is regulated separately or together with that of the coil 3. can. An alternative is shown in the drawing, in which it is assumed that the temperature around the tap opening is kept so high that the charge does not have time to solidify. In this case, the tap opening is closed during the melting process in the usual way by a plug 6, which is removed during tapping. The coils 3 and 4 can also be designed as a common induction winding, the desired current load being achievable by uneven distribution of the windings. The coils are also surrounded by a magnetic screen. The embodiment described allows the graphite cylinder, part of which is consumed, especially in the reaction zone; be moved against the tap opening: can and so the used pieces can be renewed. Since the insulating layer is in powder form, it can easily be removed through an opening 8 in the furnace bottom, which makes it easier to move the graphite cylinder downwards and to insert new graphite parts or to replace the entire graphite cylinder. 9 is a casing shell and 10 is a support for the furnace.