DE69722454T2

DE69722454T2 - Verfahren zum feinen von silicium

Info

Publication number: DE69722454T2
Application number: DE69722454T
Authority: DE
Inventors: Jerald Smith; Stephen Johnson; Steven Oxman
Original assignee: Elkem Metals Co LP
Current assignee: Elkem Metals Co LP
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: AU712063B2; ATE241566T1; NO991109L; EP0958242B1; AR009566A1; CA2261891A1; ES2196362T3; US5820842A; DE69722454D1; AU4229797A; EG21056A; EP0958242A4; WO1998011018A1; ZA976756B; EP0958242A1; NO991109D0

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von geschmolzenem Silizium und, insbesondere, ein fachmännisches System zum Reinigen von geschmolzenem Silizium von metallurgischer Qualität durch Oxidation, um gereinigtes Silizium metallurgischer Qualität herzustellen.
Fachmännische Systeme werden im allgemeinen definiert als computergestützte Softwaresysteme, welche Wissen, Fakten und logisches Denken einschließen, um Probleme zu lösen, die bisher ausschließlich durch Menschen gelöst worden sind. Der Computer ermöglicht die Manipulation von Eingabedaten,. um zu einer Antwort zu gelangen. Das Computerprogramm wird erhalten aus einer Zusammenstellung von bekannten Verfahren und Regeln, welche synthetisiert worden sind in einen einzigen Satz von Grundregeln oder Algorithmen. Der Computer wendet diese Regeln auf die Eingabedaten an, um zu einer Antwort zu gelangen.
Gereinigtes Silizium von metallurgischer Qualität weist eine Reinheit von größer als oder gleich von etwa 98,5 Gew.-% Silizium mit einem Calciumgehalt von weniger als oder gleich etwa 0,05 Gew.-% und einem Aluminiumgehalt von weniger als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% auf. Gereinigtes Silizium von metallurgischer Qualität, ebenfalls Silizium von chemischer Qualität genannt, wird verwendet, um Produkte herzustellen, wo das Silizium in einer verhältnismäßig hohen Reinheit vorliegen muß, z. B. Silikone.
Herkömmlicherweise wird Silizium mit metallurgischer Qualität hergestellt durch die karbothermische Reduktion von Quarz in einem elektrischen Ofen. Um das Silizium von metallurgischer Qualität zu reinigen, wird das geschmolzene Silizium aus dem Ofen in einen Reinigungsbehälter, typischerweise eine Pfanne, abgelassen und anschließend in der Pfanne gereinigt.
Die Reinigung von Silizium von metallurgischer Qualität wird im allgemeinen durchgeführt an dem flüssigen (geschmolzenen) Silizium entweder durch Oxidation oder Chlorierung. Das Chlorierungsverfahren weist Umweltprobleme auf, die mit der Verwendung von Chlor und der Emission von korrodierenden Metallchloriden verbunden sind, und somit wird das Oxidationsverfahren hauptsächlich in der Siliziumindustrie verwendet.
Das Oxidationsverfahren verwendet typischerweise die Einführung von Sauerstoff in das geschmolzene Silizium. Der Sauerstoff wird zu dem geschmolzenen Silizium zugeführt entweder in Form eines gasförmigen oxidierenden Agens oder als ein festes oxidierendes Agens. Eine Einführung von gasförmigen oxidierenden Agentien in das geschmolzene Silizium kann erfolgen durch Einblasen von Sauerstoffgas oder Luft an der Oberfläche des geschmolzenen Siliziums oder durch Durchperlen eines Sauerstoff enthaltenden Gases durch das geschmolzene Silizium mit einer Lanze, Düse oder Stopfen, die bzw. der in dem Boden oder der Seite des Reinigungsbehälters angeordnet ist. Feste oxidierende Agentien, wie Silika (SiO₂) werden zu der Schmelze aus einem Trichter zugefügt. Eine Kombination sowohl gasförmiger als auch fester oxidierender Agentien kann ebenfalls in dem Reinigungsverfahren verwendet werden. Einige Reiniger verwenden Gas in Kombination mit einer festen, Schlacke bildenden Verbindung, d. h. einem Flußmittel. Das Flußmittel kann ebenfalls als ein oxidierendes Agens wirken. Typischerweise schließt das Reinigen durch das Oxidationsverfahren den Zusatz von Silika und/oder gasförmigem Sauerstoff in das geschmolzene Silizium ein. Sobald das Silizium gereinigt worden ist, wird das gereinigte geschmolzene Silizium in große Blöcke gegossen und in Pulver zum Verkauf zerkleinert.
In der Vergangenheit wurde die Menge an Silika und/oder Sauerstoff, die zu dem geschmolzenen Silizium in der Pfanne zugefügt wurde, bestimmt durch die einzelnen Verfahrensbetreiber, welche ihre Entscheidung auf deren Erfahrung basierten. Eine solche Vorgehensweise resultierte darin, daß lediglich etwa 60% des gereinigten Siliziums von metallurgischer Qualität den gewünschten Reinheitsgehalt erfüllten. Mit anderen Worten, etwa 40% des Siliziums von metallurgischer Qualität, welches gereinigt wurde, fiel aus dem notwendigen Reinheitsgehalt heraus.
Standardsilizium von metallurgischer Qualität und gereinigtes Silizium von metallurgischer Qualität haben typischerweise eine Analyse von:
Es besteht eine Notwendigkeit, das Siliziumreinigungsverfahren zu verbessern, so daß eine größere Menge des gereinigten Siliziums von metallurgischer Qualität den beabsichtigten Gehalt erfüllt.
Bezug genommen wird auf Ritzer et al., Strategic Alliance: Silicon Metal for Silicone Manufacturing, Conference on Silicon for Chemical Industry, Geiranger Norway, 16. bis 18. Juni 1992, herausgegeben von Oye et al., Institute of Inorganic Chemistry, NTH, 7034 Trondheim Norwegen, Seiten 139-140. Dieser Aufsatz schließt eine allgemeine Beschreibung eines "fachmännisches Systems" in allgemeinen Begriffen ein und erwähnt, daß die vorliegenden Anmelder ein solches System für ein Siliziumreinigungsverfahren angepaßt haben. Er gibt jedoch keinen Hinweis, wie die erwähnten Systembetriebseingaben zusammengesetzt und verwendet werden, um das fachmännische System zu betreiben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Reinigen von geschmolzenem Silizium von metallurgischer Qualität zu Silizium chemischer Qualität unter Verwendung einer Pfanne bereitgestellt, die ausgerüstet ist mit einem Gasinjektionsmittel, einem Mittel zum Zufügen von Sand zu der Pfanne, einem Mittel zum Messen der Temperatur des geschmolzenen Siliziums in der Pfanne und einem Mittel zur chemischen Analyse des Calcium- und Aluminiumgehalts des Siliziums, wobei das Verfahren umfaßt;

a) Einbringen von geschmolzenem, ungereinigtem Silizium (24) in eine Pfanne (26);
b) Zulassen, daß das geschmolzene, ungereinigte Silizium (24) abkühlt auf eine Temperatur in dem Bereich von 1371°C (2500°F) bis 1760°C (3200°F);
c) Reinigen des geschmolzenen, ungereinigten Siliziums (24), wenn das geschmolzene, ungereinigte Silizium (24) eine Temperatur erreicht hat in dem Bereich von 1371°C (2500°F) bis 1760°C (3200°F);
d) Berechnen der Menge an Silika zur Verwendung zur Reinigung von geschmolzenem, ungereinigtem Silizium auf der Basis von:
(1) dem Aluminiumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26);
(2) dem Calciumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26);
(3) dem Trend des Aluminiumgehalts des ungereinigten Siliziums aus den vorangegangenen Chargen von Silizium, die in der Pfanne (26) gereinigt wurden;
(4) ob die Pfanne (26) verwendet worden ist oder nicht wenigstens einmal in der Vergangenheit zum Reinigen von Silizium, ohne daß sie wieder ausgekleidet worden ist;
(5) einer minimalen Menge an Silika, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist,
(6) einer maximalen Menge an Silika, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, und
(7) einer anfänglichen Menge an Silika, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, wobei die anfängliche Menge die Menge an Silika ist, die der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne zugefügt wurde;
e) Zufügen der berechneten Menge an Silika zu dem geschmolzenen Silizium während der Reinigung und Aufzeichnen der Berechnung;
f) Berechnen der Menge an oxidierendem Agens zur Verwendung zur Reinigung des ungereinigten, geschmolzenen Siliziums (24) auf der Basis von:
(1) dem Aluminiumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26),
(2) dem Calciumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26),
(3) dem Alter der Pfanne (26), die verwendet worden ist wenigstens einmal in der Vergangenheit zum Reinigen von Silizium, ohne daß sie wieder ausgekleidet worden ist;
(4) einer maximalen Menge an oxidierendem Agens, die zu dem ungereinigten Silizium während der Reinigung zuzufügen ist, und
(5) einer anfänglichen Menge an oxidierendem Agens, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, wobei die anfängliche Menge an oxidierendem Agens die Menge an oxidierendem Agens ist, die zu der vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26) zugefügt wurde;
g) Zufügen der berechneten Menge an oxidierendem Agens zu dem geschmolzenen Silizium (24) während der Reinigung;
h) Kühlen des geschmolzenen Siliziums (24) auf 1510°C (2750°F), wenn das geschmolzene Silizium (24) eine Temperatur von oberhalb 1510°C (2750°F) nach der Reinigung aufweist; und
i) Wiedergewinnen des geschmolzenen Siliziums (24) nach der Reinigung, nachdem das geschmolzene Silizium (24) eine Temperatur von unter 1510°C (2750°F) erreicht hat.

Somit ist nun ein fachmännisches System entwickelt worden zur Reinigung von Silizium von metallurgischer Qualität unter Verwendung eines Oxidationsverfahrens. Dieses fachmännische Verfahren kann die Ausgabe von gereinigter metallurgischer Qualität verglichen zu dem herkömmlichen Verfahren steigern. Tatsächlich ist gefunden worden, daß das System der vorliegenden Erindung gereinigtes Silizium metallurgischer Qualität über etwa 85% der Zeit herstellen kann. Dies ist eine wesentliche Verbesserung der 60% des bekannten Verfahrens.
Das fachmännische System der vorliegenden Erfindung kann konventionelle Ausrüstung verwenden, die auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird, jedoch instruiert das System der vorliegenden Erfindung den Betreiber bezüglich der Menge an Silika und oxidierendem Agens, die in dem Reinigungsverfahren zu verwenden ist.
Das fachmännische System der vorliegenden Erfindung ist für den Reinigungsbehälter spezifisch. Es ist gefunden worden, daß ein Reinigen abhängig ist von der Konfiguration und der Aufmachung des Reinigungsbehälters. Das fachmännische System der vorliegenden Erfindung verwendet die folgenden Schritte:

(a) Überwachen der Temperatur des Siliziums in einer Pfanne, um zu bestimmen, wann das Reinigen des geschmolzenen, ungereinigten Siliziums zu starten ist, und wann das geschmolzene, gereinigte Silizium zu gießen ist;
(b) Berechnen der Menge an Silika, die zum Reinigen zu verwenden ist, basierend auf: (1) dem Aluminiumgehalt einer vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne, (2) dem Calciumgehalt einer vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne, (3) dem Trend in dem Aluminiumgehalt des ungereinigten Siliziums aus den vorangegangenen Chargen von Silizium, die in der Pfanne gereinigt wurden und (4) dem Alter der Pfanne; und
(c) Berechnen der Menge an oxidierendem Agens, die zum Reinigen zu verwenden ist, basierend auf: (1) dem Aluminiumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne, (2) dem Calciumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne und (3) dem Alter der Pfanne.

Bei Verwendung dieses Verfahrens ist gefunden worden, daß der Anteil an gereinigtem Silizium von metallurgischer Qualität von etwa 60% auf etwa 85% zunimmt.
Die Erfindung kann auf unterschiedlichen Wegen in die Praxis überführt werden, und einige Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
1 die bevorzugten Komponenten veranschaulicht, die in dem System der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
2 eine bevorzugte Pfanne veranschaulicht, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
3 das Blockdiagramm des Gesamtverfahrens veranschaulicht;
4 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Berechnen der Menge an einzusetzendem Silika veranschaulicht;
5 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Berechnen der Menge an oxidierendem Gas und kühlendem Gas zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
6 eine weitere bevorzugte Art und Weise zum Berechnen der Menge an einzusetzenden Silika veranschaulicht.
Sich wendend zu 1, veranschaulicht 1 eine Anordnung zwischen dem Computer, welcher das System steuert, und den zahlreichen anderen Elementen des Systems. Das System umfaßt einen Computer 10, der an ein chemisches Analysemittel 11 zum chemischen Analysieren des Silizums, an ein Temperaturmeßmittel 12 zum Messen der Temperatur von geschmolzenem Silizium in der Pfanne, an ein Kühlmittel 13 zum Kühlen des geschmolzenen Siliziums in der Pfanne, an ein Mittel zum Zufügen von oxidierendem Agens 14 zum Zufügen von oxidierendem Agens zu dem geschmolzenen Silizium in der Pfanne und ein Mittel zum Zufügen von Silika 15 zum Zufügen von Silika zu dem geschmolzenen Silizium in der Pfanne verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Mittel 13 zum Kühlen und das Mittel 14 zum Zufügen von oxidierendem Agens in einem Gasinjektionsmittel 16 zum Injizieren von Gas in eine Pfanne kombiniert. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird ein Gas verwendet, um das geschmolzene Silizium zu kühlen, und ein anderes Gas wird verwendet als das oxidierende Agens.
Optional kann das System der vorliegenden Erfindung ferner ein Mittel 17 zum Zufügen eines Flußmittels zu dem geschmolzenen Silizium in der Pfanne umfassen.
Der Computer 10 ist ein herkömmlicher Computer mit der Fähigkeit, die Daten, die zum Betreiben des Systems notwendig sind, zu berechnen und zu speichern.
Das Mittel 11 zur chemischen Analyse zum Durchführen chemischer Analysen des Siliziums ist ein herkömmliches Laborinstrument. Das Silizium wird zweimal während des Verfahrens analysiert. Das Silizium wird analysiert, wenn es zuerst aus dem Ofen abgelassen wird. Dies wird herkömmlich als eine Ausgußanalyse bezeichnet, da die Probe von dem Ausguß oder der Abstichrinne des Ofens genommen wird. Das zweite Mal, zu dem das Silizium chemisch analysiert wird, ist nach dem Reinigungsschritt. Dies wird herkömmlich als eine Kühlanalyse bezeichnet, da sie durchgeführt, wird an einer Probe, welche aus dem gereinigten Silizium genommen wird, wenn es aus der Pfanne gegossen wurde und sich verfestigen konnte.
Eine chemische Analyse des Siliziums wird typischer erreicht durch ein physikalisches Transportieren der Proben, sowohl der Ausguß- als auch Kühlproben, zu einem Labor, welches von der Pfanne weg gelegen ist. Das Labor weist herkömmliche Instrumente auf, die das Silizium analysieren können. Die Daten dieser Analyse werden dann zu dem Computer zurückgeführt.
Geeignete Instrumente zum Analysieren der Ausguß- und Kühlanalysen schließen Röntgenstrahlenfluoreszenz und induktionsgekoppeltes Plasma ein. Dieses sind herkömmliche Stücke einer Ausrüstung, welche auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben werden.
Sowohl die Kühl- als auch die Ausgußproben werden bezüglich Aluminum und Calcium analysiert. Diese Werte werden aufgezeichnet basierend auf Gewichtsprozenten. Der Begriff Ausgußaluminium (L.Al.) und Ausgußcalcium (L.Ca.), die hierin verwendet werden, bedeuten Gewichtsprozent Aluminium bzw. Calcium in dem ungereinigten, geschmolzenen Silizium vor dem Reinigen, wie bestimmt in der Ausgußanalyse. Der Begriff Kühlaliuminium (C.Al.) und Kühlcalcium (C.Ca.), der hierin verwendet wird, bedeutet Gewichtsprozent Aluminium bzw. Calcium in dem gereinigten Silizium.
Das Mittel 12 zum Messen der Temperatur des Siliziums in der Pfanne ist ein herkömmliches Instrument, welches auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Geeignete Ergebnisse sind erhalten worden mit einem Temperaturfühler, wie einem wegnehmbaren Emersionsthermoelement. Die Temperatur des Siliziums in der Pfanne wird zu einigen unterschiedlichen Zeiten aufgenommen. Zunächst wird, nachdem der Ofen abgelassen worden ist und die Pfanne gefüllt ist, die Temperatur des Siliziums in der Pfanne bestimmt, um zu bestimmen, ob die Temperatur des Siliziums zum Reinigen geeignet ist. Das Reinigen beginnt, wenn das Silizium eine Temperatur zwischen etwa 3200°F (1800°C) und etwa 2500°F (1400°C) erreicht hat. Wenn das geschmolzene Silizium innerhalb dieses Bereichs ist, kann das Reinigen beginnen. Die tatsächliche Temperatur, bei welcher das Verfahren der vorliegenden Erfindung beginnt, wird ebenfalls gemessen und in das System eingegeben.
Wenn das Verfahren vollständig ist, wird die Temperatur des geschmolzenen Siliziums gemessen. Falls die Temperatur oberhalb etwa 2750°C (1510°C) ist, dann wird das geschmolzene, gereinigte Silizium gekühlt und die Temperatur des geschmolzenen Siliziums überwacht, bis sie auf unterhalb etwa 2750°F (1510°C) fällt, zu welchem Zeitpunkt das geschmolzene Silizium bei einer geeigneten Temperatur ist zum Ausgießen und Verfestigen in einem Block.
Das Mittel 13 zum Kühlen des geschmolzenen Siliziums ist irgendein herkömmliches Mittel, das auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Beispielsweise ist gefunden worden, daß wenn das Kühlmedium ein Gas ist, dann ein poröser Stopfen, der an eine Quelle aus Gas angeschlossen ist, gut arbeitet. Wenn auf der anderen Seite das Kühlmedium ein Feststoff ist, dann kann ein Trichter, welcher den Feststoff enthält und mit einer Schütte ausgerüstet ist, verwendet werden, um den Feststoff zu dem geschmolzenen Silizium zuzufügen. Inerte Gase, wie Stickstoff, sind geeignete Kühlgase. Geeignete feste Kühlagentien schließen übergroße und untergroße Feinststoffe aus einem Zerkleinerungsverfahren des gereinigten Siliziums von metallurgischer Qalität ein.
Das Mittel zum Zufügen von oxidierendem Agens 14 zum Zufügen eines oxidierenden Agens zum geschmolzenen Silizium ist ein herkömmliches Mittel, das auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Beispielsweise wird, wenn das oxidierende Agens ein Gas, wie Sauerstoff, ist, dann eine Lanze, Düse oder ein poröser Stopfen, angefügt an eine Quelle von Sauerstoffgas, verwendet, um das Gas in das geschmolzene Silizium zu injizieren. Wenn das oxidierende Agens ein Feststoff ist, wie Siliziumdioxid, wird ein Trichter, welcher den Feststoff enthält und mit einer Schütte, ausgerüstet ist, verwendet, um das feste oxidierende Agens zu dem geschmolzenen Silizium zuzufügen. Geeignete oxidierende Agentien schließen Sauerstoffgas, Kohlendioxidgas, Luft, Mischungen von Sauerstoff- und Stickstoffgasen, Siliziumdioxid und Kombinationen derselben ein.
Bevorzugt werden das Kühlmittel 13 und das Mittel zum Zufügen von oxidierendem Agens 14 in einem einzigen Gasinjektionsmittel 16 kombiniert zum Injizieren sowohl eines oxidierenden Gases als auch eines inerten Gases in das geschmolzene Silizium, um so die geschmolzenen Inhalte der Pfanne zu kühlen und zu oxidieren. Beispielsweise können Stickstoff und Sauerstoff verwendet werden, um sowohl zu kühlen als auch zu oxidieren.
Das Gasinjektionsmittel 16 zum Injizieren von Gas in die Pfanne zum Kühlen und Reinigen des geschmolzenen Siliziums ist irgendein herkömmliches Mittel, welches auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Geeignete Mittel schließen eine Lanze, eine Düse oder einen porösen Stopfen, angefügt an eine Gasquelle, ein. Bevorzugt wird ein poröser Stopfen an dem Boden der Pfanne befestigt und an Pumpen und Gasquellen angeschlossen. Das kühlende Gas ist bevorzugt Stickstoffgas, während das Reinigungsgas bevorzugt eine 50 : 50-Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff ist.
Das Mittel zum Zufügen von Silka 15 zum Zufügen von Silika zu dem geschmolzenen Silizium in der Pfanne ist irgendein herkömmliches Mittel, das auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Bevorzugt wird ein Trichter, welcher Silika enthält und mit einer Schütte ausgerüstet ist, der die geeignete Menge an zuzufügendem Silika abmißt, in dem System der vorliegenden Erfindung verwendet. Bevorzugt ist das Silika, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, Sand, welcher 99,5% SiO₂ enthält und eine Siebgröße zwischen etwa 20 und etwa 150 aufweist.
Das Mittel zum Zufügen von Flußmittel 17 zum Zufügen von Flußmitteln zu der Pfanne ist irgendein herkömmliches Mittel, das auf eine herkömmliche Art und Weise betrieben wird. Geeignete Mittel schließen einen Trichter ein, der Flußmittel enthält und mit einer Schütte ausgerüstet ist, die die geeignete Menge an zuzufügenden Flußmitteln zu der Pfanne abmißt. Geeignete Flußmittel schließen Calciumoxid (Kalk, CaO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Bariumoxid (BaO), Natriumoxid (Na₂O) und Siliziumdioxid (SiO₂) ein. Die Verwendung von Flußmitteln ist in der vorliegenden Erfindung optional.
Wie einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, können Kalk (Flußmittel) und Sand (oxidierendes Agens) in Kombination verwendet werden, um das Aluminium aus dem geschmolzenen Silizium zu entfernen, woraus ein gereinigtes Silizium mit einem niedrigeren Aluminiumgehalt resultiert.
2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Ofen 20 weist eine Ablaßöffnung 22 auf, aus welcher geschmolzenes Silizium 24 in eine Pfanne 26 abgelassen wird. Die Pfanne 26 ist eingebaut in eine Öffnung 28 unterhalb der Ablaßöffnung 22. Die Pfanne 26 ist ausgerüstet mit einem porösen Stopfen 30, welcher über Leitung 32 an einen Sauerstoffvorratsbehälter 34 und einen Stickstoffvorratsbehälter 36 angeschlossen ist. Jeder Tank 34 und 36 weist jeweilige Pumpen 38 und 40 auf, welche an einen Computer angeschlossen sind und welche den Fluß ihrer jeweiligen Gase zur Pfanne 26 steuern. Ein Trichter 42 hält Silika und ist an den Computer zum Abmessen einer Menge an Silika in die Pfanne 26 angeschlossen. Ein Temperaturfühler 44 ist ein manuell betriebener Temperaturfühler, welcher in das geschmolzene Silizium 24 eingesetzt wird, um dessen Temperatur zu erhalten. Ein Computer 48 ermöglicht es dem Verfahrensbetreiber der Pfanne, Daten einzugeben und Informationen zu erhalten und das System im allgemeinen zu betreiben.
Wie im größeren Detail unten beschrieben werden wird, hat der Betreiber in der bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, die Menge an Silika, die zu der Pfanne 26 zuzufügen ist, ebenso wie die Menge an Gas, die zum Reinigen verwendet wird, und die Menge an Gas, die zum Kühlen verwendet wird, zu steuern. Somit hat der Betreiber die Möglichkeit, die Menge an Gas und die Menge Silika, die durch das fachmännische System der vorliegenden Erfindung empfohlen werden, aufzuheben.
Die chemische Analyse wird durchgeführt durch Entnahme einer Probe des geschmolzenen Siliziums und Überführen der Probe zu dem Labor für eine Analyse.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben werden in Bezugnahme auf das Blockdiagramm, das in 3 gezeigt ist. Nachdem der Ofen abgelassen und die Pfanne gefüllt ist, muß der Betreiber die Probe für die Ausgußanalyse nehmen, Block 60.
Als nächstes muß der Betreiber eingeben, ob die Pfanne neu oder alt ist, Block 64. Neue Pfannen sind solche, die gerade wieder ausgekleidet worden sind. Eine Pfanne ist lediglich einmal nach einer Wiederauskleidung neu. Jedesmal danach ist die Pfanne alt.
Wenn die Pfanne neu ist, setzt das System den Silikablock 66 auf einen vorgegebenen Wert und setzt die Menge an kühlendem Gas (bezeichnet als A-Modus) und die Menge an reinigendem Sauerstoffgas (bezeichnet als B-Modus) auf eine vorgegebene Menge, Block 68. Die vorgegebenen Mengen an Silika und kühlendem Gas/reinigendem Gas werden berechnet auf der Basis der Norm für das Silizium metallurgischer Qualität, welches in dem Verfahren gereinigt wird, welches in den Einrichtungen verwendet wird.
Wenn die Pfanne alt ist, nicht neu, berechnet das System dann die Menge an Silika, Block 70, und berechnet die Menge an zu verwendendem kühlendem Gas/reinigendem Gas (A-ModusB-Modus), um das Silizium metallurgischer Qualität zu reinigen, Block 72. Als nächstes wird die Temperatur der Schmelze überwacht, um zu bestimmen, wann sie zwischen etwa 2500°F (1400°C) und etwa 3200°F (1800°C) liegt, Block 82. Sobald das geschmolzene Silizium diesen Temperaturbereich erreicht, kann die Reinigung beginnen.
Der Betreiber hat dann die Wahl, entweder die Menge an Silika zuzufügen, welche durch das System berechnet worden ist, oder die Menge zuzufügen, die er als geeignet entschieden hat. In jedem Falle muß der Betreiber die Menge an Silika, die zu der Pfanne zugefügt wurde, aufzeichnen, Block 84.
Ebenfalls hat der Betreiber die Wahl, entweder die Menge an kühlendem Gas und reinigendem Gas, welche durch das System empfohlen wird, zuzufügen, oder eine unterschiedliche Menge zu wählen. In jedem Falle muß der Betreiber die Menge an kühlendem Gas (A-Modus), Block 86, und die Menge an reinigendem Gas (B-Modus), Block 88, die beim Reinigen des Siliziums metallurgischer Qualität verwendet werden, aufzeichnen.
Die Temperatur des gereinigten Siliziums wird überwacht, um zu bestimmen, wann sie unterhalb etwa 2750°F (1510°C) fällt, Block 90.
Sobald die Schmelze eine Temperatur unterhalb etwa 2750°F (1510°C) erreicht, wird das gereinigte Silizium, Block 92, ausgegossen und eine Probe wird für eine Kühlanalyse, Block 94, entnommen. Falls die Temperatur der Schmelze nicht unterhalb etwa 2750°F (1510°C) liegt, wird der zusätzliche A-Modus (Kühlen) verwendet, Block 96, bis die Temperatur der Schmelze unterhalb etwa 2750°F (1510°C) ist.
Sowohl der Kühlanalyseblock 94 als auch der Ausgußanalyseblock 60 werden zu Block 70 und Block 72 zur Verwendung bei der Berechnung der Menge an zu verwendendem Silika und zum Berechnen der Menge im zu verwendenden A-Modus/B-Modus beim Reinigen des Siliziums metallurgischer Qualität zugeführt.
Es wird verstanden werden, daß die Ausgußanalyse, die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Analyse des ungereinigten Siliziums von metallurgischer Qualität ist, welches in der Pfanne ist und gereinigt wird. Im Gegensatz dazu ist die Kühlanalyse die Analyse des zuvor gereinigten Siliziums, d. h. die Charge an Silizium, die unmittelbar der Charge an ungereinigtem Silizium metallurgischer Qualität in der Pfanne vorangeht.
Die chemische Analyse einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium, einer Kühlanalyse, oder des ungereinigten Siliziums, einer Ausgußanalyse, kann zur Verwendung in dem Verfahren nicht verfügbar sein. In dem Falle, wo eine oder mehrere dieser chemischen Analysen nicht verfügbar sind, verwendet das Verfahren die zuletzt erhaltene Analyse zum Zwecke einer Bestimmung der Zeit für den A-ModusB-Modus und der Menge an zu verwendendem Silika. Mit anderen Worten, falls die Kühlanalyse aus der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium nicht verfügbar ist, wird dann die Kühlanalyse der davor vorangegangenen Charge aus dieser Pfanne verwendet.
Wie verstanden werden sollte, ist die Effizienz der Reinigung zum Teil basiert auf der tatsächlich verwendeten Pfanne. Daher wird jede Messung gegen eine spezifische Pfanne indexiert, und jede Silika- und A-Modus/B-Modus-Zugabe-Berechnung ist pfannenspezifisch. Mit anderen Worten ist in der vorliegenden Erfindung die Analyse pfannenspezifisch und nicht allgemein für alle Pfannen.
Zusätzlich werden Pfannen nicht zwischen Öfen hin und herbewegt. Eine Pfanne ist einem Ofen zugeordnet und wird bei diesem Ofen bleiben, bis sie wieder ausgekleidet wird, und eine neue Pfanne (wiederausgekleidete Pfanne) wird an ihrer Stelle verwendet.
4 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Berechnen der Menge an zu verwendendem Silika während des Reinigens, wenn die Pfanne alt ist.
Zunächst werden bestimmte Parameter in Block 7000 gesetzt, nämlich die maximale Menge an zuzufügendem Silika wird auf einen Wert gesetzt, "X". Die minimale Menge an zuzufügendem Silika während der Reinigung wird "Y" gesetzt, und der anfängliche Silikawert wird "Z" gesetzt. Der anfängliche Wert, wenn die Pfanne alt ist, ist die Menge an Silika, die in der vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne verwendet wurde. Diese Zahlen können von Pfanne zu Pfanne und Anlage zu Anlage variieren. Zum Starten des fachmännischen System der vorliegenden Erfindung wird die anfängliche Menge auf irgendeinen Wert gesetzt, der gewöhnlich in dem Reinigungsbehälter verwendet wird. Mit anderen Worten, wenn ein Betreiber normalerweise etwa 300 kg Silika verwendet, wird dann der anfängliche Wert auf 300 kg gesetzt, und das fachmännische System der vorliegenden Erfindung wird die Silikazugabe anschließend anpassen. Die bevorzugte maximale Menge an Silika ist etwa 5 Gew.-% des geschmolzenen Siliziums in der Pfanne. Mit anderen Worten, für eine Pfanne, die 10.000 Pfund (4500 kg) an geschmolzenem Silizium enthält, sind 500 Pfund (225 kg) an Silika die maximale Menge an zuzufügendem Silika zu der Pfanne. Die bevorzugte minimale Menge an Silika wird auf 0 Pfund (0 kg) gesetzt. Mathematisch wird dies einfach durch die Formel dargestellt:
0 ≤ zugefügtes Silika ≤ 500 Pfund (225 kg)
Mit anderen Worten, nicht mehr als 500 Pfund (225 kg) an Silika können zu der Pfanne während des Reinigungsverfahrens zugefügt werden (es sei denn, der Betreiber entscheidet sich, das System aufzuheben).
Wenn die Pfanne neu ist, empfiehlt das System dann die Verwendung einer Menge an Silika, welche etwa 75% der Menge an verwendetem Silika in der vorangegangenen alten Pfanne ist, und setzt den Silikagehalt auf den 75%-Gehalt, Block 66 von 3.
Als nächstes wird der Trend im Ausgußaluminium (L.Al) analysiert, ob der Trend im Ausgußaluminium steigt, Block 7002, oder abnimmt, Block 7004. Falls das Ausgußaluminium steigt, wird dann die anfängliche Menge an Silika durch eine gesetzte Menge, "A"-Pfund, Block 7006 gesteigert. Dann muß diese Steigerung gegen die maximale Menge von Silika, "X", Block 7008, geprüft werden, um zu gewährleisten, daß sie nicht über die maximale Menge hinausgegangen ist. Falls die gesteigerte Silikamenge Z+A, nicht größer als X ist, dann wird die Menge an zuzufügendem Silika Z auf einen Wert von Z+A, Block 7010, gesetzt. Falls X kleiner als Z+A ist, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika bei Z, Block 7012, gehalten.
Wenn die Antwort in Block 7002 nein ist, ist dann die nächste Frage, ob der Trend im Ausgußaluminium (L.Al.) abnimmt, Block 7004. Falls der Trend im Ausgußaluminium abnimmt, wird dann eine gesetzte Menge, B, von der anfänglichen Menge an Silika Z subtrahiert, Block 7014. Als nächstes muß diese Menge an Z-B geprüft werden, um zu gewährleisten, daß sie nicht unterhalb des Minimums Y abfällt, Block 7016. Falls Z-B unter das Minimum Y gefallen ist, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika bei Z gehalten, Block 7018. Falls der Wert von Z-B nicht unterhalb von Y ist, d. h. gleich oder größer als Y, wird dann der Wert Z auf die Menge Z-B gesetzt, Block 7020.
Nachdem die Einstellung der Silikamenge durchgeführt worden ist, basierend auf dem Trend im Ausgußaluminium, Blöcke 7002-7020, wird das Kühlaluminium (C.Al.) betrachtet, um zu bestimmen, ob es oberhalb eines gesetzten Maximalwertes, Block 7022, oder unterhalb eines gesetzten Maximalwertes, Block 7024, liegt. Diese gesetzten Werte sind abhängig von der Menge an Aluminium, das in dem gereinigten Silizium metallurgischer Qualität erwünscht ist. Bevorzugt sind diese gesetzten Werte ein Bereich, der durch den Verbraucher eingerichtet wird. Mit anderen Worten kann der Bereich beispielsweise 0,25 bis 0,275 sein, da der gewünschte Aluminiumgehalt in dem gereinigten Silizium zwischen 0,25% und 0,275% ist. Somit ist der gesetzte Maximalwert 0,275% und der gesetzte Minimalwert 0,25%. Wo das Kühlaluminium oberhalb der gesetzten Maximalmenge ist, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika, Z, durch eine Menge, C, gesteigert, Block 7026.
Als nächstes muß diese Steigerung, Z+C, überprüft werden, Block 7028, um zu bestimmen, ob sie größer ist als die maximale Menge an X. Falls die maximale Menge X geringer ist als Z+C, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika bei Z gehalten, Block 7030. Falls auf der anderen Seite X geringer ist als Z+C, d. h. Z+C ist kleiner oder gleich X, wird dann Z auf einen Wert Z+C gesetzt, B1ock 7032.
Falls die Antwort zu Block 7022 nein ist, ist dann die nächste Frage, ob das Kühlaluminium (C.Al.) unterhalb eines gesetzten minimalen Wertes ist, Block 7024. Falls das Kühlaluminium unterhalb eines gesetzten Minimalwertes ist, wird dann die Silikamenge, Z, um eine gesetzte Menge, D, vermindert, Block 7034. Dann muß diese Verminderung gegen das Minimum, Y, überprüft werden, Block 7036, um zu gewährleisten, daß die Verminderung nicht unter das Minimum gefallen ist. Falls das Minimum Y größer ist als die Verminderung von Z-D, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika bei Z gehalten, Block 7038. Falls auf der anderen Seite die minimale Menge Y größer ist als die Menge Z-D, d. h. Z-D ist größer als oder gleich Y, wird dann Z auf die Menge Z-D gesetzt, Block 7040.
Nachdem die Einstellung der Silikamenge durchgeführt worden ist auf der Basis des Kühlaluminiums, Blöcke 7022-7040, wird das Kühlcalcium (C.Ca.) betrachtet, um zu bestimmen, ob es oberhalb eines gesetzten maximalen Wertes, Block 7042, oder unterhalb eines gesetzten minimales Wertes, Block 7044, liegt. Diese gesetzten Werte sind abhängig von der Menge an Calcium (Calciumbereich), der in dem gereinigten Silizium metallurgischer Qualität gewünscht ist.
Wo das Kühlcalcium oberhalb der gesetzten Maximalmenge ist, Block 7042, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika, Z, durch eine Menge, E, gesteigert, Block 7046. Als nächstes muß diese Steigerung, Z+E, überprüft werden, Block 7048, um zu bestimmen, ob sie größer ist als die maximale Menge an Silika, X, welche zu dem geschmolzenen Silizium zugefügt werden kann. Falls die maximale Menge X kleiner ist als Z+E, wird dann die Menge an zuzufügendem Silika bei Z gehalten, Block 7050. Falls auf der anderen Seite X kleiner ist als Z+E, d. h. Z+E ist kleiner als oder gleich X, wird Z dann auf einen Wert von Z+E gesetzt, Block 7052.
Falls die Antwort zu Block 7042 nein ist, ist dann die nächste Frage, ob das Kühlcalcium (C.Ca.) unterhalb eines gesetzten minimalen Wertes liegt, Block 7044. Falls das Kühlcalcium unterhalb eines gesetzten Minimalwertes ist, wird dann die Silikamenge, Z, um eine gesetzte Menge, F, vermindert, Block 7054. Diese Verminderung muß dann gegenüber dem Minimum, Y, überprüft werden, Block 7056, um zu gewährleisten, daß die Verminderung nicht unter das Minimum gefallen ist. Falls das Minimum Y größer ist als die Verminderung von Z-F, wird dann die Menge an zuzufiigendem Silika bei Z gehalten, Block 7058. Falls auf der anderen Seite die minimale Menge Y nicht größer ist als die Menge Z-F, d. h. Z-F ist größer als oder gleich Y, wird dann Z auf die Menge Z-F gesetzt, Block 7060.
Die gesetzten Werte in Blöcken 7022, 7024, 7042 und 7044 können variieren abhängig von dem Produkt und der verwendeten Ausrüstung, um das Silizium zu reinigen. Ebenfalls werden die Werte A, B, C, D, E und F variieren.
Es sollte erwähnt werden, daß, wenn der Aluminiumgehalt oder der Calciumgehalt in dem ungereinigten Silizium, d. h. dem ungereinigten Silizium metallurgischer Qualität, annehmbar ist, dann keine Notwendigkeit besteht, jeden der Schritte in der Silikaeinstellung durchzuführen. Mit anderen Worten, falls der Aluminiumgehalt in dem ungereinigten Silizium annehmbar ist für das gereinigte Silizium, werden dann die Blöcke 7002-7040 überbrückt und lediglich Blöcke 7042 bis 7060 werden verwendet, um die Silikamenge anzupassen.
Die Anmelder haben ebenfalls gefunden, daß es bevorzugt ist, die Anzahl an Schritten zum Einstellen der Silikainenge, basierend entweder auf Kühlaluminium oder Kühlcalcium, zu steigern. Beispielsweise werden die Schritte, die in Blöcken 7022-7040 dargestellt sind, wiederholt, außer daß die gesetzten Werte in Blöcken 7022 und 7024 verändert werden, und daß Werte von C, Block 7026 und D, Block 7034 verändert werden.
Diese Erscheinung einer Steigerung der Anzahl von Rechnungen oder Entscheidungen für die Einstellung der Silikamenge ist in 6 in Bezug auf die Einstellung gezeigt, die für Kühlcalcium gemacht wurde, und wird in größerem Detail unten ausgeführt.
Sich nun beziehend auf 5 wird ein bevorzugtes Verfahren zum Berechnen der Menge des A-Modus, von kühlendem Gas, und B-Modus, von Sauerstoffgas, zur Verwendung während einer Reinigung nun umrissen.
Zunächst werden bestimmte Parameter gesetzt, nämlich die maximale Zeit für den kombinierten A-Modus und B-Modus und das Verhältnis von A-Modus und B-Modus, Block 7200. Diese Parameter können die Form einer Zeit (Minuten) oder eines Gasvolumens (Kubikmeter), welche zu der Pfanne während der Reinigung geliefert wird, annehmen. Die Anmelder haben gute Ergebnisse erhalten unter Verwendung der Zeit und haben gefunden, daß eine maximale Zeit von 75 Minuten gut arbeitet. Das Verhältnis A-Modus zu B-Modus ermöglicht Veränderungen in der Menge von A-Modus und B-Modus, die zu der Pfanne geliefert werden, ohne daß die kombinierten Zeiten für den A-Modus und den B-Modus die maximale Zeit für den A-Modus und den B-Modus übersteigen.
Als nächstes wird das Kühlaluminium (C.Al.) analysiert, um zu bestimmen, ob es größer ist als ein gesetzter Maximalwert, Block 7202. Falls das Kühlaluminium oberhalb eines gesetzten Maximalwertes ist, wird dann das Verhältnis von A-Modus zu B-Modus angepaßt, um mehr B-Modus bereitzustellen, eine Sauerstoffreinigung zu steigern, und das Verhältnis wird auf das neue Verhältnis mit der Zunahme des B-Modus gesetzt, Block 7204.
Als nächstes wird das Kühlcalcium (C.Ca.) analysiert, um zu schauen, ob dieses oberhalb eines gesetzten Maximalwertes ist, Block 7206. Falls das Kühlaluminium oberhalb eines gesetzten Maximalwertes ist, wird dann das Verhältnis von A-Modus zu B-Modus angepaßt, um die Menge an B-Modus zu steigern, Block 7208, und das Verhältnis von A-Modus zu B-Modus wird auf dieses neue Verhältnis gesetzt., Die gesetzten Maximalwerte, die in Blöcken 7202 und 7206 verwendet werden, werden im voraus ausgewählt und sind abhängig von den gewünschten Gehalten an Calcium und Aluminium in dem gereinigten Silizium.
Beispiel
Die vorliegende Erfindung wird nun beschrieben werden unter Bezugnahme auf das Reinigen eines spezifischen Siliziums.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines gereinigten Siliziums metallurgischer Qualität, wo das metallurgische Silizium eine typische chemische Analyse, wie oben umrissen, aufweist, und wobei der Gesamtentwurf des Systems ähnlich ist zu demjenigen, der in 2 gezeigt ist. Die in diesem Beispiel verwendete Pfanne enthält etwa 10.000 Pfund (4500 kg) geschmolzenes Silizium. Das verwendete Silika ist ein Sand mit einem SiO₂-Gehalt von 99,5 Gew.%. Die anfängliche Menge an verwendetem Sand war 200 Pfund (90 kg). A-Modus wurde definiert als Stickstoffgas, welches zu der Pfanne in einer Menge von etwa 20 CFM (0,57 Kubikmeter pro Minute) zugeführt wurde, und der B-Modus wurde definiert als eine 50/50-Mischung aus Sauerstoff- und Stickstoffgas, welche in einer Menge von etwa 40 CFM (1,1 Kubikmeter pro Minute) zugeführt wurde.
I. Neue Pfanne
A. Sand
Falls die Pfanne neu ist, empfiehlt das System die Verwendung einer Menge von Sand, welche etwa gleich ist zu etwa 75% der Menge an Sand, die mit der vorangegangenen alten Pfanne verwendet wurde [(0,75) (90 kg) oder 70 kg] und setzt die Menge an Sand auf diesen Gehalt, Block 66.
B. A-Modus/B-Modus
Als nächstes schlägt das System die Zeitmenge für den A-Modus und den B-Modus vor und setzt die Zeit für den A-Modus und den B-Modus, Block 68. Die maximale Zeit für den kombinierten A-Modus und B-Modus ist etwa 75 Minuten. Das System empfiehlt etwa 10 Minuten A-Modus, gefolgt von etwa 45 Minuten B-Modus, gefolgt von etwa 20 Minuten A-Modus. Dies ist ein Verhältnis von 10/45/20 oder 1/4,5/2.
Diese Mengen und Zeiten können durch den Betreiber verwendet werden, oder falls der Betreiber dieses wählt, kann er die Mengen und Zeiten, welche zum Reinigen verwendet werden, verändern. In beiden Fällen muß der Betreiber die Menge an Sand und die Zeitmenge des A-Modus und des B-Modus in den Computer eingeben, da diese Zahlen verwendet werden, um die Sandzugabe und die A-Modus-B-Modus-Zeiten für die nächste Charge an Silizium, die in der Pfanne zu reinigen ist, zu berechnen.
II. Alte Pfanne-
Falls die Pfanne alt ist, d. h. sie ist wenigstens einmal in der Vergangenheit zum Reinigen verwendet worden, ohne daß sie wieder ausgekleidet worden ist, wird die Menge an Sand und Zeit, die für den A-Modus und den B-Modus verwendet wird, durch den Trend in der Ausgußanalyse, der Kühlanalyse, der Menge an in der vorangegangenen Charge verwendetem Sand und der Zeit des A-Modus und des B-Modus aus der vorangegangenen Charge gesetzt. Die Berechnungen für die Sandzugabe, Block 70, und die Berechnungen für A-Modus und B-Modus, Block 72, unter Verwendung einer alten Pfanne werden unten im Detail beschrieben.
A. Sand
1. Maximal-Minimal-Sand
Die Maximalmenge an Sand ist etwa 500 Pfund (225 kg) und das Minimum ist 0. Somit wird die anfängliche Menge an zugefügtem Sand zu einer neuen Pfanne aufgezeichnet, und jede Zunahme oder Verminderung an Sand zu der anfänglichen Menge wird aufgezeichnet. Mathematisch wird dies einfach durch die folgende Formel veranschaulicht:
0 ≤ zugefügter Sand zu der Pfanne ≤ 500
Mit anderen Worten können nicht mehr als 500 Pfund (225 kg) an Sand zu dem geschmolzenen Silizium während des Reinigungsverfahrens zugefügt werden. Wenn die Summe an zuzufügendem Sand 500 Pfund (225 kg) erreicht, bleibt die Menge an verwendetem Sand in dem Reinigungsverfahren die gleiche.
Wenn die Pfanne alt ist, wird die Sandberechnung auf drei Faktoren basiert: der Menge an zugefügtem Sand zu der Pfanne für das zuvor gereinigte Silizium; dem Trend in dem Ausgußaluminiumgehalt des zuvor gereinigten Siliziums; und dem Kühlaluminiumgehalt des zuvor gereinigten Siliziums.
Das Verfahren beginnt eine Sandberechnung auf der Basis der Annahme, daß die gleiche Menge an Sand, wie sie in der vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne verwendet wurde, wiederum verwendet werden sollte. Diese Menge wird die anfängliche Menge genannt und ist 200 Ibs (90 kg) für dieses Beispiel. Somit verändert sich die anfängliche Menge mit jeder neu gereinigten Charge, abhängig von der Menge an zugefügtem Sand zu der vorangegangenen Charge und den verschiedenen chemischen Analysen. Die anfängliche Menge verändert sich abhängig von dem Trend in dem Ausgußaluminium- und dem Aluminiumgehalt der vorangegangenen Kühlanalyse.
2. Ausgußaluminiumeinstellung
Falls der Aluminiumgehalt des ungereinigten Siliziums, wie gezeigt in der Ausgußanalyse für die vorangegangenen drei Chargen an Silizium, die in der Pfanne gereinigt wurden, sich jedesmal gesteigert hat, werden dann etwa 25 Pfund (10 kg) Sand zu der anfänglichen Menge zugefügt. Falls auf der anderen Seite der Aluminiumgehalt des ungereinigten Siliziums, wie gezeigt in der Ausgußanalyse für die vorangegangenen drei Chargen an Silizium, die in der Pfanne gereinigt wurden, jedesmal sich vermindert hat, werden dann etwa 25 Pfund (10 kg) Sand von der anfänglichen Menge abgezogen. Falls weder drei aufeinanderfolgende Zunahmen noch drei aufeinanderfolgende Verminderungen des Aluminiumgehalts, der durch die Ausgußanalyse des ungereinigten Siliziums gezeigt wird, vorhanden sind, verbleibt die anfängliche Menge unverändert.
Der Trend in dem Ausgußaluminium ist basiert auf einer stetigen Zunahme oder einer stetigen Abnahme des Ausgußaluminiums. Mit anderen Worten muß die Zunahme oder die Abnahme fortschreitend sein für drei aufeinanderfolgende Chargen. Beispielsweise ist eine stetige Zunahme des Ausgußaluminiums ein erstes Ausgußaluminium von 0,1, ein zweites Ausgußaluminium von 0,12 und ein drittes Ausgußaluminium von 0,14. Ein erstes Ausgußaluminium von 0,1, ein zweites von 0,12 und ein drittes von 0,12 ist keine stetige Zunahme. Das gleiche gilt für eine stetige Abnahme.
3. Kühlaluminiumeinstellung
Neben der Einstellung der anfänglichen Sandmenge für den Trend des Ausgußaluminiums, wird eine Einstellung für das Kühlaluminium aus den vorangegangenen Chargen an gereinigtem Silizium aus der Pfanne durchgeführt. Basierend auf der folgenden Tabelle wird der anfängliche Sand gesteigert oder vermindert, abhängig von dem Kühlaluminium aus der vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne:

Unter Verwendung der obigen Tabelle wird die Menge an anfänglichem Sand zusammen mit der Einstellung, die für den Trend des Ausgußaluminiums gemacht wird, eingestellt. 6 ist ein Blockdiagramm, welches veranschaulicht, wie das System die Menge an Sand, die gemäß den ersten acht Schritten der obigen Tabelle zuzufügen ist, berechnet. Wie erkannt werden kann, erfolgt die gemachte Einstellung, basierend auf dem Kühlaluminium, durch eine Anzahl von Entscheidungen, um die richtige Sandmenge, die zu der Schmelze zuzufügen ist, zu bestimmen. In diesem Beispiel liegt der Zielaluminiumgehalt an gereinigtem Silizium zwischen 0,250 Gew.-% und 0,275 Gew.-%.
4. Kühlcalciumeinstellung
Die anfängliche Sandmenge wird eingestellt für das Kühlcalcium der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne. Die Tabelle unten listet das Kühlcalcium aus der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium und die Sandmenge, die zu der anfänglichen Menge zugefügt wird, auf:

Kühlcalcium (%) Pfund an zugefügtem Sand zur anfänglichen Sandmenge

Calcium ≥ 0,05 50 (23 kg)

Calcium < 0,05 0
Unter Verwendung der obigen Tabelle wird die anfängliche Sandmenge eingestellt.
Es ist gefunden worden, daß, wo die Kühlaluminiumeinstellung an die anfängliche Sandmenge durchgeführt worden ist, der Schritt für eine Calciumeinstellung eliminiert werden kann. Der maximale gesetzte Wert für Calcium ist 0,05 Gew.-%. Dieser Wert kann auf den annehmbaren Gehalt für das gereinigte Silizium gesetzt werden und kann variieren. Es ist gefunden worden, daß die Einstellung für den Aluminiumkühlgehalt die kritischste ist.
B. A-Modus/B-Modus
1. Maximale Zeit für kombinierten A-Modus und B-Modus
Die Gesamtzeit des A-Modus und B-Modus übersteigt etwa 75 Minuten nicht, z. B. ist es unmöglich, eine negative Zeitmenge für den A-Modus und über etwa 75 Minuten für den B-Modus zu haben.
2. Kühlaluminiumeinstellung
Bezüglich eines A-Modus und B-Modus für eine alte Pfanne:

(i) Falls die Kühlanalyse aus der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne einen Aluminiumgehalt von weniger als etwa 0,28 Gew.-% (die Mitte der zweiten Sandeinstellung ausgehend von 0 für Kühlaluminium) aufweist, werden der A-Modus und der B-Modus auf den vorhergehenden A-Modus und B-Modus gesetzt.
(ii) Falls die Kühlanalyse aus der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne einen Aluminiumgehalt gleich oder größer als etwa 0,28 Gew.-% aufwies, werden dann etwa 10 Minuten zu dem B-Modus zugefügt, und eine gleiche Zeitmenge (etwa 10 Minuten) wird vom A-Modus abgezogen.

3. Kühlcalciumeinstellung
Bezüglich eines A-Modus und B-Modus für eine alte Pfanne:

(i) Falls die Kühlanalyse aus der vorangeganenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne einen Calciumgehalt von weniger als etwa 0,05 Gew.-% aufwies, werden der A-Modus und der B-Modus dann auf den vorangegangenen A-Modus und B-Modus gesetzt.
(ii) Falls die Kühlanalyse aus der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne einen Calciumgehalt gleich oder größer als etwa 0,05 Gew.-% aufwies, werden dann etwa 10 Minuten zu dem B-Modus zugefügt und eine gleiche Zeitmenge (etwa 10 Minuten) von dem A-Modus abgezogen. Es ist gefunden worden, daß, wo die Kühlaluminiumeinstellung auf die anfängliche Sandmenge durchgeführt worden ist, der Schritt für eine Calciumeinstellung eliminiert werden kann. Der maximale gesetzte Wert für Calcium ist 0,05 Gew.-%. Dieser Wert kann auf den annehmbaren Gehalt für das gewünschte Silizium gesetzt werden und kann variieren. Es ist gefunden worden, daß die Einstellung für den Aluminiunikühlgehalt die kritischste ist.

Claims

Verfahren zum Reinigen von geschmolzenem Silizium von metallurgischer Qualität zu Silizium chemischer Qualität unter Verwendung einer Pfanne, die ausgerüstet ist mit einem Gasinjektionsmittel, einem Mittel zum Zufügen von Sand zu der Pfanne, einem Mittel zum Messen der Temperatur des geschmolzenen Siliziums in der Pfanne und einem Mittel zur chemischen Analyse des Calcium- und Aluminiumgehalts des Siliziums, wobei das Verfahren umfaßt; a) Einbringen von geschmolzenem, ungereinigtem Silizium (24) in eine Pfanne (26); b) Zulassen, daß das geschmolzene, ungereinigte Silizium (24) abkühlt auf eine Temperatur in dem Bereich von 1371°C (2500°F) bis 1760°C (3200°F); c) Reinigen des geschmolzenen, ungereinigten Siliziums (24), wenn das geschmolzene, ungereinigte Silizium (24) eine Temperatur erreicht hat in dem Bereich von 1371°C (2500°F) bis 1760°C (3200°F); d) Berechnen der Menge an Silika zur Verwendung zur Reinigung von geschmolzenem, ungereinigtem Silizium auf der Basis von: (1) dem Aluminiumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26); (2) dem Calciumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26); (3) dem Trend des Aluminiumgehalts des ungereinigten Siliziums aus den vorangegangenen Chargen von Silizium, die in der Pfanne (26) gereinigt wurden; (4) ob die Pfanne (26) verwendet worden ist oder nicht wenigstens einmal in der Vergangenheit zum Reinigen von Silizium, ohne daß sie wieder ausgekleidet worden ist; (5) einer minimalen Menge an Silika, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, (6) einer maximalen Menge an Silika, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, und (7) einer anfänglichen Menge an Silika, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, wobei die anfängliche Menge die Menge an Silika ist, die der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium aus der Pfanne zugefügt wurde; e) Zufügen der berechneten Menge an Silika zu dem geschmolzenen Silizium während der Reinigung und Aufzeichnen der Berechnung; f) Berechnen der Menge an oxidierendem Agens zur Verwendung zur Reinigung des ungereinigten, geschmolzenen Siliziums (24) auf der Basis von: (1) dem Aluminiumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26), (2) dem Calciumgehalt einer vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium aus der Pfanne (26), (3) dem Alter der Pfanne (26), die verwendet worden ist wenigstens einmal in der Vergangenheit zum Reinigen von Silizium, ohne daß sie wieder ausgekleidet worden ist; (4) einer maximalen Menge an oxidierendem Agens, die zu dem ungereinigten Silizium während der Reinigung zuzufügen ist, und (5) einer anfänglichen Menge an oxidierendem Agens, die zu dem ungereinigten Silizium (24) während der Reinigung zuzufügen ist, wobei die anfängliche Menge an oxidierendem Agens die Menge an oxidierendem Agens ist, die zu der vorangegangenen Charge von gereinigten Silizium aus der Pfanne (26) zugefügt wurde; g) Zufügen der berechneten Menge an oxidierendem Agens zu dem geschmolzenen Silizium (24) während der Reinigung; h) Kühlen des geschmolzenen Siliziums (24) auf 1510°C (2750°F), wenn das geschmolzene Silizium (24) eine Temperatur von oberhalb 1510°C (2750°F) nach der Reinigung aufweist; und i) Wiedergewinnen des geschmolzenen Siliziums (24) nach der Reinigung, nachdem das geschmolzene Silizium (24) eine Temperatur von unter 1510°C (2750°F) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oxidierende Agens gasförmiger Sauerstoff (34) ist und der Schritt des Zufügens des oxidierenden Agens ein Injizieren von gasförmigem Sauerstoff (34) in das geschmolzene Silizium (24) mittels eines porösen Stopfens (30) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des geschmolzenen Siliziums (24) auf 1510°C (2750°F) ein Injizieren eines inerten Gases (36) in das geschmolzene Silizium (24) mittels eines porösen Stopfens (30) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des geschmolzenen Siliziums (24) auf etwa 1510°C (2750°F) ein Zufügen eines festen Kühlagens zu dem geschmolzenen Silizium (24) mittels eines Trichters und einer Schütte umfaßt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt eines Berechnens der Menge an zuzufügendem Silika die Menge an zuzufügendem Silika steigert, wenn der Trend des Aluminiumgehalts von ungereinigtem Silizium steigt; die Menge an zuzufügendem Silika vermindert, wenn der Trend des Aluminiumgehalts von ungereinigtem Silizium abnimmt; die gesteigerte Menge an zuzufügendem Silika davon abhält, größer zu sein als die maximale Menge an zuzufügendem Silika; und die verminderte Menge an zuzufügendem Silika davon abhält, geringer zu sein als die minimale Menge an zuzufügendem Silika.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt eines Berechnens der Menge an zuzufügendem Silika die Menge an zuzufügendem Silika steigert, wenn der Calciumgehalt der vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium zunimmt; die Menge an zuzufügendem Silika vermindert, wenn der Calciumgehalt der vorangegangenen Charge von gereinigtem Silizium abnimmt; die gesteigerte Menge an zuzufügendem Silika davon abhält, größer zu sein als die maximale Menge an zuzufügendem Silika; und die verminderte Menge an zuzufügendem Silika davon abhält, geringer zu sein als die minimale Menge an zuzufügendem Silika.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt eines Berechnens der Menge an zuzufügendem oxidierendem Agens die Menge an oxidierendem Agens steigert, wenn der Aluminiumgehalt der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium größer ist als ein vorgegebener Maximalwert und die gesteigerte Menge an zuzufügendem oxidierendem Agens davon abhält, größer zu sein als die maximale Menge an zuzufügendem oxidierendem Agens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt eines Berechnens der Menge an zuzufügendem oxidierendem Agens die Menge an oxidierendem Agens steigert, wenn der Calciumgehalt der vorangegangenen Charge an gereinigtem Silizium größer ist als ein vorgegebener Maximalwert und die gesteigerte Menge an zuzufügendem oxidierendem Agens davon abhält, größer zu sein als die maximale Menge an zuzufügendem oxidierenden Agens.