EP3344378A1 - Dispositif de brassage mécanique d'un métal en fusion pour un procédé de solidification dirigée - Google Patents

Dispositif de brassage mécanique d'un métal en fusion pour un procédé de solidification dirigée

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Publication number
EP3344378A1
EP3344378A1 EP16759770.7A EP16759770A EP3344378A1 EP 3344378 A1 EP3344378 A1 EP 3344378A1 EP 16759770 A EP16759770 A EP 16759770A EP 3344378 A1 EP3344378 A1 EP 3344378A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mechanical stirring
stirring blade
central portion
blade
transverse dimension
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16759770.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claire AUDOIN
Mickaël ALBARIC
Sylvère CARON
Marc Chatelain
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3344378A1 publication Critical patent/EP3344378A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/113—Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller
    • B01F27/1134—Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller the impeller being of hydrofoil type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/91—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis with propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2101/00—Mixing characterised by the nature of the mixed materials or by the application field
    • B01F2101/26—Mixing ingredients for casting metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0418—Geometrical information
    • B01F2215/0422—Numerical values of angles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0418—Geometrical information
    • B01F2215/0431—Numerical size values, e.g. diameter of a hole or conduit, area, volume, length, width, or ratios thereof

Definitions

  • the present invention relates to the general field of directed solidification, and in particular for purification by segregation of impurities. More particularly, the invention is particularly concerned with the field of purification by segregation of molten metals, such as in particular silicon. It can thus advantageously be applied to the purification of molten liquid silicon by a metallurgical process for the segregation of impurities, for its subsequent use, for example in photovoltaic cells.
  • the invention thus proposes a device for mechanically stirring a molten metal, in particular silicon, suitable for a directed solidification process, and in particular for a metallurgical purification process by segregating impurities from the molten metal, an assembly comprising such a stirring device and an enclosure comprising a liquid bath of the molten metal, and an associated method of designing such a stirring device.
  • metallurgical processes for the segregation of impurities such as, for example, the segregation by directed solidification process, in which the metallurgical silicon passes through a liquid phase. in melt, then purified by exploiting the physical properties of the impurities of the silicon (phase coefficients between phases liquid and solid or liquid phase, volatility properties, for example) or exploitation of reactivity properties of silicon impurities.
  • the object of the invention is to remedy at least partially the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
  • the invention thus has, according to one of its aspects, a device for mechanically stirring at least one molten metal for a directed solidification process of at least one molten metal, comprising mechanical stirring means.
  • rotary means in a direction of rotation of a liquid bath of said at least one molten metal, said mechanical stirring means comprising:
  • a rotatable central portion extending substantially along a main longitudinal axis, in particular a rotating central rod,
  • said mechanical stirring blades comprising a lower surface, intended to face the liquid bath of said at least one molten metal before immersion, and an upper surface, opposite to the lower surface, said mechanical stirring blades being each connected to the central part by means of a proximal edge, opposite their distal edge,
  • each mechanical stirring blade being connected to each other by means of a front edge and a rear edge, defined with respect to the direction of rotation of the mechanical stirring means, said front, rear, proximal and distal edges delimiting together the upper surface of each mechanical stirring blade, characterized in that said mechanical stirring blades are at axial flow, each mechanical stirring blade having a constant angle of attack, between 5 and 20 °, and a constant leakage angle, between 45 and 80 °,
  • the angle of attack of a mechanical stirring blade being defined as the angle between a first plane perpendicular to the main longitudinal axis of the central portion and passing through a point on the rear edge of the mechanical stirring blade, and a second plane tangential to the upper surface of the mechanical stirring blade at said rear edge point,
  • the leakage angle of a mechanical stirring blade being defined as the angle between a third plane perpendicular to the main longitudinal axis of the central portion and passing through a point on the front edge of the mechanical stirring blade, and a fourth plane, tangent to the upper surface of the mechanical stirring blade at said point of the leading edge.
  • the invention may be possible to provide a solution for homogenizing the concentration of impurities of at least one molten metal, in particular silicon comprising at least one impurity, in order to accelerate the speed of production of a directed solidification process, in particular for purification by segregation.
  • impurity is meant an element having an ability to segregate, i.e. having a partition coefficient of less than 1 in the molten pool.
  • the impurity may be a metal impurity with a low partition coefficient, such as aluminum, iron or copper, or a dopant such as boron or phosphorus.
  • the stirring action can advantageously be carried out directly at the liquid / solid interface of the molten metal bath.
  • the brewing device according to the invention is advantageously compatible with any method of purification by segregation of silicon, because it has a good resistance to infiltration of silicon and at high temperatures to ensure possible reuse. Finally, the brewing device according to the invention does not involve or little contamination.
  • the stirring device according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any possible technical combinations.
  • the stirring device is adapted for use during a directed solidification process, in particular for a metallurgical purification process by segregation of a molten metal.
  • the chosen values of the angles of attack and leakage make it possible to generate an axial flow directed towards the solidification front during the metallurgical purification process by segregating the at least one molten metal so as to favor the transport of the impurities.
  • having a low angle of attack and a high value leakage angle can help promote a significant mixing of said at least one molten metal, even at low rotational speed of the stirring device.
  • the mechanical stirring blades are based on graphite, silica, quartz, alumina, silicon carbide and / or silicon nitride.
  • the choice of graphite as a material for the realization of mechanical stirring blades can make it possible to obtain good resistance to infiltration of silicon and good temperature resistance.
  • each stirring blade can in particular be substantially equal to 10 °.
  • the leakage angle of each stirring blade can in particular be substantially equal to 65 °.
  • the ratio between the largest transverse dimension of the central portion, in particular the diameter of the central portion, and the largest transverse dimension of the mechanical stirring means, comprising the central portion and the mechanical stirring blades, in particular the diameter mechanical stirring means may be between 0.1 and 0.3.
  • the largest transverse dimension of the central portion is a function of the largest transverse dimension of the mechanical stirring means so as to ensure the mechanical strength of the stirring device.
  • the ratio between the width of each mechanical stirring blade, corresponding to the horizontal distance between the front edge and the rear edge of each blade, and the largest transverse dimension of the central portion, in particular the diameter of the central portion can be between 1 and 2.
  • the width of a mechanical stirring blade is advantageously limited to twice the largest transverse dimension of the central portion in order to avoid the accumulation of stresses on the junction between the blade and the central portion.
  • each mechanical stirring blade may consist of the union of a plurality of connection planes.
  • the upper surface of each mechanical stirring blade may have a continuous profile.
  • each mechanical stirring blade may be between 3 and 8 mm, and in particular greater than or equal to 6 mm. Such a choice of values of the thickness of each mechanical stirring blade can advantageously make it possible to improve the mechanical strength and to facilitate machining of the blades.
  • the ratio between the number 1 and the optimal number of mechanical stirring blades can be between 0.1 and 0.5.
  • the number of mechanical stirring blades is defined in such a way that the flow rate generated by the stirring device is sufficient for a limited speed of rotation.
  • the number The mechanical stirring blade is also advantageously determined so that all the blades can be connected to the central part, with a connection width sufficient to guarantee the mechanical strength.
  • Another aspect of the invention is an assembly, characterized in that it comprises:
  • an enclosure comprising a liquid bath of at least one molten metal
  • Said at least one molten metal may be preferably silicon.
  • the height of the mechanical stirring blades is minimal so as to optimize the material yield.
  • a height H of the liquid bath equal to 27 cm
  • a height Hp of mechanical stirring blade less than 4 cm can allow to obtain effective mixing on 85% of the height of the liquid bath.
  • the ratio between the largest transverse dimension of the mechanical stirring means, comprising the central portion and the mechanical stirring blades, in particular the diameter of the mechanical stirring means, and the largest transverse dimension, in particular the width, of the enclosure comprising the liquid bath of said at least one molten metal may be between 0.1 and 0.5.
  • the subject of the invention is also a method for designing a mechanical stirring device as defined above, for its implementation during a directed solidification process.
  • at least one molten metal contained in a liquid bath of an enclosure characterized in that, to obtain an axial flow, it comprises the step (a1) of choosing a constant angle of attack, between 5 and 20 °, and a constant leakage angle, between 45 and 80 °, for each mechanical stirring blade.
  • the method may especially comprise the following successive steps:
  • the brewing device, the assembly and the method of designing the brewing device according to the invention may comprise any of the features set forth in the description, taken alone or in any technically possible combination with other characteristics.
  • FIG. 1 shows, in section, an exemplary assembly comprising a chamber of a molten silicon bath and a stirring device of the liquid silicon according to the invention, provided with mechanical stirring blades immersed in the bath,
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show, respectively in a perspective view, a view from above and a side view, an example of a stirring device according to the invention comprising mechanical stirring blades with two connection planes,
  • FIGS. 3A, 3B and 3C show, respectively in a perspective view, a view from above and a side view, an example of a stirring device according to the invention comprising mechanical stirring blades with three connection planes,
  • FIGS. 4A, 4B and 4C represent, respectively in a perspective view, a view from above and a side view, an example of a brewing device; according to the invention comprising mechanical stirring blades with a continuous blade profile,
  • FIGS. 5 and 6 illustrate the speed field, respectively for a Rushton turbine blade geometry and for a blade geometry of a stirring device according to the invention
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the intensity of the friction stress (parietal stress) at the solid / liquid interface, respectively for a Rushton-type turbine blade geometry and for a blade geometry of a device brewing according to the invention.
  • the molten metal intended to be stirred by the stirring device 1 according to the invention consists of silicon. 2, used for the manufacture of photovoltaic cells.
  • the metallurgical purification process by segregation of impurities of the molten silicon 2 corresponds here to the purification method directed directed.
  • these choices are in no way limiting.
  • an exemplary assembly 10 having an enclosure 4 enclosing a bath of molten liquid silicon 2 and a mechanical stirring device 1 according to the invention for allow the mixing of the molten silicon 2 located in the chamber 4.
  • the liquid silicon bath 2 contained in the chamber 4 corresponds to the molten liquid bath obtained during a metallurgical process for the purification of silicon by directed solidification, before the migration of the impurities and the solidification of the silicon.
  • the stirring device 1 comprises rotating mechanical stirring means 3 of the liquid silicon bath 2, which comprise here a central portion 5 in the form of a rotating rod or a rotary shaft (direction of rotation represented by the arrow R in Figure 1), extending substantially along a main longitudinal axis X, and mechanical stirring blades 3a, 3b, located at the distal end of the rotary rod 5, totally immersed in the silicon bath 2.
  • rotating mechanical stirring means 3 of the liquid silicon bath 2 comprise here a central portion 5 in the form of a rotating rod or a rotary shaft (direction of rotation represented by the arrow R in Figure 1), extending substantially along a main longitudinal axis X, and mechanical stirring blades 3a, 3b, located at the distal end of the rotary rod 5, totally immersed in the silicon bath 2.
  • the mechanical stirring blades 3a, 3b are at axial flow, also called axial flow.
  • axial flow also called axial flow.
  • Axial flow mechanical mixers are grouped into several categories, such as marine propellers, sloping propellers and thin profile propellers.
  • the radial flow mechanical mixers mainly comprise Rushton type turbines and inclined blade turbines.
  • the two axial and radial flow regimes are mainly distinguished by the number of recirculation loops of the stirred liquid.
  • a mechanical stirring blade 3a or 3b with an axial flow regime generates only a single recirculation loop throughout the enclosure, whereas a mechanical stirring blade with a radial flow regime would generate two recirculation loops, respectively above and below said stirring blade.
  • the axial flow stirring blades are particularly effective for homogenization operations because they generate a better circulation of the liquid.
  • axial mixing blades 3a, 3b with axial flow can make it possible to comply with the constraints related to the purification of so-called "photovoltaic" silicon, namely in particular a resistance to the infiltration of silicon and a resistance to elevated temperatures in a directed solidification purification furnace, about 1500 ° C.
  • the mechanical stirring blades 3a, 3b are made of a material capable of meeting the constraints associated with the brewing of photovoltaic silicon, namely in particular in terms of purity, temperature and ease of manufacture.
  • the mechanical stirring blades 3a, 3b are based on graphite, silica, quartz, alumina, silicon carbide and / or silicon nitride, and in particular based on isomouled graphite for its good resistance to the infiltration of silicon and the associated machining and temperature resistance possibilities.
  • the shapes of the mechanical stirring blades 3a, 3b are designed to be simple (limitation of the variability of the profiles radially to facilitate machining with graphite), and the height Hp of the blades 3a, 3b is chosen to be the lower possible to allow a stirring as long as possible during the process of crystallization of silicon.
  • the mechanical stirrer is translated upward continuously during solidification to maintain a typical distance of about 5 cm, arbitrary and potentially variable with the solidification front.
  • the translation is provided by a mechanical system, namely engine and screw-nut system.
  • the mechanical stirring blades of the stirring device 1 according to the invention preferably made of graphite in order to meet the constraints inherent in their use in a molten silicon liquid bath 2, must be able to satisfy a certain number of simplified design criteria, including geometric constraints, in particular because of the fragile nature and difficult to machine graphite.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show, respectively in a perspective view, a view from above and a side view, an example of a stirring device 1 according to the invention comprising mechanical stirring blades with two connection planes. ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C show, respectively in a perspective view, a view from above and a side view, an example of a stirring device 1 according to the invention comprising mechanical stirring blades with three connection planes ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C represent, respectively in a perspective view, a view from above and a side view, an example of a stirring device 1 according to the invention comprising mechanical stirring blades with a continuous blade profile. ⁇ .
  • each stirring device 1 comprises three stirring blades 3a, 3b and 3c connected to a rotating central shaft (or shaft) 5, this choice being of course in no way limiting.
  • the mechanical stirring blades 3a, 3b and 3c are axial flow, and are preferably made of graphite for the reasons mentioned above.
  • the three mechanical stirring blades 3a, 3b, 3c comprise each a lower surface S2, oriented towards the molten silicon liquid bath 2 before immersion of the blades, and an upper surface SI, opposite to the lower surface S2.
  • the three mechanical stirring blades 3a, 3b, 3c are each connected to the rotary rod 5 via a proximal edge BP, opposite their distal edge BD.
  • each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c are connected to each other through a front edge BAV and a rear edge BAR.
  • the latter are defined relative to the direction of rotation R of the mechanical mixing means 3, so that the edge before BAV first comes into contact with the liquid with respect to the rear edge BAR, during translation along the X axis towards the surface of the bath.
  • the front BAV, rear BAR, proximal BP and distal BD edges together define the upper surface SI of each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c.
  • each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c is at axial flow.
  • each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c has a constant angle of attack Qa, comprised between 5 and 20 °, and in particular chosen to be substantially equal to 10 °, and a constant leakage angle ⁇ , between 45 and 80 °, and in particular chosen to be substantially equal to 65 °.
  • the chosen values of the driving and the driving angles Qa and ⁇ make it possible to generate an axial flow directed towards the solidification front during the metallurgical purification process by segregating the silicon 2 so as to favor the transport of the impurities.
  • having an angle of attack Qa of low value and a leakage angle ⁇ of high value can make it possible to promote a large stirring of silicon 2, even when the speed of rotation according to R is low.
  • the angle of attack Qa of a mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c is defined as the angle between a first plane PI, perpendicular to the main longitudinal axis X of the rotary rod 5 and passing through a point T1 of the rear edge BAR of the mechanical mixing blade 3a, 3b, 3c, and a second plane P2, tangential to the upper surface SI of the mechanical stirring blade 3a, 3b , 3c at said point T1 of the rear edge BAR.
  • the angle of leakage ⁇ of a mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c is defined as the angle between a third plane P3, perpendicular to the main longitudinal axis X of the rotary rod 5 and passing through a point T2 of the front edge BAV of the mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c, and a fourth plane P4, tangential to the upper surface SI of the mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c at said point T2 of the front edge BAV.
  • the second plane P2 is the plane comprising the connection plane ⁇ 1
  • the fourth plane P4 is the plane comprising the connection plane ⁇ 2.
  • the second plane P2 is the plane comprising the connection plane ⁇ 1
  • the fourth plane P4 is the plane comprising the connection plane ⁇ 3.
  • the second P2 and fourth P4 planes are tangent to the upper surface SI corresponding to the continuous profile ⁇ .
  • stirring device 1 and in particular the three stirring blades 3a, 3b, 3c, as well as the assembly 10 comprising the stirring device 1 and the chamber 4 containing the liquid silicon bath 2, are advantageously characterized by a certain number of parameters in order to respect the various constraints mentioned previously.
  • the ratio a2 between the diameter Da of the rotary rod 5 and the diameter D of the mechanical stirring means 3 is between 0.1 and 0.3.
  • the diameter Da of the rotary rod 5 is thus a function of the diameter D of the mechanical stirring means 3 so as to ensure the mechanical strength of the stirring device 1.
  • the ratio a3 between the width Lp of each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c, the distance between the front edge BAV and the rear edge BAR of each blade, and the diameter Da of the rotary rod 5 is between 1 and 2.
  • the width Lp of a mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c is advantageously limited to twice the diameter Da of the rotary rod 5 in order to avoid the accumulation of stresses on the junction between the blade and the rotary rod 5.
  • the ratio ⁇ 1 between the number 1 and the optimal number n * of mechanical stirring blades 3a, 3b, 3c is between 0.1 and 0.5.
  • n m ax represents the maximum number of 3a mechanical stirring blades, 3b, 3c.
  • the ratio ⁇ between the diameter D of the mechanical stirring means 3 and the width L of the enclosure 4 is between 0.1 and 0.5, in order to obtain a good compromise between the efficiency of the stirring and the manufacturing cost of the stirring device 1 according to the invention.
  • the thickness of material e (visible in FIGS. 2C, 3C and 4C) of the mechanical stirring blades 3a, 3b and 3c is in particular between 3 and 8 mm, and preferably at less than 6 mm, so as to guarantee the mechanical strength of each blade.
  • a first step al it may be possible to choose the constant angle of attack Qa, between 5 and 20 °, and the constant leakage angle ⁇ , and between 45 and 80 °, for each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c. In this way, it may be possible to obtain axial flow.
  • the diameter D of the mechanical stirring means 3 is determined from the value of the width L of the enclosure 4 and a choice of value of the ratio a1, between 0 , 1 and 0.5, between the diameter D of the mechanical stirring means 3 and the width L of the enclosure 4.
  • the choice of value of the ratio can in particular be done according to the cost of material and the desired brewing efficiency.
  • the diameter Da of the rotary rod 5 is determined to define the mechanical strength of the rotary rod 5. This determination is made from the value of the diameter D of the mechanical stirring means 3 and a choice of value of the ratio a2, between 0.1 and 0.3, between the diameter Da of the rotary rod 5 and the diameter D of the mechanical stirring means 3.
  • the width Lp of each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c is then determined from the value of the diameter Da of the rotary rod 5 and from a choice of value of the ratio a3. between 1 and 2, between the width Lp of each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c and the diameter Da of the rotary rod 5.
  • the sixth step a6 then makes it possible to determine the number n of mechanical stirring blades.
  • the optimum number n * of blades is defined as a function of the diameter D of the mechanical mixing means 3 and the width L (see FIG. 1) of the enclosure 4.
  • connection width Lr (see FIG. 2B) between each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c and the rotary rod 5.
  • This connection width Lr can then be adjusted by cutting the blade at an angle as is the case for the examples of FIGS. 2A-2C, 3A-3C and 4A-4C.
  • n m ax (nx Da) / ( ⁇ 5 x Lp), where the ratio a5 is between 0.5 and 1.
  • n * the design of the device of stirring 1 or else increase the speed of rotation according to R to maintain a sufficient flow.
  • a seventh step a7 it is possible to determine the number of connection planes forming the upper surface SI of each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c. In the present case, it is then two planes ⁇ 1 and ⁇ 2 for the example of FIGS. 2A-2C, and of three planes ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3 for the example of FIGS. Figures 3A-3C. Alternatively, it is also possible to choose a continuous profile ⁇ of the upper surface SI of each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c, or an infinite number of connection planes, as is the case for the example of FIGS. 4A. -4C.
  • each mechanical stirring blade 3a, 3b, 3c is chosen from 3 and 8 mm, and in particular being greater than or equal to 6 mm.
  • the silicon charge 2 introduced can reach 90 kg, which gives a height H of liquid silicon equal to 240 mm.
  • Step a2 diameter D of the mechanical stirring means 3
  • a diameter D L / 3 is chosen here in order to guarantee effective action of the stirring device 1 over the entire solidification front.
  • Step a3 Da diameter of the central portion 5
  • Step a4 blade width Lp
  • Step a6 number n of blades
  • n * of blades is equal to 3.
  • a coefficient a5 0.5 is chosen between the width Lr of connection to the central portion 5 and the width Lp of the blade. .
  • a maximum number of blades n m ax 4 is then obtained. It is then decided to produce a stirring device 1 with three blades 3a, 3b and 3c.
  • Step a7 number of connection plans
  • Step a8 thickness e of the blades
  • a thickness e of the blades is chosen equal to 6 mm, in order to guarantee their resistance.
  • stirring device 1 is similar to that shown in Figures 3A, 3B and 3C.
  • stirring device 1 Starting from this stirring device 1 according to the invention, a numerical study has been conducted to show the effectiveness of the stirring device 1 vis-à-vis the segregation of impurities represented by the parietal constraint at the interface, as described in international application WO 2013/105060 A1.
  • FIGS. 5 and 6 illustrate the velocity field calculated in a vertical plane, respectively for the blade geometry of a Rushton type turbine and for the blade geometry of the stirring device 1 according to the invention.
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the intensity of the friction stress (wall stress) at the solid / liquid interface, respectively for the blade geometry of a Rushton type turbine and for the blade geometry. of the stirring device 1 according to the invention.
  • the stirring device 1 according to the invention induces a substantially stronger stress than the Rushton-type turbine.
  • the stress distribution varies with the geometry of the agitator.
  • the area under the blades has a high stress which decreases rapidly towards the walls of the crucible.
  • the zone of high stress is more extensive.
  • the axial flow agitator that forms the stirring device 1 according to the invention produces a more intense flow in the vicinity of the solidification front, which is favorable to the transport of impurities.
  • the invention is not limited to the embodiments which have just been described. Various modifications may be made by the skilled person.
  • the stirring device 1 can make it possible to efficiently mix a liquid bath of molten metal, in particular silicon, with a size of at least G2 (approximately 380 ⁇ 380 mm of bottom), even G5 size (about 840 x 840 mm bottom) or G6 size (about 990 x 990 mm bottom).

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Abstract

Un dispositif (1) de brassage mécanique d'un métal en fusion pour un procédé de solidification dirigée dudit au moins un métal en fusion, comportant des moyens de brassage mécanique (3) rotatifs pourvus d'une partie centrale (5) rotative et d'une pluralité de pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), lesquelles sont raccordées à la partie centrale (5) par le biais d'un bord proximal (BP), opposé à un bord distal (BD), reliés par le biais d'un bord avant (BAV) et d'un bord arrière (BAR), délimitant ensemble la surface supérieure (SI) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), caractérisé en ce que lesdites pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) sont à débit axial, présentant un angle d'attaque constant, compris entre 5 et 20°, et un angle de fuite constant, compris entre 45 et 80°.

Description

DISPOSITIF DE BRASSAGE MÉCANIQUE D'UN MÉTAL EN FUSION POUR UN PROCÉDÉ DE
SOLIDIFICATION DIRIGÉE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général de la solidification dirigée, et en particulier pour la purification par ségrégation d'impuretés. Plus particulièrement, l'invention est notamment concernée par le domaine de la purification par ségrégation des métaux en fusion, comme notamment le silicium. Elle peut ainsi s'appliquer avantageusement à la purification du silicium liquide en fusion par un procédé métallurgique de ségrégation d'impuretés, pour son utilisation ultérieure, par exem ple dans des cellules photovoltaïques.
L'invention propose ainsi un dispositif de brassage mécanique d'un métal en fusion, notamment du silicium, adapté pour un procédé de solidification dirigée, et notamment pour un procédé métallurgique de purification par ségrégation d'impuretés du métal en fusion, un ensemble comprenant un tel dispositif de brassage et une enceinte comportant un bain liquide du métal en fusion, ainsi qu'un procédé associé de conception d'un tel dispositif de brassage.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le cadre de l'élaboration des cellules photovoltaïques, le silicium est le matériau le plus couramment utilisé. I l intervient ainsi dans la fabrication des cellules photovoltaïques dites « cristallines », c'est-à-dire qui sont à base d'un cristal de silicium ou de polycristaux de silicium.
Pour obtenir le matériau silicium à la pureté requise pour son application, il est courant d'utiliser des procédés métallurgiques de ségrégation d'impuretés, tels que par exemple le procédé de ségrégation par solidification dirigée, dans lesquels le silicium métallurgique passe par une phase liquide en fusion, puis est purifié par exploitation de propriétés physiques des impuretés du silicium (coefficients de pa rtage entre phase liquide et phase solide ou liquide, propriétés de volatilité, par exemple) ou exploitation de propriétés de réactivité des impuretés du silicium.
Les solutions techniques proposées par les procédés métallurgiques de ségrégation, tels que la ségrégation par solidification dirigée, sont pertinentes pour l'obtention de la pureté souhaitée du silicium. Cependant, pour les rendre économiquement intéressantes, il est nécessaire de pouvoir mettre en œuvre ces procédés le plus rapidement possible.
Or, prenant l'exemple privilégié de la ségrégation par solidification dirigée, la vitesse de solidification du silicium est actuellement limitée par le risque de déstabilisation morphologique du front de solidification lors de la migration des impuretés, qui conduit notamment à la formation de dendrites à l'interface liquide/solide, caractéristique d'une accumulation d'impuretés. Plus précisément, une telle instabilité du front de solidification apparaît dès lors que la concentration d'impuretés à l'interface liquide/solide atteint le seuil de Mullins-Sekerka, tel que décrit aux pages 23 à 55 de l'article intitulé « Croissance cristalline en phase liquide : éléments théoriques », Jean-Paul Garandet, 2003, volume 8, EDP Sciences, et à la page 444 de l'article intitulé « Stability of a Planar Interface During Solidification of a Dilute Binary Alloy », W.W.Mullins et R.F.Sekerka, 1964, J.Appl.Phys., volume 35, numéro 2.
Aussi, pour pouvoir augmenter sans risque la vitesse de solidification du silicium, il faut pouvoir faire en sorte que la concentration en impuretés à l'interface liquide/solide reste la plus faible possible afin de ne pas risquer la déstabilisation du front de solidification et piéger des précipités d'impuretés dans le cristal. Il est ainsi recherché d'homogénéiser la concentration en impuretés afin d'avoir une concentration en impuretés à l'interface liquide/solide qui soit sensiblement égale à la concentration moyenne en impuretés dans le bain liquide de silicium.
Néanmoins, même sans aller jusqu'à la déstabilisation morphologique du front de solidification, c'est la concentration en impuretés dans le liquide à l'interface liquide/solide qui détermine la concentration en impuretés incorporées dans le solide. De cette façon, l'efficacité de la purification est directement liée à l'homogénéisation de la phase liquide du silicium en raison du phénomène de couche limite solutale, tel que décrit dans l'article précité « Croissance cristalline en phase liquide : éléments théoriques » et dans la demande internationale WO 2013/105060 Al.
Dans ces conditions, il apparaît nécessaire de prévoir une solution d'homogénéisation de la phase liquide de silicium afin d'obtenir la concentration en impuretés la plus faible possible à l'interface liquide/solide, et ainsi d'éviter tout risque d'instabilité du front de solidification à l'origine d'une défaillance du processus de purification du silicium par ségrégation.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Il existe par conséquent un besoin pour proposer une solution permettant d'assurer l'homogénéisation de la concentration en impuretés d'un bain liquide d'au moins un métal en fusion, tel que le silicium, lors d'un procédé de solidification dirigée, tel que pour la purification dudit au moins un métal en fusion par ségrégation. Il existe notamment un besoin pour permettre de réaliser un brassage du bain liquide garantissant l'homogénéité de la concentration en impuretés.
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un dispositif de brassage mécanique d'au moins un métal en fusion pour un procédé de solidification dirigée d'au moins un métal en fusion, comportant des moyens de brassage mécanique rotatifs selon un sens de rotation d'un bain liquide dudit au moins un métal en fusion, lesdits moyens de brassage mécanique comportant :
- une partie centrale rotative s'étendant sensiblement selon un axe longitudinal principal, notamment une tige centrale rotative,
- une pluralité de pales de brassage mécanique, raccordées à la partie centrale,
lesdites pales de brassage mécanique comprenant une surface inférieure, destinée à faire face au bain liquide dudit au moins un métal en fusion avant immersion, et une surface supérieure, opposée à la surface inférieure, lesdites pales de brassage mécanique étant chacune raccordées à la partie centrale par le biais d'un bord proximal, opposé à leur bord distal,
le bord proximal et le bord distal de chaque pale de brassage mécanique étant reliés l'un à l'autre par le biais d'un bord avant et d'un bord arrière, définis par rapport au sens de rotation des moyens de brassage mécanique, lesdits bords avant, arrière, proximal et distal délimitant ensemble la surface supérieure de chaque pale de brassage mécanique, caractérisé en ce que lesdites pales de brassage mécanique sont à débit axial, chaque pale de brassage mécanique présentant un angle d'attaque constant, compris entre 5 et 20°, et un angle de fuite constant, compris entre 45 et 80°,
l'angle d'attaque d'une pale de brassage mécanique étant défini comme l'angle entre un premier plan, perpendiculaire à l'axe longitudinal principal de la partie centrale et passant par un point du bord arrière de la pale de brassage mécanique, et un deuxième plan, tangent à la surface supérieure de la pale de brassage mécanique audit point du bord arrière,
et l'angle de fuite d'une pale de brassage mécanique étant défini comme l'angle entre un troisième plan, perpendiculaire à l'axe longitudinal principal de la partie centrale et passant par un point du bord avant de la pale de brassage mécanique, et un quatrième plan, tangent à la surface supérieure de la pale de brassage mécanique audit point du bord avant.
Grâce à l'invention, il peut être possible de fournir une solution d'homogénéisation de la concentration en impuretés d'au moins un métal en fusion, notamment le silicium comprenant au moins une impureté, afin d'accélérer la vitesse de réalisation d'un procédé de solidification dirigée, en particulier pour la purification par ségrégation. Par « impureté », on entend un élément ayant une capacité à ségréger, c'est-à-dire ayant un coefficient de partage inférieur à 1 dans le bassin de métal en fusion. Par exemple, l'impureté peut être une impureté métallique avec un faible coefficient de partage, comme l'aluminium, le fer ou le cuivre, ou bien un dopant tel que le bore ou le phosphore. L'action de brassage peut avantageusement être réalisée directement à l'interface liquide/solide du bain de métal en fusion. En outre, cette action de brassage n'a pas ou peu d'impact sur la surface du bain. Par ailleurs, le dispositif de brassage selon l'invention est avantageusement compatible avec tout procédé de purification par ségrégation du silicium, car il présente une bonne résistance à l'infiltration du silicium et aux températures élevées afin d'assurer une possible réutilisation. Enfin, le dispositif de brassage selon l'invention n'implique pas ou peu de contamination.
Le dispositif de brassage selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Conformément à l'invention, le dispositif de brassage est adapté pour son utilisation au cours d'un procédé de solidification dirigée, notamment pour un procédé métallurgique de purification par ségrégation d'un métal en fusion.
De façon avantageuse, les valeurs choisies des angles d'attaque et de fuite permettent de générer un écoulement axial orienté vers le front de solidification lors du procédé métallurgique de purification par ségrégation dudit au moins un métal en fusion de sorte à favoriser le transport des impuretés. De plus, le fait d'avoir un angle d'attaque de valeur faible et un angle de fuite de valeur élevée peut permettre de favoriser un brassage important dudit au moins un métal en fusion, même à faible vitesse de rotation du dispositif de brassage.
De façon privilégiée, les pales de brassage mécaniques sont à base de graphite, de silice, de quartz, d'alumine, de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium. Le choix du graphite comme matériau pour la réalisation des pales de brassage mécanique peut permettre d'obtenir une bonne résistance à l'infiltration du silicium et une bonne tenue en température.
Par ailleurs, l'angle d'attaque de chaque pale de brassage peut tout particulièrement être sensiblement égal à 10°. De même, l'angle de fuite de chaque pale de brassage peut tout particulièrement être sensiblement égal à 65°.
De plus, le rapport entre la plus grande dimension transversale de la partie centrale, notamment le diamètre de la partie centrale, et la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique, comprenant la partie centrale et les pales de brassage mécanique, notamment le diamètre des moyens de brassage mécanique, peut être compris entre 0,1 et 0,3. Ainsi, de façon avantageuse, la plus grande dimension transversale de la partie centrale est fonction de la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique de sorte à pouvoir assurer la résistance mécanique du dispositif de brassage.
En outre, le rapport entre la largeur de chaque pale de brassage mécanique, correspondant à la distance horizontale entre le bord avant et le bord arrière de chaque pale, et la plus grande dimension transversale de la partie centrale, notamment le diamètre de la partie centrale, peut être compris entre 1 et 2.
Autrement dit, la largeur d'une pale de brassage mécanique est avantageusement limitée à deux fois la plus grande dimension transversale de la partie centrale afin d'éviter l'accumulation de contraintes sur la jonction entre la pale et la partie centrale.
De plus, le rapport a4, défini comme ci-après, peut être compris entre 0,7 et 0,95, et préférentiellement compris entre 0,85 et 0,90 : a4 = (H - Hp) / H, où : H représente la hauteur du bain liquide dudit au moins un métal en fusion, définie selon l'axe longitudinal principal de la partie centrale ; et Hp représente la hauteur de chaque pale de brassage mécanique, définie selon l'axe longitudinal principal de la partie centrale.
La surface supérieure de chaque pale de brassage mécanique peut être constituée par la réunion d'une pluralité de plans de raccordement. En variante, la surface supérieure de chaque pale de brassage mécanique peut présenter un profil continu.
Par ailleurs, l'épaisseur de chaque pale de brassage mécanique peut être comprise entre 3 et 8 mm, et notamment supérieure ou égale à 6 mm. Un tel choix de valeurs de l'épaisseur de chaque pale de brassage mécanique peut avantageusement permettre d'améliorer la résistance mécanique et de faciliter l'usinage des pales.
De plus, le rapport entre le chiffre 1 et le nombre optimal de pales de brassage mécanique peut être compris entre 0,1 et 0,5. De manière avantageuse, le nombre de pales de brassage mécanique est défini de manière à ce que le débit généré par le dispositif de brassage soit suffisant pour une vitesse de rotation limitée. Le nombre de pales de brassage mécanique est également avantageusement déterminé de sorte à pouvoir raccorder toutes les pales à la partie centrale, avec une largeur de raccordement suffisante pour garantir la résistance mécanique.
En outre, le rapport a5, défini comme ci-après, peut être compris entre 0,5 et 1 : α5 = (π x Da) / (nmax x Lp), où : Da représente la plus grande dimension transversale de la partie centrale, notamment le diamètre de la partie centrale ; nmax représente le nombre maximum de pales de brassage mécanique ; et Lp représente la largeur de chaque pale de brassage mécanique, correspondant à la distance entre le bord avant et le bord arrière de chaque pale.
L'invention a par ailleurs encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble, caractérisé en ce qu'il comporte :
- une enceinte comportant un bain liquide d'au moins un métal en fusion,
- un dispositif de brassage mécanique tel que défini précédemment, pour le brassage dudit au moins un métal en fusion de l'enceinte.
Ledit au moins un métal en fusion peut être préférentiellement du silicium.
De façon avantageuse, la hauteur des pales de brassage mécanique est minimale de sorte à pouvoir optimiser le rendement de matière. Par exemple, pour un brassage d'un bain de silicium de taille G5 (840 x 840 mm de fond), avec une hauteur H du bain liquide égale à 27 cm, une hauteur Hp de pale de brassage mécanique inférieure à 4 cm peut permettre d'obtenir un brassage efficace sur 85 % de la hauteur du bain liquide.
En outre, le rapport entre la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique, comprenant la partie centrale et les pales de brassage mécanique, notamment le diamètre des moyens de brassage mécanique, et la plus grande dimension transversale, notamment la largeur, de l'enceinte comprenant le bain liquide dudit au moins un métal en fusion, peut être compris entre 0,1 et 0,5.
De façon avantageuse, ce choix de valeurs constitue un bon compromis entre l'efficacité du brassage et le coût de fabrication du dispositif de brassage selon l'invention. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de conception d'un dispositif de brassage mécanique tel que défini précédemment, pour sa mise en œuvre au cours d'un procédé de solidification dirigée d'au moins un métal en fusion contenu dans un bain liquide d'une enceinte, caractérisé en ce que, pour obtenir un écoulement axial, il comporte l'étape (al) consistant à choisir un angle d'attaque constant, compris entre 5 et 20°, et un angle de fuite constant, compris entre 45 et 80°, pour chaque pale de brassage mécanique.
Le procédé peut tout particulièrement comporter les étapes successives suivantes :
- (a2) détermination de la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique, notamment le diamètre, à partir de la valeur de la plus grande dimension transversale, notamment la largeur, de l'enceinte et d'un choix de valeur du rapport, compris entre 0,1 et 0,5, entre la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique et la plus grande dimension transversale de l'enceinte,
- (a3) détermination de la plus grande dimension transversale de la partie centrale, notamment le diamètre, à partir de la valeur de la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique et d'un choix de valeur du rapport, compris entre 0,1 et 0,3, entre la plus grande dimension transversale de la partie centrale et la plus grande dimension transversale des moyens de brassage mécanique,
- (a4) détermination de la largeur de chaque pale de brassage mécanique à partir de la valeur de la plus grande dimension transversale de la partie centrale et d'un choix de valeur du rapport, compris entre 1 et 2, entre la largeur de chaque pale de brassage mécanique et la plus grande dimension transversale de la partie centrale,
- (a5) détermination de la hauteur de chaque pale de brassage mécanique, définie selon l'axe longitudinal principal de la partie centrale, à partir de la valeur de la hauteur du bain liquide dudit au moins un métal en fusion, définie selon l'axe longitudinal principal de la partie centrale, et d'un choix de valeur du rapport défini par a4 = (H - Hp) / H, compris entre 0,7 et 0,95, préférentiellement compris entre 0,85 et 0,90, - (a6) détermination du nombre optimal de pales de brassage mécanique à partir d'un choix de valeur du rapport, compris entre 0,1 et 0,5, entre le chiffre 1 et le nombre optimal de pales de brassage mécanique,
- (a7) détermination du nombre de plans de raccordement formant la surface supérieure de chaque pale de brassage mécanique ou choix d'un profil continu de la surface supérieure de chaque pale de brassage mécanique,
- (a8) choix de l'épaisseur de chaque pale de brassage mécanique, comprise entre 3 et 8 mm, et notamment supérieure ou égale à 6 mm.
Le dispositif de brassage, l'ensemble et le procédé de conception du dispositif de brassage selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente, en coupe, un exemple d'ensemble comprenant une enceinte d'un bain de silicium en fusion et un dispositif de brassage du silicium liquide conforme à l'invention, pourvu de pales de brassage mécanique immergées dans ce bain,
- les figures 2A, 2B et 2C représentent, respectivement selon une vue en perspective, une vue de dessus et une vue latérale, un exemple de dispositif de brassage conforme à l'invention comprenant des pales de brassage mécanique à deux plans de raccordement,
- les figures 3A, 3B et 3C représentent, respectivement selon une vue en perspective, une vue de dessus et une vue latérale, un exemple de dispositif de brassage conforme à l'invention comprenant des pales de brassage mécanique à trois plans de raccordement,
- les figures 4A, 4B et 4C représentent, respectivement selon une vue en perspective, une vue de dessus et une vue latérale, un exemple de dispositif de brassage conforme à l'invention comprenant des pales de brassage mécanique avec un profil de pale continu,
- les figures 5 et 6 illustrent le champ de vitesse, respectivement pour une géométrie de pale de turbine de type Rushton et pour une géométrie de pale d'un dispositif de brassage conforme à l'invention, et
- les figures 7 et 8 illustrent l'intensité de la contrainte de frottement (contrainte pariétale) au niveau de l'interface solide/liquide, respectivement pour une géométrie de pale de turbine de type Rushton et pour une géométrie de pale d'un dispositif de brassage conforme à l'invention.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans tous les exemples décrits ci-après en référence aux figures 1 à 8, on considère que le métal en fusion destiné à être brassé par le dispositif de brassage 1 conforme à l'invention est constitué par du silicium 2, utilisé pour la fabrication de cellules photovoltaïques. De plus, le procédé métallurgique de purification par ségrégation d'impuretés du silicium 2 en fusion correspond ici au procédé de purification par solidification dirigée. Bien entendu, ces choix ne sont nullement limitatifs.
En référence à la figure 1, on a ainsi représenté, en coupe schématique, un exemple d'ensemble 10 comportant une enceinte 4, renfermant un bain de silicium 2 liquide en fusion, et un dispositif de brassage mécanique 1 selon l'invention, pour permettre le brassage du silicium 2 en fusion situé dans l'enceinte 4.
Le bain liquide de silicium 2 contenu dans l'enceinte 4 correspond au bain de liquide en fusion obtenu lors d'un procédé métallurgique de purification du silicium par solidification dirigée, avant la migration des impuretés et la solidification du silicium.
Conformément à l'invention, le dispositif de brassage 1 comporte des moyens de brassage mécanique 3 rotatifs du bain liquide de silicium 2, qui comprennent ici une partie centrale 5 sous la forme d'une tige rotative ou encore d'un arbre rotatif (sens de rotation représenté par la flèche R sur la figure 1), s'étendant sensiblement selon un axe longitudinal principal X, et des pales de brassage mécanique 3a, 3b, situées à l'extrémité distale de la tige rotative 5, totalement immergées dans le bain de silicium 2.
De façon avantageuse, les pales de brassage mécanique 3a, 3b sont à débit axial, encore appelé à écoulement axial. En effet, dans la littérature tel que par exemple dans l'article intitulé « Agitation. Mélange - Concepts théoriques de base », Michel Roustan et al, 10 juin 1999, Référence J3800, Techniques de l'Ingénieur, on distingue d'une part les brasseurs mécaniques à écoulement axial et d'autre part les brasseurs mécaniques à écoulement radial.
Les brasseurs mécaniques à débit axial sont regroupés en plusieurs catégories, comme par exemple les hélices marines, les hélices à pales inclinées et les hélices à profil mince. Les brasseurs mécaniques à débit radial comprennent quant à eux majoritairement des turbines de type Rushton et des turbines à pales inclinées.
Les deux régimes d'écoulement axial et radial se distinguent principalement par le nombre de boucles de recirculation du liquide brassé. Ainsi, comme il est représenté sur la figure 1 à l'aide des flèches F, une pale de brassage mécanique 3a ou 3b avec un régime d'écoulement axial ne génère qu'une seule boucle de recirculation dans toute l'enceinte, tandis qu'une pale de brassage mécanique avec un régime d'écoulement radial générerait deux boucles de recirculation, respectivement au-dessus et en dessous de ladite pale de brassage. De plus, il est connu que les pales de brassage à débit axial sont particulièrement efficaces pour les opérations d'homogénéisation car elles génèrent une meilleure circulation du liquide.
Les pales de brassage mécanique 3a, 3b étant à débit axial, le silicium liquide 2 quittant une pale 3a ou 3b du dispositif de brassage 1 va pouvoir directement impacter l'interface liquide/solide lors de la purification par ségrégation, cette interface constituant la zone sensible sur laquelle il faut agir.
Par ailleurs, le fait de choisir des pales de brassage mécanique 3a, 3b à débit axial peut permettre de se conformer aux contraintes liées à la purification du silicium dit « photovoltaïque », à savoir notamment une résistance à l'infiltration du silicium et une résistance aux températures élevées dans un four de purification par solidification dirigée, soit environ 1500°C.
En outre, de façon avantageuse, les pales de brassage mécanique 3a, 3b sont réalisées en un matériau capable de respecter les contraintes associées au brassage du silicium photovoltaïque, à savoir notamment en termes de pureté, de température et de facilité de fabrication. Ainsi, les pales de brassage mécanique 3a, 3b sont à base de graphite, de silice, de quartz, d'alumine, de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium, et notamment à base de graphite isomoulé pour sa bonne résistance à l'infiltration du silicium et les possibilités associées d'usinage et de tenue en température.
De plus, les formes des pales de brassage mécanique 3a, 3b sont prévues pour être simples (limitation de la variabilité des profils radialement pour faciliter l'usinage avec du graphite), et la hauteur Hp des pales 3a, 3b est choisie pour être la plus faible possible pour permettre un brassage le plus longtemps possible au cours du processus de cristallisation du silicium.
Le brasseur mécanique est translaté vers le haut en continu au cours de la solidification afin de conserver une distance typique d'environ 5 cm, arbitraire et potentiellement variable avec le front de solidification. La translation est assurée par un système mécanique, à savoir moteur et système vis-écrou.
Des essais de purification du silicium avec utilisation d'un brasseur mécanique comprenant une pale de brassage mécanique en silice de géométrie hélicoïdale, d'environ 140 mm de hauteur, à l'extrémité d'une tige rotative, ont permis de mettre en évidence plusieurs désavantages majeurs de tels choix. Ainsi, tout d'abord, l'utilisation de la silice pour la fabrication de la pale de brassage, matériau fragile vis-à-vis du cycle thermique et source de pollution du bain de silicium, la rend à usage unique, ce qui engendre un coût supplémentaire dans la mise en œuvre du procédé de purification. De plus, la hauteur de l'hélice se révèle trop importante par rapport à la hauteur du bain de silicium liquide, typiquement de l'ordre de 250 mm, ce qui réduit l'efficacité du brassage principalement en fin de procédé lorsque la hauteur de liquide est faible au regard des dimensions de la pale. Enfin, il apparaît la génération d'un écoulement non favorable au brassage du bain de silicium liquide au niveau du front de solidification, et une forte perturbation de la surface du bain.
Par ailleurs, les pales de brassage mécanique du dispositif de brassage 1 conforme à l'invention, réalisées préférentiellement en graphite afin de répondre aux contraintes inhérentes à leur utilisation dans un bain liquide de silicium 2 en fusion, doivent pouvoir satisfaire à un certain nombres de critères de conception simplifiée, notamment des contraintes géométriques, du fait notamment du caractère fragile et difficilement usinable du graphite.
Ces différents critères de conception des pales de brassage mécanique sont ci- après explicités à l'aide des exemples des figures 2A-2C, 3A-3C et 4A-4C, permettant d'illustrer différentes configurations de pales de brassage mécanique pour un dispositif de brassage 1 conforme à l'invention.
Plus précisément, les figures 2A, 2B et 2C représentent, respectivement selon une vue en perspective, une vue de dessus et une vue latérale, un exemple de dispositif de brassage 1 selon l'invention comprenant des pales de brassage mécanique à deux plans de raccordement Ω1 et Ω2. Les figures 3A, 3B et 3C représentent, respectivement selon une vue en perspective, une vue de dessus et une vue latérale, un exemple de dispositif de brassage 1 selon l'invention comprenant des pales de brassage mécanique à trois plans de raccordement Ω1, Ω2 et Ω3. Enfin, les figures 4A, 4B et 4C représentent, respectivement selon une vue en perspective, une vue de dessus et une vue latérale, un exemple de dispositif de brassage 1 selon l'invention comprenant des pales de brassage mécanique avec un profil de pale continu Ω.
Dans ces trois exemples des figures 2A-2C, 3A-3C et 4A-4C, chaque dispositif de brassage 1 comporte trois pales de brassage 3a, 3b et 3c raccordées à une tige (ou arbre) centrale rotative 5, ce choix étant bien sûr nullement limitatif.
Comme pour l'exemple de la figure 1, les pales de brassage mécanique 3a, 3b et 3c sont à débit axial, et sont avantageusement réalisées en graphite pour les raisons évoquées précédemment.
Conformément à l'invention, et comme on peut le voir notamment sur les figures 2A, 3A et 4A, les trois pales de brassage mécanique 3a, 3b, 3c comprennent chacune une surface inférieure S2, orientée vers le bain liquide de silicium 2 en fusion avant immersion des pales, et une surface supérieure SI, opposée à la surface inférieure S2. De plus, les trois pales de brassage mécanique 3a, 3b, 3c sont chacune raccordées à la tige rotative 5 par le biais d'un bord proximal BP, opposé à leur bord distal BD.
Le bord proximal BP et le bord distal BD de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c sont reliés l'un à l'autre par le biais d'un bord avant BAV et d'un bord arrière BAR. Ces derniers sont définis pa r rapport a u sens de rotation R des moyens de brassage mécanique 3, de sorte que le bord ava nt BAV entre en premier au contact du liquide par rapport au bord arrière BAR, lors de la translation selon l'axe X en direction de la surface du bain. Ainsi, les bords avant BAV, arrière BAR, proximal BP et distal BD délimitent ensemble la surface supérieure SI de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c.
Par ailleurs, de façon avantageuse, comme indiqué auparavant, les trois pales de brassage mécanique 3a, 3b, 3c sont à débit axial. En particulier, chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c présente un angle d'attaque Qa constant, com pris entre 5 et 20°, et en particulier choisi pour être sensiblement égal à 10°, et un angle de fuite θί constant, compris entre 45 et 80°, et en particulier choisi pour être sensiblement égal à 65°.
De façon avantageuse, les valeurs choisies des a ngles d'attaque Qa et de fuite θί permettent de générer un écoulement axial orienté vers le front de solidification lors du procédé métallurgique de purification par ségrégation du silicium 2 de sorte à favoriser le transport des impuretés. De plus, le fait d'avoir un angle d'attaque Qa de valeur faible et un angle de fuite θί de valeur élevée peut permettre de favoriser un brassage important du silicium 2, même lorsque la vitesse de rotation selon R est faible.
Comme il apparaît sur les figures 2C, 3C et 4C, l'angle d'attaque Qa d'une pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c est défini comme l'angle entre un premier plan PI, perpendiculaire à l'axe longitudinal principal X de la tige rotative 5 et passant par un point Tl du bord arrière BAR de la pale de brassage méca nique 3a, 3b, 3c, et un deuxième plan P2, tangent à la surface supérieure SI de la pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c audit point Tl du bord arrière BAR. Par ailleurs, l'angle de fuite θί d'une pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c est quant à lui défini comme l'angle entre un troisième plan P3, perpendiculaire à l'axe longitudinal principal X de la tige rotative 5 et passant par un point T2 du bord avant BAV de la pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, et un quatrième plan P4, tangent à la surface supérieure SI de la pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c audit point T2 du bord avant BAV.
Ainsi, dans l'exemple de la figure 2C, le deuxième plan P2 est le plan comprenant le plan de raccordement Ω1, et le quatrième plan P4 est le plan comprenant le plan de raccordement Ω2. De même, dans l'exemple de la figure 3C, le deuxième plan P2 est le plan comprenant le plan de raccordement Ω1, et le quatrième plan P4 est le plan comprenant le plan de raccordement Ω3. Dans l'exemple de la figure 4C, les deuxième P2 et quatrième P4 plans sont tangents à la surface supérieure SI correspondant au profil continu Ω.
Par ailleurs, le dispositif de brassage 1, et en particulier les trois pales de brassage 3a, 3b, 3c, ainsi que l'ensemble 10 comprenant le dispositif de brassage 1 et l'enceinte 4 contenant le bain liquide de silicium 2, sont avantageusement caractérisés par un certains nombres de paramètres afin de respecter les diverses contraintes évoquées auparavant.
Ces différents paramètres de conception d'un dispositif de brassage 1 conforme à l'invention sont énumérés dans le tableau 1 ci-après, indiquant les valeurs souhaitées pour chacun d'eux.
Paramètre du dispositif de brassage (1) Paramètre normalisé Gamme de valeurs souhaitable angle d'attaque (6a) / 5° - 20° angle de fuite (6f) / 15° - 80° nombre de plans de raccordement (Ω1-Ω3) / > 2
épaisseur de pale (e) / 3 - 8 mm diamètre (D) des moyens de brassage (3) al = D/L 0,1 - 0,5
diamètre (Da) de partie centrale (5) a2 = Da/D 0,1 - 0,3
largeur de pale (Lp) a3 = Lp/Da 1 - 2 hauteur de pale (Hp) ct4 = (H-Hp) / H 0,7 - 0,95 nombre de pales optimal (n*) al = 1/n* 0,1 - 0,5
nombre de pales maximum (nmax) a5 = (π χ Da) / (nmax x Lp) 0,5 - 1
Tableau 1
Ainsi, comme par exemple représenté sur la figure 2C, le rapport a2 entre le diamètre Da de la tige rotative 5 et le diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 est compris entre 0,1 et 0,3. De façon avantageuse, le diamètre Da de la tige rotative 5 est ainsi fonction du diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 de sorte à pouvoir assurer la résistance mécanique du dispositif de brassage 1.
De plus, comme par exemple représenté sur les figures 2C, 3C et 4C, le rapport a3 entre la largeur Lp de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, distance entre le bord avant BAV et le bord arrière BAR de chaque pale, et le diamètre Da de la tige rotative 5 est compris entre 1 et 2. Ainsi, la largeur Lp d'une pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c est avantageusement limitée à deux fois le diamètre Da de la tige rotative 5 afin d'éviter l'accumulation de contraintes sur la jonction entre la pale et la tige rotative 5.
En outre, le rapport al entre le chiffre 1 et le nombre optimal n* de pales de brassage mécanique 3a, 3b, 3c est compris entre 0,1 et 0,5.
Le rapport α5 = (τι x Da) / (nmax x Lp) est compris entre 0,5 et 1, nmax représentant le nombre maximum de pales de brassage mécanique 3a, 3b, 3c.
Par ailleurs, comme représenté à l'aide de la figure 1 décrite précédemment et des figures 2C, 3C et 4C, le rapport a4 = (H - Hp) / H est compris entre 0,7 et 0,95, H représentant la hauteur du bain liquide de silicium 2 en fusion, définie selon l'axe longitudinal principal X de la tige rotative 5, et Hp représentant la hauteur de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, définie selon l'axe longitudinal principal X de la tige rotative 5.
Enfin, le rapport al entre le diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 et la largeur L de l'enceinte 4 est compris entre 0,1 et 0,5, afin d'obtenir un bon compromis entre l'efficacité du brassage et le coût de fabrication du dispositif de brassage 1 selon l'invention.
Par ailleurs, pour tous les exemples de réalisation décrits, l'épaisseur de matière e (visible sur les figures 2C, 3C et 4C) des pales de brassage mécanique 3a, 3b et 3c est notamment comprise entre 3 et 8 mm, et préférentiellement au moins égale à 6 mm, de sorte à pouvoir garantir la tenue mécanique de chaque pale.
On va maintenant expliciter différentes étapes du procédé de conception d'un dispositif de brassage 1 conforme à l'invention, reflétant une démarche de conception du dispositif de brassage 1 visant à répondre aux diverses contraintes énoncées précédemment, et notamment liées à l'utilisation du graphite comme matériau pour la réalisation des pales de brassage 3a, 3b, 3c.
Ainsi, dans une première étape al, il peut être possible de choisir l'angle d'attaque Qa constant, et compris entre 5 et 20°, et l'angle de fuite θί constant, et compris entre 45 et 80°, pour chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c. De cette façon, il peut être possible d'obtenir un écoulement axial.
Puis, au cours d'une deuxième étape a2, on détermine le diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 à partir de la valeur de la largeur L de l'enceinte 4 et d'un choix de valeur du rapport al, compris entre 0,1 et 0,5, entre le diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 et la largeur L de l'enceinte 4.
Le choix de valeur du rapport al peut notamment se faire en fonction du coût de matière et de l'efficacité de brassage souhaitée.
Ensuite, au cours d'une troisième étape a3, on détermine le diamètre Da de la tige rotative 5 pour définir la résistance mécanique de la tige rotative 5. Cette détermination se fait à partir de la valeur du diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 et d'un choix de valeur du rapport a2, compris entre 0,1 et 0,3, entre le diamètre Da de la tige rotative 5 et le diamètre D des moyens de brassage mécanique 3. Au cours d'une quatrième étape a4, on détermine alors la largeur Lp de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c à partir de la valeur du diamètre Da de la tige rotative 5 et d'un choix de valeur du rapport a3, compris entre 1 et 2, entre la largeur Lp de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c et le diamètre Da de la tige rotative 5.
La cinquième étape a5 permet quant à elle de déterminer la hauteur Hp de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, définie selon l'axe longitudinal principal X de la tige rotative 5, à partir de la valeur de la hauteur H du bain liquide de silicium 2, définie également selon l'axe longitudinal principal X de la tige rotative 5, et d'un choix de valeur du rapport a4 = (H - Hp) / H, compris entre 0,7 et 0,95.
La sixième étape a6 permet alors de déterminer le nombre n de pales de brassage mécanique. Afin de garantir un débit suffisant à faible vitesse de rotation, le nombre optimal n* de pales est défini en fonction du diamètre D des moyens de brassage mécanique 3 et de la largeur L (voir figure 1) de l'enceinte 4. Ainsi, n* = L/D = 1/al, où al est compris entre 0,1 et 0,5.
Toutefois, il faut pouvoir assurer une largeur de raccordement Lr (voir figure 2B) suffisante entre chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c et la tige rotative 5. Cette largeur de raccordement Lr peut alors être ajustée par découpe en biais de la pale, comme cela est le cas pour les exemples des figures 2A-2C, 3A-3C et 4A-4C.
Ainsi, en définissant par a5 = Lr/Lp, le rapport entre la largeur de raccordement Lr et la largeur Lp de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, le nombre maximum nmax de pales est défini par la relation suivante :
nmax = (n x Da) / (α5 x Lp), où le rapport a5 est compris entre 0,5 et 1. Pour le cas où nmax serait inférieur à n*, alors il faudrait repenser la conception du dispositif de brassage 1 ou bien alors augmenter la vitesse de rotation selon R pour maintenir un débit suffisant.
Par ailleurs, au cours d'une septième étape a7, il est possible de déterminer le nombre de plans de raccordement formant la surface supérieure SI de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c. Dans le cas présent, il s'agit alors de deux plans Ω1 et Ω2 pour l'exemple des figures 2A-2C, et de trois plans Ω1, Ω2 et Ω3 pour l'exemple des figures 3A-3C. Alternativement, il est aussi possible de choisir un profil continu Ω de la surface supérieure SI de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, soit un nombre infini de plans de raccordement, comme cela est le cas pour l'exemple des figures 4A-4C.
Enfin, dans une huitième étape a8, il est possible de choisir l'épaisseur e de chaque pale de brassage mécanique 3a, 3b, 3c, celle-ci étant comprise entre 3 et 8 mm, et étant notamment supérieure ou égale à 6 mm.
Exemple
On va maintenant décrire ci-après un exemple précis de conception et de réalisation d'un dispositif de brassage 1 conforme à l'invention, adapté pour un brassage avec un creuset de taille G2 présentant une largeur L = 380 mm.
La charge de silicium 2 introduite peut atteindre 90 kg, ce qui donne ainsi une hauteur H de silicium liquide égale à 240 mm.
En reprenant les étapes du procédé de conception décrites précédemment, on peut alors définir la géométrie du dispositif de brassage 1.
Etape al : angles d'attaque 6a et de fuite 6f
Afin de générer un écoulement axial vers le front de solidification, on impose un angle d'attaque Qa = 10° et un angle de fuite θί = 65°.
Etape a2 : diamètre D des moyens de brassage mécanique 3
On choisit ici un diamètre D = L/3, afin de garantir une action efficace du dispositif de brassage 1 sur l'ensemble du front de solidification. Ainsi, D = 130 mm, soit al = 1/3.
Etape a3 : diamètre Da de la partie centrale 5
Pour des raisons de résistance mécanique, il est nécessaire de dimensionner la partie centrale 5 en fonction du diamètre D. On a ici retenu un coefficient a2 = 0,23, ce qui conduit à un diamètre Da = 30 mm.
Etape a4 : largeur Lp de pale
Pour des raisons de résistance mécanique, la largeur Lp doit être limitée en fonction du diamètre Da de la partie centrale 5. On choisit ici un coefficient a3 = 1,4, ce qui donne Lp = 42 mm.
Etape a5 : hauteur H p de pale Il a été ciblé un brassage efficace sur a4 = 85 % de la hauteur du bain liquide de silicium 2, ce qui conduit alors à une hauteur de pale Hp = 35 mm.
Etape a6 : nombre n de pales
Ici, le nombre optimal n* de pales est égal à 3. Afin d'assurer la résistance mécanique des pales, on choisit un coefficient a5 = 0,5 entre la largeur Lr de raccordement à la partie centrale 5 et la largeur Lp de pale. On obtient alors un nombre maximum de pales nmax = 4. On choisit alors de réaliser un dispositif de brassage 1 à trois pales 3a, 3b et 3c.
Etape a7 : nombre de plans de raccordement
Afin de limiter le coût d'usinage des pales en graphite, on peut se limiter à un profil de pale comprenant trois plans de raccordement Ω1, Ω2 et Ω3.
Etape a8 : épaisseur e des pales
On choisit une épaisseur e des pales égale à 6 mm, afin de garantir leur résistance.
Ainsi, le dispositif de brassage 1 obtenu est semblable à celui représenté aux figures 3A, 3B et 3C.
Les différents paramètres de conception obtenus pour ce dispositif de brassage 1 conforme à l'invention sont énumérés dans le tableau 2 ci-après.
Tableau 2
Partant de ce dispositif de brassage 1 conforme à l'invention, une étude numérique a été menée pour montrer l'efficacité du dispositif de brassage 1 vis-à-vis de la ségrégation d'impuretés représentée par la contrainte pariétale à l'interface, comme décrit dans la demande internationale WO 2013/105060 Al.
Cette étude compare le comportement du dispositif de brassage 1 de cet exemple de réalisation à celui d'une turbine à débit radial de type Rushton. La turbine Rushton s'apparente à un agitateur à débit radial, plutôt destiné aux opérations d'extraction et de dispersion. En effet, ce type d'agitateur n'induit pas de forte circulation du fluide mais génère une turbulence importante.
Les figures 5 et 6 illustrent le champ de vitesse calculé dans un plan vertical, respectivement pour la géométrie de pale d'une turbine de type Rushton et pour la géométrie de pale du dispositif de brassage 1 conforme à l'invention.
On constate alors que les deux topologies de champ de vitesse sont cohérentes, puisque la turbine de type Rushton produit un flux majoritairement radial qui vient impacter les parois du creuset, donnant lieu à des recirculations (une en partie basse et une en partie haute), tandis que le dispositif de brassage 1 selon l'invention induit un jet axial qui vient directement impacter l'interface solide/liquide.
Par ailleurs, les figures 7 et 8 illustrent l'intensité de la contrainte de frottement (contrainte pariétale) au niveau de l'interface solide/liquide, respectivement pour la géométrie de pale d'une turbine de type Rushton et pour la géométrie de pale du dispositif de brassage 1 conforme à l'invention.
On constate que le dispositif de brassage 1 selon l'invention induit une contrainte sensiblement plus forte que la turbine de type Rushton. De plus, la répartition de contrainte varie avec la géométrie de l'agitateur. Pour la turbine de type Rushton, la zone située sous les pales présente une contrainte élevée qui décroît rapidement vers les parois du creuset. Pour le dispositif de brassage 1 selon l'invention à débit axial, la zone de forte contrainte est plus étendue. Ainsi, pour une même vitesse de rotation, l'agitateur à débit axial que forme le dispositif de brassage 1 selon l'invention produit un écoulement plus intense au voisinage du front de solidification, ce qui est favorable au transport des impuretés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.
De façon avantageuse, le dispositif de brassage 1 selon l'invention peut permettre d'assurer un brassage efficace d'un bain liquide de métal en fusion, notamment du silicium, de taille au moins G2 (environ 380 x 380 mm de fond), voire de taille G5 (environ 840 x 840 mm de fond) ou de taille G6 (environ 990 x 990 mm de fond).
En particulier, des essais comparatifs réalisés avec un dispositif de brassage 1 adapté à un creuset de taille G2 et installé dans un four à cristallisation pour la solidification dirigée, avec une charge de 60 kg en silicium, avec et sans brassage mécanique, ont permis de mettre en évidence l'efficacité du dispositif de brassage 1 sur la capacité des impuretés à ségréger. Le résultat avec brassage du bain liquide a en effet révélé l'amélioration des conditions de ségrégation des impuretés, tandis que les résultats obtenus sans brassage montrent des zones de forte contamination sur une plus grande proportion du lingot résultant.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de brassage mécanique d'au moins un métal (2) en fusion pour un procédé de solidification dirigée d'au moins un métal (2) en fusion, comportant des moyens de brassage mécanique (3) rotatifs selon un sens de rotation (R) d'un bain liquide dudit au moins un métal (2) en fusion, lesdits moyens de brassage mécanique (3) comportant :
- une partie centrale (5) rotative s'étendant sensiblement selon un axe longitudinal principal (X),
- une plura lité de pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), raccordées à la partie centrale (5),
lesdites pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) comprenant une surface inférieure (S2), destinée à faire face au bain liquide dudit au moins un métal (2) en fusion avant immersion, et une surface supérieure (SI), opposée à la surface inférieure (S2), lesdites pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) étant chacune raccordées à la partie centrale (5) par le biais d'un bord proximal (BP), opposé à leur bord distal (BD), le bord proximal (BP) et le bord distal (BD) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) étant reliés l'un à l'autre pa r le biais d'un bord avant (BAV) et d'un bord a rrière (BAR), définis pa r ra pport au sens de rotation (R) des moyens de brassage mécanique (3), lesdits bords avant (BAV), arrière (BAR), proximal (BP) et distal (BD) délimitant ensemble la surface supérieure (SI) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c),
ca ractérisé en ce que lesdites pa les de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) sont à débit axial, chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) présentant un angle d'attaque (Qa) constant, compris entre 5 et 20°, et un angle de fuite (θί) constant, compris entre 45 et 80°,
l'angle d'attaque (Qa) d'une pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) étant défini comme l'angle entre un premier plan (PI), perpendiculaire à l'axe longitudinal principal (X) de la partie centrale (5) et passant par un point (Tl) du bord arrière (BAR) de la pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), et un deuxième plan (P2), tangent à la surface supérieure (SI) de la pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) audit point (Tl) du bord arrière (BAR),
et l'angle de fuite (θί) d'une pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) étant défini comme l'angle entre un troisième pla n (P3), perpendiculaire à l'axe longitudinal principal (X) de la partie centrale (5) et passant par un point (T2) du bord avant (BAV) de la pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), et un quatrième plan (P4), tangent à la surface supérieure (SI) de la pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) audit point (T2) du bord avant (BAV), et en ce que le rapport (a4), défini comme ci-après, est compris entre 0,7 et 0,95 :
a4 = (H - Hp) / H,
où :
H représente la hauteur du bain liquide dudit au moins un métal (2) en fusion, définie selon l'axe longitudinal principal (X) de la partie centrale (5), et
Hp représente la hauteur de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), définie selon l'axe longitudinal principal (X) de la partie centrale (5).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales de brassage mécaniques (3a, 3b, 3c) sont à base de graphite, de silice, de quartz, d'alumine, de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle d'attaque (Qa) de chaque pale de brassage (3a, 3b, 3c) est sensiblement égal à 10° et en ce que l'angle de fuite (θί) de chaque pale de brassage (3a, 3b, 3c) est sensiblement égal à 65°.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (a2) entre la plus grande dimension transversale (Da) de la pa rtie centrale (5), notamment le diamètre (Da) de la partie centrale (5), et la plus grande dimension transversale (D) des moyens de brassage mécanique (3), comprenant la partie centrale (5) et les pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), notamment le diamètre (D) des moyens de brassage mécanique (3), est compris entre 0,1 et 0,3.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (a3) entre la largeur (Lp) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), correspondant à la distance entre le bord avant (BAV) et le bord arrière (BAR) de chaque pale, et la plus grande dimension transversale (Da) de la partie centrale (5), notamment le diamètre (Da) de la partie centrale (5), est compris entre 1 et 2.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface supérieure (SI) de chaque pale de brassage mécanique
(3a, 3b, 3c) est constituée par la réunion d'une pluralité de plans de raccordement (Ω1, Ω2, Ω3).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface supérieure (SI) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) présente un profil continu.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) est comprise entre 3 et 8 mm, et notamment supérieure ou égale à 6 mm.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (al) entre le chiffre 1 et le nombre optimal (n*) de pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) est compris entre 0,1 et 0,5.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (a5), défini comme ci-après, est compris entre 0,5 et 1 :
où : Da représente la plus grande dimension transversale de la partie centrale (5), notamment le diamètre de la partie centrale (5),
nmax représente le nombre maximum de pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), et Lp représente la largeur de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), correspondant à la distance entre le bord avant (BAV) et le bord arrière (BAR) de chaque pale.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit rapport (a4) est compris entre 0,85 et 0,90.
12. Ensemble (10), caractérisé en ce qu'il comporte :
- une enceinte (4) comportant un bain liquide d'au moins un métal (2) en fusion,
- un dispositif (1) de brassage mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour le brassage dudit au moins un métal (2) en fusion de l'enceinte (4).
13. Ensemble selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit au moins un métal (2) en fusion est du silicium.
14. Ensemble selon l'une des revendications 12 à 13, caractérisé en ce que le rapport (al) entre la plus grande dimension transversale (D) des moyens de brassage mécanique (3), comprenant la partie centrale (5) et les pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), notamment le diamètre (D) des moyens de brassage mécanique (3), et la plus grande dimension transversale (L), notamment la largeur (L), de l'enceinte (4) comprenant le bain liquide dudit au moins un métal en fusion (2), est compris entre 0,1 et 0,5.
15. Procédé de conception d'un dispositif (1) de brassage mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, pour sa mise en œuvre au cours d'un procédé de solidification dirigée d'au moins un métal (2) en fusion contenu dans un bain liquide d'une enceinte (4), caractérisé en ce que, pour obtenir un écoulement axial, il comporte l'étape (al) consistant à choisir un angle d'attaque (Qa) constant, compris entre 5 et 20°, et un angle de fuite (θί) constant, compris entre 45 et 80°, pour chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c).
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes :
- (a2) détermination de la plus grande dimension transversale (D) des moyens de brassage mécanique (3), notamment le diamètre (D), à partir de la valeur de la plus grande dimension transversale (L), notamment la largeur (L), de l'enceinte (4) et d'un choix de valeur du rapport (al), compris entre 0,1 et 0,5, entre la plus grande dimension transversale (D) des moyens de brassage mécanique (3) et la plus grande dimension transversale (L) de l'enceinte (4),
- (a3) détermination de la plus grande dimension transversale (Da) de la partie centrale (5), notamment le diamètre (Da), à partir de la valeur de la plus grande dimension transversale (D) des moyens de brassage mécanique (3) et d'un choix de valeur du rapport (a2), compris entre 0,1 et 0,3, entre la plus grande dimension transversale (Da) de la partie centrale (5) et la plus grande dimension transversale (D) des moyens de brassage mécanique (3),
- (a4) détermination de la largeur (Lp) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) à pa rtir de la valeur de la plus grande dimension transversale (Da) de la partie centrale (5) et d'un choix de valeur du rapport (a3), compris entre 1 et 2, entre la largeur (Lp) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) et la plus grande dimension transversale (Da) de la partie centrale (5),
- (a5) détermination de la hauteur (Hp) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), définie selon l'axe longitudinal principal (X) de la partie centrale (5), à partir de la valeur de la hauteur (H) du bain liquide dudit au moins un métal (2) en fusion, définie selon l'axe longitudinal principal (X) de la partie centrale (5), et d'un choix de valeur du rapport (a4), défini par a4 = (H - Hp) / H, compris entre 0,7 et 0,95, préférentiellement compris entre 0,85 et 0,90,
- (a6) détermination du nombre optimal (n*) de pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) à partir d'un choix de valeur du rapport (al), compris entre 0,1 et 0,5, entre le chiffre 1 et le nombre optimal (n*) de pales de brassage mécanique (3a, 3b, 3c),
- (a7) détermination du nombre de plans de raccordement (Ω1, Ω2, Ω3) formant la surface supérieure (SI) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c) ou choix d'un profil continu de la surface supérieure (SI) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c),
- (a8) choix de l'épaisseur (e) de chaque pale de brassage mécanique (3a, 3b, 3c), comprise entre 3 et 8 mm, et notamment supérieure ou égale à 6 mm.
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