KR20070021923A - Process and apparatus for comminuting silicon - Google Patents

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KR20070021923A KR1020060076954A KR20060076954A KR20070021923A KR 20070021923 A KR20070021923 A KR 20070021923A KR 1020060076954 A KR1020060076954 A KR 1020060076954A KR 20060076954 A KR20060076954 A KR 20060076954A KR 20070021923 A KR20070021923 A KR 20070021923A
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Abstract

본 발명은 단면이 원통형이고, 베이스에 제트 노즐(4)을 가진, 수직으로 설치된 제트 챔버(8), 상기 제트 챔버(8)에 직결된 향류 중력식 분리기(9), 및 실리콘 과립체(2) 주입용 입구(6)를 포함하고, 상기 제트 노즐을 통해 밀링 가스 스트림(1)이 상기 제트 챔버(8)에 도입될 수 있고, 상기 제트 챔버(8)는 상기 밀링 가스 스트림이 상기 제트 챔버의 단면까지 충분히 확대되는 길이를 가지며, 상기 제트 챔버(8)의 유동 단면은 상기 향류 중력식 분리기(9)의 유동 단면보다 작은 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치에 관한 것이다.The present invention is a vertically mounted jet chamber (8) having a cylindrical cross section and having a jet nozzle (4) at the base, a countercurrent gravity separator (9) directly connected to the jet chamber (8), and a silicone granule (2). An injection inlet 6, through which the mill nozzle can introduce a milling gas stream 1 into the jet chamber 8, in which the milling gas stream is connected to the jet chamber. It has a length which extends sufficiently to the cross section, and the flow cross section of the jet chamber 8 is smaller than the flow cross section of the countercurrent gravity separator 9.

실리콘 과립체, 실리콘 시드 입자, 유동층, 제트 챔버, 그레인 크기 분포, 향류 중력식 분리기 Silicone granules, silicone seed particles, fluidized bed, jet chamber, grain size distribution, countercurrent gravity separator

Description

실리콘 분쇄 방법 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR COMMINUTING SILICON}Silicon grinding method and apparatus {PROCESS AND APPARATUS FOR COMMINUTING SILICON}

도 1은 종래의 유동층 제트 밀의 구조를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing the structure of a conventional fluidized bed jet mill.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing the structure of a device according to the invention.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예를 나타내는 도면이다.3 shows a preferred embodiment of the device according to the invention.

도 1 내지 도 3에 도시된 굵은 화살표는 장치에서의 가스 유동 경로를 표시한다.The thick arrows shown in FIGS. 1-3 show the gas flow paths in the apparatus.

도 4, 도 5 및 도 6은 상기 장치의 유동 안내 및 바람직한 라이닝 개념을 설명하는 도면이다.4, 5 and 6 illustrate flow guidance and preferred lining concepts of the device.

도 7은 공급 재료 및 밀링된 제품의 질량 기준 전반적 경로 분포를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the overall path distribution by mass of feed material and milled product.

도 8은 공급 재료 및 밀링된 제품의 질량 기준 분포 밀도를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the mass-based distribution density of feed materials and milled products.

본 발명은 실리콘 과립체를 분쇄하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for grinding silicon granules.

전자 산업 또는 광기전(photovoltaics) 산업용 고순도의 실리콘 과립체를 생 산하기 위한 유동층(fluidized bed) 퇴적(deposition) 방법은 다수의 출판물에 기재되어 개시되었다. 이들 방법에서, 유동층 내의 실리콘 입자는 가스에 의해 유동화되어 고온으로 가열된다. 실리콘 함유 가스(예컨대, 실란, 테트라클로로실란 또는 트리클로로실란)를 유동층에 도입하면 입자 표면에서 열분해 반응이 일어나며, 입자 표면 상에 원소 상태의 실리콘이 퇴적되어 입자 성장으로 이어진다. 이러한 공정의 연속 가동에 있어서, 비교적 큰 "성장된" 입자는 생성물로서 유동층으로부터 추출되어야 하고, 실리콘 시드(seed) 입자라고 알려진 미세한 입자는 진행 기반(ongoing basis)으로 공급되어야 한다. 이러한 형태의 방법은, 예를 들면, 미국 특허 제3,963,838호에 기재되어 있다.Fluidized bed deposition methods for producing high purity silicon granules for the electronics or photovoltaics industry have been described in many publications. In these methods, the silicon particles in the fluidized bed are fluidized by gas and heated to high temperature. The introduction of silicon containing gas (eg silane, tetrachlorosilane or trichlorosilane) into the fluidized bed results in pyrolysis reaction at the surface of the particles, which leads to particle growth by depositing elemental silicon on the surface of the particles. In the continuous operation of this process, relatively large "grown" particles must be extracted from the fluidized bed as a product and fine particles known as silicon seed particles must be supplied on an ongoing basis. This type of method is described, for example, in US Pat. No. 3,963,838.

참고문헌에 기재된 유동층 공정에서 실리콘 시드 입자를 사용하는 데에는 몇 가지 기준이 중요하다: 실리콘 시드 입자는 제조되는 실리콘 과립도 전자 산업 및 광기전 산업의 요건에 합치될 수 있도록 높은 순도를 가져야 한다. 일반적으로 금속에 의한 오염도는 100 ppbw 미만, 바람직하게는 10 ppbw 미만이어야 하고, 도펀트인 붕소와 인에 의한 오염도는 1,000 pptw 미만, 바람직하게는 250 pptw 미만이어야 하고, 탄소에 의한 오염도는 1,000 ppbw 미만, 바람직하게는 250 ppbw 미만이어야 한다. 실리콘 시드 입자의 크기가 실리콘 과립체보다 작아야 하지만, 지나치게 작아서도 안된다. 왜냐하면, 지나치게 미세한 입자는 배기 가스 스트림(exhaust gas stream)과 함께 유동층으로부터 배출되고, 따라서 실리콘 시드 입자로 사용하기에 부적합하기 때문이다. 상기 배출에 대한 한계는 가동 조건 및 공정에 따라서 약 50 ㎛ 내지 250 ㎛ 범위이다. 실리콘 시드 입자 중 상기 한계 미 만의 미립자 분획은 실리콘의 손실 및 유동층 퇴적으로부터 배기 가스 시스템에 동반되는 분진(dust)을 초래한다. 마지막으로, 실리콘 시드 입자의 그레인 크기 분포(grain size distribution)는 유동층 퇴적의 입자 모집단 밸런스에 영향을 주며, 따라서 실리콘 과립체의 그레인 크기 분포에도 영향을 준다. 지나치게 넓지 않은 실리콘 과립체의 정상 상태(steady-state) 그레인 크기 분포를 얻기 위해서는, 실리콘 시드 입자를 정의된 좁은 그레인 크기 분포로 재현성 있게 제조할 수 있는 것이 중요하다.Several criteria are important for the use of the silicon seed particles in the fluidized bed process described in the reference: The silicon seed particles must have high purity so that the silicon granules produced can also meet the requirements of the electronics industry and the photovoltaic industry. Generally, the contamination by metals should be less than 100 ppbw, preferably less than 10 ppbw, the contamination by dopants boron and phosphorus should be less than 1,000 pptw, preferably less than 250 pptw, and the contamination by carbon less than 1,000 ppbw. , Preferably less than 250 ppbw. The size of the silicon seed particles should be smaller than the silicone granules, but not too small. This is because excessively fine particles exit the fluidized bed with an exhaust gas stream and are therefore not suitable for use as silicon seed particles. The limits for the emissions range from about 50 μm to 250 μm, depending on the operating conditions and the process. Particle fractions below this limit in the silicon seed particles result in dust accompanying the exhaust gas system from loss of silicon and fluid bed deposition. Finally, the grain size distribution of the silicon seed particles affects the particle population balance of the fluidized bed deposition and therefore also the grain size distribution of the silicone granules. In order to obtain a steady-state grain size distribution of silicone granules that are not overly wide, it is important to be able to produce silicon seed particles reproducibly with a defined narrow grain size distribution.

전술한 용도에 부가하여, 실리콘 시드 입자는 또한 광기전 산업 및 전자 산업에서의 출발 물질로서도 필요하다. 미세한 그레인의 고순도 실리콘 분말의 용도에 대한 예로는, 독일 특허공개 공보 DE 19842078A1에 기재되어 있는, 전자 디바이스용 고저항 기판 재료용 기본재로서 실리콘 카바이드 분말의 제조가 포함되며, 미국 특허 제5,496,416호에 기재되어 있는, 미세한 그레인의 실리콘 분말을 기판재 상에 용융시킨 다음 냉각 및 응고에 의해 광기전 응용에 사용되는 웨이퍼를 제조하는 것이 포함된다. 이제까지, 유동층 퇴적으로부터 또는 유동층 퇴적 생성물로부터 분급에 의해, 대응하는 그레인 크기 분포를 바로 얻는 것은 불가능하거나, 매우 어렵거나 고가인 것이 보통이었다.In addition to the aforementioned uses, silicon seed particles are also needed as starting materials in the photovoltaic industry and the electronics industry. Examples of the use of fine grain, high purity silicon powders include the production of silicon carbide powders as a base material for high resistance substrate materials for electronic devices, described in German Patent Publication No. DE 19842078A1, and is disclosed in US Pat. No. 5,496,416. Melting the fine grain silicon powder described on the substrate material and then cooling and solidifying to produce a wafer for use in photovoltaic applications. Until now, by classification from fluidized bed deposition or from fluidized bed deposition products, it has been common that it is impossible, very difficult or expensive to obtain the corresponding grain size distribution directly.

실리콘 시드 입자를 제조하는 기술은 여러 가지가 알려져 있다.Various techniques are known for producing silicon seed particles.

미국 특허 제4,207,360호에 따르면, 불활성 가스와 함께 유동화시킨 실리콘 입자는 고온 유동층(약 1,000℃)에서 용이하게 분쇄된다. 상기 공정에서, 원하는 실리콘 시드 입자가 형성된다. 상기 문헌에서는 또한, 이 유동층을 실리콘 퇴적용 유동층과 결합하여 일체와 공정을 형성하는 변형도 언급되어 있다. 두 가지 변형 방법은 모두, 유동층을 가열하는 데에 엄청난 고에너지가 소모되고, 실리콘 시드 입자의 그레인 크기 분포 및 생산속도를 제어하는 것이 매우 어렵다는 단점을 가진다.According to US Pat. No. 4,207,360, silicon particles fluidized with an inert gas are easily comminuted in a hot fluidized bed (about 1,000 ° C.). In this process, the desired silicon seed particles are formed. The document also mentions a variant in which this fluidized bed is combined with a fluidized bed for the deposition of silicon to form an integral and a process. Both variants have the drawback that tremendous high energy is consumed in heating the fluidized bed and it is very difficult to control the grain size distribution and production rate of the silicon seed particles.

미국 특허 제4,314,525호에는 실리콘 함유 가스, 특히 실란을 분해 온도 이상의 온도로 가열하는, 더욱 일체화된 방법이 기재되어 있다. 상기 방법에서, 실리콘 함유 가스는 분해되어 매우 미세한 실리콘 입자를 형성한다. 이러한 균질 증착 공정중에 형성된 입자들은 핵(nuclei)이라 지칭되며, 실리콘 시드 입자로서 사용될 수 있다. 한 가지 단점은 핵의 크기가 나노미터 수준이며, 심지어 응집 효과로 생성할 수 있는 실리콘 시드 입자 크기가 수 마이크로미터에 불과하다. 그러한 입자를, 전형적으로 그레인 크기가 50 ㎛인 실리콘 과립체의 제조를 위해 유동층에서의 실리콘 시드 입자로 사용하는 것은 이러한 미세한 실리콘 시드 입자의 많은 부분이 반응기로부터 가스 스트림과 함께 배출되는 결과를 초래한다. 이를 방지하기 위해서는 추가적 설비가 필요하다.U.S. Patent No. 4,314,525 describes a more integrated method of heating a silicon containing gas, in particular silane, above a decomposition temperature. In this method, the silicon containing gas decomposes to form very fine silicon particles. Particles formed during this homogeneous deposition process are called nuclei and can be used as silicon seed particles. One drawback is that the nucleus is nanometer in size, and even a few micrometers of silicon seed particles can be produced by the coagulation effect. The use of such particles as silicon seed particles in a fluidized bed for the production of silicon granules, typically having a grain size of 50 μm, results in a large portion of these fine silicon seed particles being discharged with the gas stream from the reactor. . To prevent this, additional equipment is needed.

이러한 열적-기계적 방법 또는 화학적 방법에 더하여, 실리콘 시드 입자를 제조하기 위한 순전히 기계적 분쇄 방법도 알려져 있다. 특허 문헌 JP 57-067019(신에쓰 혼다타이)의 요약서에 따르면, 실리콘 과립체를 이중 롤 분쇄기(double roll crusher)에서 분쇄한 다음 체질(sieving)에 의해 분별함으로써 실리콘 과립체로부터 실리콘 시드 입자를 얻는다. 실리콘 시드 입자가 다른 원소로 오염되는 것은 롤 표면에 실리콘 층을 제공함으로써 방지된다. 그러나 롤과 미분 되는 재료 사이에서 마주치는(pairing) 실리콘-실리콘 재료는 롤 표면의 실리콘 층에 상당한 마모를 초래하며, 결과적으로 롤을 교체해야 할 때까지의 기계 가동 시간이 짧아진다.In addition to these thermal-mechanical or chemical methods, purely mechanical grinding methods for producing silicon seed particles are also known. According to the summary of patent document JP 57-067019 (Shin-Etsu Hondatai), the silicon granules are pulverized in a double roll crusher and then fractionated by sieving to obtain silicon seed particles from the silicone granules. . Contamination of the silicon seed particles with other elements is prevented by providing a silicon layer on the roll surface. However, the silicon-silicon material pairing between the roll and the finely divided material causes significant wear on the silicon layer on the roll surface, resulting in short machine uptime until the roll needs to be replaced.

롤 마모에 관하여 현저히 향상시키는 동시에 미분되는 재료에 대한 오염 수준을 낮추는 것은, 특허 문헌 DE 102004048948에 기재된 바와 같은, 경질 금속 표면을 구비한 롤 및 변형된 형상의 롤 닙(nip)을 사용함으로써 달성된다.Significantly improved with respect to roll wear and at the same time lowering the level of contamination on the finely divided material is achieved by using rolls with hard metal surfaces and roll nips of deformed shape, as described in patent document DE 102004048948. .

특허 문헌 JP 08-109013의 요약서에는 또 다른 분쇄 방법이 기재되어 있다. 이 문헌에 따르면, 예비 분쇄된 덩어리 상태의 실리콘이 핀형 디스크밀(pinned disk mill)에서 분쇄되어 실리콘 시드 입자가 형성될 수 있다. 이 형태의 설계는 오염이 없거나 오염도가 낮은 재료로부터 제조하는 것이 거의 불가능하다는 단점을 가진다. 미분된 제품에 상당한 오염이 초래되기 쉽다. 따라서, 이 방법의 생성물을 고순도 실리콘 제조에 사용하고자 할 경우에는 미분된 제품 표면을 하류에서 습식 화학적으로 세정하는 것이 반드시 필요하다.In the summary of patent document JP 08-109013, another grinding method is described. According to this document, silicon in pre-pulverized lump state can be ground in a pinned disk mill to form silicon seed particles. This type of design has the disadvantage that it is almost impossible to manufacture from materials that are free or low pollution. Significant contamination is likely to occur in the finely divided products. Therefore, if the product of this method is to be used for the production of high purity silicon, it is essential to wet chemically clean the finely ground product surface downstream.

미국 특허 제4,691,866호에는, 인젝터 원리에 따라 가스 제트를 이용하여 실리콘 과립체를 가속시켜, 정지 상태의 장애물 상에 분사시키는 방법이 기재되어 있다. 상기 충격에 의해 입자가 분쇄되어 원하는 실리콘 시드 입자를 형성한다. 이 방법에서 오염도를 낮은 수준으로 유지하기 위해서, 장애물은 실리콘으로 만들어지는 것이 바람직하다. 그러나, 앞에서 롤 분쇄 방법과 관련하여 언급한 바와 같이, 실리콘-실리콘 재료의 마주침이 장애물에 대한 상당한 마모를 초래한다.US Pat. No. 4,691,866 describes a method of accelerating silicone granules using a gas jet to inject onto a stationary obstacle in accordance with the injector principle. The impact pulverizes the particles to form the desired silicon seed particles. In order to keep the contamination level low in this method, the obstacle is preferably made of silicon. However, as mentioned previously in connection with the roll grinding method, the encounter of silicon-silicon material results in significant wear to the obstacles.

순도가 매우 높은 재료를 분쇄하는 제트밀에 대해서는 Fokin, A.P.; Melnikov, V.D.: Grinding Mills In The Production Of Ultrapure Substances-Zhurnal Vses. Khim. Ob-va im. D. I. Mendeleeva; Vol. 33, No. 4, pp. 62.70, 1988에 기재되어 있다. 제트밀에서, 과립형 공급 재료는 고속 유체 제트에 의해 가속된다. 이러한 가속화 입자가 저속으로 입자에 충돌하면, 충격 응력이 발생되고, 그 충격 에너지에 따라 입자는 분쇄된다.For jet mills for grinding materials of very high purity, see Fokin, A.P .; Melnikov, V.D .: Grinding Mills In The Production Of Ultrapure Substances-Zhurnal Vses. Khim. Ob-va im. D. I. Mendeleeva; Vol. 33, No. 4, pp. 62.70, 1988. In a jet mill, the granular feed material is accelerated by the high velocity fluid jet. When such accelerated particles collide with the particles at low speed, impact stress is generated, and the particles are pulverized according to the impact energy.

실리콘 시드 입자를 제조하기 위한 카운터-제트밀은 Rohatgi, Naresh K.; Silicon Production in a Fluidized Bed Reactor: Final Report - JPL Publication; No. 86-17, 1980을 통해 알려져 있다. 이 방법에서, 입자는 서로 마주보는 2개의 가스 제트에 의해 가속되어, 서로를 향하여 분사됨으로써 분쇄된다. 그러나, 상기 문헌의 저자가 언급한 수율이 낮으므로 실리콘 과립체를 여러 번 미분해야 한다.Counter-jet mills for preparing silicon seed particles are disclosed in Rohatgi, Naresh K .; Silicon Production in a Fluidized Bed Reactor: Final Report-JPL Publication; No. 86-17, known through 1980. In this method, the particles are accelerated by two gas jets facing each other and pulverized by being sprayed toward each other. However, the yields mentioned by the authors of the above documents are low and the silicone granules must be finely divided several times.

미국 특허 제4,424 199호에는, 유동층 내의 실리콘 과립체 중 일부가 분쇄되어 실리콘 시드 입자를 형성하도록, 실리콘 퇴적용 유동층에서 단일 고속 가스 제트를 사용하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법의 이점은 퇴적 반응기로부터 실리콘 과립체를 꺼내어 미분하고 반송할 필요가 없다는 점이지만, 단점은 이 경우에도 생산 속도 및 얻어지는 실리콘 시드 입자의 그레인 크기 분포를 제어하기 어렵다는 점이다. 그러나, 이것은 유동층 퇴적의 제어된 작동에 대한 요건이다. 또한, 가스 제트는 유동층에서의 퇴적 공정에 악영향을 줄 수 있다. 실리콘 퇴적용 유동층 내에서 제트밀 처리한다는 아이디어는 미국 특허 제5,798,137에서 S. Lord가 개시한 것이기도 하다.US 4,424 199 describes a method of using a single high velocity gas jet in a fluidized bed for silicon deposition so that some of the silicon granules in the fluidized bed are pulverized to form silicon seed particles. The advantage of this method is that it is not necessary to take out the silicon granules from the deposition reactor, finely powder and transport them, but the disadvantage is that even in this case, it is difficult to control the production rate and the grain size distribution of the obtained silicon seed particles. However, this is a requirement for controlled operation of fluidized bed deposition. Gas jets can also adversely affect the deposition process in the fluidized bed. The idea of jet milling in a fluidized bed for silicon deposition is also disclosed by S. Lord in US Pat. No. 5,798,137.

가장 간단한 형태의 제트밀은 가스 제트가 수직 상방을 향하고 있는 유동층 제트밀이다. 이 제트밀에서, 가스 제트는 입자를 가속시키는 한편, 입자를 밀링 챔버 내에 부유 상태, 즉 유동화 상태로 유지되도록 보장한다. 이러한 형태의 밀은 가스 스트림과 함께 배출되는 입자를 분급하고 걸러지는 굵은 입자를 유동층으로 재순환시키는 분급 장치가 장착되어 있는 것이 통상적이다. 대응하는 장치가 예를 들면 미국 특허 제4,602,743호에 기재되어 있다.The simplest type of jet mill is a fluidized bed jet mill with the gas jet pointing vertically upwards. In this jet mill, the gas jet accelerates the particles while ensuring that the particles remain suspended, ie fluidized, in the milling chamber. This type of mill is typically equipped with a classifier that classifies the particles exiting the gas stream and recycles the coarse particles that are filtered to the fluidized bed. Corresponding devices are described, for example, in US Pat. No. 4,602,743.

도 1은 종래의 유동층 제트밀의 구조를 나타낸다. 이 형태의 배열에서, 밀링 가스(1) 또는 밀링 가스 스트림은 밀링 챔버(5)의 베이스에 설치되어 있는 제트 노즐(4)(간단한 노즐 또는 라발 노즐(Laval nozzle)로 표시됨)을 통해 공급된다. 공급 재료(2)는 입구(6)를 통해 측면으로부터 밀링 챔버(5)에 공급된다. 가스 제트에 의해 가속화된 입자들이 다른 입자들과 충돌하여 분쇄가 이루어지는 유동층(7)은 밀링 가스(1) 및 입자에 의해 밀링 챔버 내에 형성된다. 분쇄된 입자는 밀링 가스 스트림(1)과 함께 공통 스트림(3)으로서 상방향으로 밀링 챔버로부터 배출된다. 가스 제트는 1차적으로는 입자의 가속화 및 후속되는 분쇄에 이용된다. 그러나, 2차적으로 밀링 가스 스트림(1)은 또한 밀링 챔버 내의 분급 효과를 가져온다. 가스 제트는 국소적으로 챔버 내에 고속으로 흐르지만, 제트가 확산되고 입자와 상호작용하기 때문에, 가스 스트림은 밀링 챔버의 단면에 걸쳐 균일하게 분배된다. 입자가 밀링 챔버에서 낙하하는 속도가 밀링 챔버 내의 평균 가스 속도(밀링 챔버의 유동 단면(cross section of flow)에 대한 밀링 가스의 체적 유동)보다 낮으면, 입자는 밀링 가스 스트림(1)과 함께 밀링 챔버(5)로부터 운반되어 나간다.1 shows the structure of a conventional fluidized bed jet mill. In this form of arrangement, the milling gas 1 or the milling gas stream is fed through a jet nozzle 4 (denoted as a simple nozzle or a Laval nozzle) installed at the base of the milling chamber 5. The feed material 2 is fed to the milling chamber 5 from the side via the inlet 6. The fluidized bed 7 in which the particles accelerated by the gas jet collide with other particles and pulverize is formed in the milling chamber by the milling gas 1 and the particles. The ground particles are discharged from the milling chamber upwards as a common stream 3 together with the milling gas stream 1. Gas jets are primarily used for acceleration of the particles and subsequent grinding. Secondly, however, the milling gas stream 1 also produces a classification effect in the milling chamber. The gas jet flows locally in the chamber at high speed, but because the jet diffuses and interacts with the particles, the gas stream is distributed evenly across the cross section of the milling chamber. If the rate at which particles fall out of the milling chamber is lower than the average gas velocity in the milling chamber (volume flow of milling gas relative to the cross section of flow of the milling chamber), the particles are milled together with the milling gas stream 1. It is carried out from the chamber 5.

가스/입자 시스템, 특히 가스 분급 공정에서, 밀링 챔버에서의 낙하 속도가 예을 들어 분급 장치에서의 지배적인 평균 가스 속도에 엄밀하게 일치하는 입자 크기를 분리 그레인 크기(separation grain size)라 지칭한다. 밀링 챔버 내 입자의 낙하 속도는 그레인 크기에 직접 의존하고, 그레인 크기가 증가됨에 따라 상당히 증가되며, 예를 들면 하기 식에 의해 계산될 수 있다:In gas / particle systems, in particular gas classification processes, the particle size whose drop speed in the milling chamber closely matches, for example, the dominant average gas velocity in the classifier, is referred to as separation grain size. The rate of drop of the particles in the milling chamber depends directly on the grain size and increases significantly as the grain size increases, which can be calculated for example by the formula:

18Rews + 3Rews 1 .5 + 0.3Rews 2 - Ar = 0 18Re ws + 3Re ws 1 .5 + 0.3Re ws 2 - Ar = 0

상기 식에서In the above formula

Figure 112006058052123-PAT00001
이고,
Figure 112006058052123-PAT00001
ego,

상기 식에서,Where

uws는 밀링 챔버 내의 각 입자의 낙하 속도이고,u ws is the rate of drop of each particle in the milling chamber,

dp는 입자 직경이고,d p is the particle diameter,

ν는 유체의 운동학적 속도(kinematic velosity)이고,ν is the kinematic velosity of the fluid,

ρs, ρf는 고체 또는 유체의 밀도이고,ρ s , ρ f are the densities of solids or fluids,

g는 중력 가속도이다.g is the acceleration of gravity.

따라서, 밀링 가스 스트림 및 밀링 챔버 단면을 정의하면 분리 그레인 크기도 정의되고, 그에 따라 밀링된 생성물의 그레인 크기 분포에 대한 상한이 정의된다. 따라서, 더 큰 가스 처리량에 의해 밀링 챔버에 도입되는 에너지를 증가시키 면 분리 그레인 크기가 증가되고, 그에 따라 상한도 증가되어, 결과적으로 밀링 챔버로부터 배출되는 분쇄된 입자의 평균 그레인 크기도 증가된다. 동시에, 유동층 내의 고체 농도가 저하된다. 도입되는 에너지와 얻을 수 있는 그레인 크기는 서로 직결되어 있다.Thus, defining the milling gas stream and milling chamber cross-section also defines the separation grain size, thereby defining an upper limit on the grain size distribution of the milled product. Thus, increasing the energy introduced into the milling chamber by a larger gas throughput increases the separation grain size, thus increasing the upper limit, and consequently the average grain size of the milled particles exiting the milling chamber. At the same time, the solid concentration in the fluidized bed is lowered. The energy introduced and the grain size obtainable are directly related to each other.

분쇄는 실질적으로 실리콘 입자가 서로 충돌한 결과로서 이루어지는 것이므로, 고순도 실리콘 과립체를 분쇄하는 데에는 제트밀이 매우 적합하다. 입자들과 접촉하는 성분들의 응력의 중요성은 부차적이다. 또한, 대응 성분들은 미오염 재료 또는 저오염 재료로 라이닝되거나 또는 완전히 그러한 재료로 만들어질 수 있다. 분쇄에 필요한 에너지의 공급은 오로지 가스 제트에 의해 이루어진다. 이를 위해 고순도 가스가 사용될 경우, 가스 제트는 또한 오염원이 되지 않는다. 실리콘 시드 입자의 제조하기 위한 종래의 제트밀의 주된 단점은, 종래 기술에 따른 이들 장치의 최적 작동 범위가 약 2 ㎛ 내지 10 ㎛의 밀링된 제품 그레인 크기, 즉 초미세 분쇄로 알려진 범위라는 사실에 기인한다. 이 범위에서, 가스 소비량은 고체 1 kg당 가스 10 kg 미만이다[Perry, Robert H.; Green, Don W.: Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th Edition, McGraw-Hill; 1997, Section 20-47]. 공급 재료 및 밀링된 제품의 그레인 크기가 클수록, 밀의 작동 효율이 저하되고, 가스 소비량이 커지며, 그에 따라 공정의 경제성이 떨어진다. 그래서, 예를 들면 앞에서 언급한 롤 분쇄 공정과 같은 다른 분쇄 공정으로 바꾸는 것이 보통이다.Since the grinding is substantially the result of the silicon particles colliding with each other, the jet mill is very suitable for grinding the high-purity silicon granules. The importance of the stress of the components in contact with the particles is secondary. In addition, the corresponding components may be lined with a noncontaminated material or a low contaminant material or made entirely of such material. The supply of energy required for grinding is only by means of a gas jet. If high purity gas is used for this purpose, the gas jet is also not a source of contamination. The main disadvantage of conventional jet mills for the production of silicon seed particles is due to the fact that the optimum operating range of these devices according to the prior art is a milled product grain size of about 2 μm to 10 μm, i.e. a range known as ultrafine grinding. do. In this range, gas consumption is less than 10 kg of gas per kg of solid [Perry, Robert H .; Green, Don W .: Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7th Edition, McGraw-Hill; 1997, Section 20-47]. The larger the grain size of the feed material and the milled product, the lower the operating efficiency of the mill, the higher the gas consumption, and therefore the less economic the process. Thus, for example, it is common to switch to another grinding process such as the roll grinding process mentioned above.

미국 특허 제5,346,141호는, 실리콘 시드 입자의 제조를 위한 유동층 제트 밀링의 효율에서 중요한 인자는 유동층 내의 고체 농도라고 설명한다; 여기서 고체 농도란 고체 입자의 체적 농도를 의미하는 것으로 이해해야 하며: 제트 노즐 부위에서 고체 농도가 높으면 밀링 성능이 상당히 저하되고, 따라서 이 특허가 교시하는 바는 바람직하게 10 체적% 미만의 고체 농도를 가진 매우 희박한 유동층에서 밀링을 수행하는 방법이다. 그러나, 이러한 구성으로 달성할 수 있는 밀링 성능은 여전히 매우 낮으며, 이는 높은 에너지 소비 및/또는 가스 소비와 관련되어 있다. 미국 특허 제5,346,141호의 실시예 2에 따르면, 실리콘 과립체를 평균 그레인 크기 445 ㎛까지 분쇄하는 데 필요한 질소 소비량이 고체 1 kg당 질소 48 kg(실시예 2: 질소 200리터/분; 실리콘 5.2 g/분)이고, 이러한 가스 소비량은 초미세 제트 밀링에서 통상적인 소비량의 약 5배에 달하는 것이다. 또한, 공간-시간 수율이 매우 낮다. 이 문헌에 따르면, 고체 농도의 증가는 밀링 성능을 더욱 저하시키게 된다.U. S. Patent No. 5,346, 141 describes that an important factor in the efficiency of fluid bed jet milling for the production of silicon seed particles is the solid concentration in the fluid bed; It is to be understood here that the solid concentration means the volume concentration of solid particles: high solids concentration at the jet nozzle area significantly degrades milling performance, and therefore the patent teaches that it preferably has a solids concentration of less than 10% by volume. It is a method of milling in a very thin fluidized bed. However, the milling performance achievable with this configuration is still very low, which is associated with high energy consumption and / or gas consumption. According to Example 2 of US Pat. No. 5,346,141, the nitrogen consumption required to grind the silicon granules to an average grain size of 445 μm is 48 kg of nitrogen per kg of solid (Example 2: 200 liters / min of nitrogen; 5.2 g / silicone). Min), and this gas consumption is about five times the typical consumption for ultra-fine jet milling. In addition, the space-time yield is very low. According to this document, increasing the solids concentration further degrades milling performance.

본 발명의 목적은 입경이 300 ㎛ 내지 5,000 ㎛인 실리콘 과립체로부터 입경이 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛인 실리콘 시드 입자를 경제적인 방식, 즉 낮은 비용과 순수한 형태로 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus capable of producing silicon seed particles having a particle diameter of 50 μm to 1,000 μm from silicon granules having a particle size of 300 μm to 5,000 μm in an economical manner, ie, low cost and pure form.

상기 목적은, 단면이 원통형이고, 베이스에 제트 노즐(4)을 가진, 수직으로 설치된 제트 챔버(8), 상기 제트 챔버(8)에 직결된 향류 중력식 분리기(9), 및 실리콘 과립체(2) 주입용 입구(6)를 포함하고, 상기 제트 노즐을 통해 밀링 가스 스트림(1)이 상기 제트 챔버(8)에 도입될 수 있고, 상기 제트 챔버(8)는 상기 밀링 가스 스트림이 상기 제트 챔버의 단면까지 충분히 확산되는 길이를 가지며, 상기 제트 챔버(8)의 유동 단면은 상기 향류 중력식 분리기(9)의 유동 단면보다 작은 것을 특징으로 하는 장치에 의해 달성된다.The object is a vertically mounted jet chamber 8 having a cylindrical cross section and having a jet nozzle 4 at the base, a countercurrent gravity separator 9 directly connected to the jet chamber 8, and a silicone granule 2 ) An injection inlet 6, through which the milling gas stream 1 can be introduced into the jet chamber 8, in which the milling gas stream is connected to the jet chamber. It has a length that is sufficiently diffused up to the cross section of, and the flow cross section of the jet chamber 8 is achieved by a device which is smaller than the flow cross section of the countercurrent gravity separator 9.

도 2는 이에 대응하는 장치를 나타낸다.2 shows a corresponding device.

제트밀 내의 각 입자를 성공적으로 가속화하기 위해서는 가스 제트를 성공적으로 형성하는 것이 중요하다. 미국 특허 제5,346,141호에서 이미 설명한 바와 같이, 양호한 가스 제트의 형성은 낮은 고체 농도에서만 가능한데, 그것은 제트 노즐 부분에서의 높은 고체 농도는 제트의 형성을 방해하기 때문이다. 그러나, 낮은 고체 농도는 밀링에 있어서 가속화된 입자들이 다른 입자들과 충돌할 가능성이 낮기 때문에 불리하다. 본 발명에 따른 장치는 고체 농도가 낮은 영역에서의 가스 스트림을 이용하여 입자가 가속화되고, 이어서 이들 입자가 다른 입자와 충돌할 가능성이 높은 고체 농도의 영역으로 비산되어 들어감으로써 분쇄가 이루어지도록 구성되어 있다.In order to successfully accelerate each particle in the jet mill, it is important to successfully form a gas jet. As already described in US Pat. No. 5,346,141, formation of good gas jets is possible only at low solids concentrations, since high solids concentrations at the jet nozzle portion interfere with the formation of the jets. However, low solids concentrations are disadvantageous because in the milling the accelerated particles are unlikely to collide with other particles. The device according to the invention is adapted to accelerate the particles using a gas stream in a region of low solid concentration, and then to cause the grinding by scattering into the region of solid concentration where these particles are likely to collide with other particles. have.

본 발명에 따른 장치에서는 실리콘 시드 입자를 제조하는 공지된 장치보다 마모가 적게 일어난다. 상기 장치에 의하면 추가로 정제하지 않고도 제품 오염이 낮기 때문에, 전자 산업 및 광기전 산업용 공급 재료로서 고순도의 실리콘 과립체를 제조하기 위한 유동층 공정의 실리콘 시드 입자로서 사용하기에 특히 적합한 실리콘 시드 입자를 제조할 수 있다.In the device according to the invention less wear occurs than known devices for producing silicon seed particles. According to the apparatus, since the product contamination is low without further purification, a silicon seed particle is particularly suitable for use as a silicon seed particle in a fluidized bed process for producing high purity silicon granules as a feed material for the electronics industry and the photovoltaic industry. can do.

본 발명에 따른 장치에서, 국소적으로 상부와 저부, 즉 밀링 구역(milling zone)(10)에 한정되어 있는 유동층은 제트 챔버(8)로부터 향류 중력식 분리기(9)까지의 전이 구역(transition zone)에 형성된다. 밀링 구역(10)은 바람직하게는 20 체적%를 넘는 높은 고체 농도를 가지는 반면, 제트 챔버(8)에는 바람직하게 10 체적% 미만, 특히 바람직하게는 5 체적% 미만이되, 0.1 체적%는 넘는 낮은 고체 농도가 존재한다.In the device according to the invention, the fluidized bed, which is locally defined at the top and bottom, ie the milling zone 10, is a transition zone from the jet chamber 8 to the countercurrent gravity separator 9. Is formed. The milling zone 10 preferably has a high solids concentration of more than 20% by volume, while in the jet chamber 8 it is preferably less than 10% by volume, particularly preferably less than 5% by volume but more than 0.1% by volume. Low solids concentration is present.

국소적으로 높은 고체 농도를 가진 유동층은, 유동 단면적이 제트 챔버의 유동 단면적보다 큰 향류 중력식 분리기에 의해 상부에서 범위가 한정된 제트 챔버에 의해, 그리고 밀링 가스 스트림이 상기 분리기를 통과해야 한다는 사실에 의해 형성된다.Fluidized beds with locally high solids concentrations are characterized by a jet chamber defined at the top by a countercurrent gravity separator having a flow cross section greater than the flow cross section of the jet chamber, and by the fact that the milling gas stream must pass through the separator. Is formed.

제트 챔버, 향류 중력식 분리기 및 밀링 가스 유동의 형상은, 향류 중력식 분리기에서 평균 가스 속도가 원하는 실리콘 시드 입자의 그레인 크기 분포 중 가장 큰 입자가 밀링 챔버를 통해 낙하하는 속도에 대응하도록 서로 맞추어진다. 따라서, 분리기에서 분리되는 그레인 크기(separation grain size)가 원하는 실리콘 시드 입자의 그레인 크기 분포의 상한선에 대응하는 것이 바람직하다. 제트 챔버 내 밀링 가스 스트림의 평균 가스 속도(제트 챔버 또는 분리기의 단면 기준)는 분리기 내의 속도보다 높다. 따라서, 제트 챔버에서 분리되는 그레인 크기는 분리기에서의 그레인 크기보다 크지만, 충분한 입자가 제트 챔버에 유입될 수 있도록 공급 재료의 실리콘 입자의 그레인 크기 분포의 평균 범위를 초과하지 않아야 한다. The shapes of the jet chamber, countercurrent gravity separator and the milling gas flow are matched to each other such that the average gas velocity in the countercurrent gravity separator corresponds to the rate at which the largest particle of the grain size distribution of the desired silicon seed particles falls through the milling chamber. Thus, it is desirable that the grain size separated in the separator correspond to the upper limit of the grain size distribution of the desired silicon seed particles. The average gas velocity (based on cross section of the jet chamber or separator) of the milling gas stream in the jet chamber is higher than the velocity in the separator. Thus, the grain size to be separated in the jet chamber is larger than the grain size in the separator, but must not exceed the average range of the grain size distribution of the silicon particles of the feed material so that enough particles can enter the jet chamber.

향류 중력식 분리기에서 분리되는 그레인 크기보다 크지만 제트 챔버에서 분리되는 그레인 크기보다 작은 공급 재료의 실리콘 입자는 밀링 구역에서 축적되며, 여기서 고체 농도가 높은 국소적 유동층을 형성한다. 제트 챔버에서 분리되는 그레인 크기보다 큰 공급 재료의 실리콘 입자만 통과하여 제트 챔버로 유입되고, 여 기서 가속되고 고체 농도가 높은 유동층에 밀려 들어감으로써, 입자들이 분쇄된다. 충분히 분쇄되어 향류 중력식 분리기에서 분리되는 그레인 크기보다 작은 실리콘 입자는 가스 스트림과 함께 밀링된 생성물로서 분리기로부터 배출된다.Silicon particles of the feed material larger than the grain size separated in the countercurrent gravity separator but smaller than the grain size separated from the jet chamber accumulate in the milling zone, where they form a localized fluidized bed with high solid concentration. Only the silicon particles of the feed material larger than the grain size separating from the jet chamber pass through the jet chamber, where it is accelerated and pushed into a high solids fluidized bed, whereby the particles are comminuted. Silicon particles smaller than the grain size that are sufficiently comminuted and separated in the countercurrent gravity separator are discharged from the separator as milled product with the gas stream.

이러한 태양의 이점은 고체 분사기에서와 유사한 방식으로 입자가 제트 챔버에서 매우 양호하게 가속된 다음, 고밀도 유동층에 추진되어 들어가고, 여기서 매우 효과적인 분쇄가 이루어진다는 사실이다. 동시에, 향류 중력식 분리는 생성되는 실리콘 시드 입자의 그레인 분포에 대해 한정된 상한선을 가져온다.The advantage of this aspect is the fact that the particles are accelerated very well in the jet chamber and then propelled into the high density fluidized bed in a manner similar to that of a solid injector, where a very effective grinding is achieved. At the same time, countercurrent gravitational separation results in a finite upper limit on the grain distribution of the resulting silicon seed particles.

본 발명에 따른 장치는, 다른 경우에 크기가 2∼10 ㎛ 범위인 입자의 초미세 분쇄에 있어서는 통상적인 수준인 효율로 약 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 그레인 크기로 실리콘 시드 입자를 제조하는 데 이용할 수 있다.The apparatus according to the invention can be used to produce silicon seed particles in grain sizes of about 50 μm to 1,000 μm with other efficiency, which is typical for ultrafine grinding of particles ranging in size from 2 to 10 μm in other cases. have.

제트 챔버의 유동 단면적이 향류 중력식 분리기의 유동 단면적보다 적어도 10∼30%, 바람직하게는 20∼30% 작게 선택되는 경우에 특히 효과적인 밀링을 달성할 수 있는 것으로 밝혀졌다.It has been found that particularly effective milling can be achieved when the flow cross section of the jet chamber is selected at least 10-30%, preferably 20-30% less than the flow cross section of the countercurrent gravity separator.

제트 챔버(8)의 길이는, 밀링 가스 스트림이 노즐에서 출발하여 제트 챔버의 단면까지 확대되는 지점에 도달할 때까지 필요한 거리의 2배 이상, 바람직하게는 2∼8배인 것이 바람직하다. 프리 가스 제트(free gas jet)에 있어서 통상적인, 약 18∼20°(반각(half-angle))의 제트 확대각을 가진 제트 챔버를 설계하는 것은 용이하다.The length of the jet chamber 8 is preferably at least 2 times, preferably 2 to 8 times the distance required until the milling gas stream reaches a point starting from the nozzle and extending to the cross section of the jet chamber. It is easy to design a jet chamber with a jet enlargement angle of about 18-20 degrees (half-angle), which is typical for free gas jets.

본 발명에 따른 제트 챔버 및 분리기의 구조는 밀링 가스 스트림 및 얻고자 하는 그레인 크기가 서로 분리됨(decoupled)으로써 에너지의 도입을 유도한다. 향 류 중력식 분리기의 분리 그레인 크기는 단독으로, 밀링된 생성물의 그레인 크기 분포의 상한선을 한정한다.The structure of the jet chamber and separator according to the invention induces the introduction of energy by the milling gas stream and the desired grain size decoupled from each other. The separation grain size of the countercurrent gravity separator alone defines the upper limit of the grain size distribution of the milled product.

바람직한 실시예에서, 실리콘 과립체는 제트 챔버에 투입되지 않고 분리기에 투입된다. 그 결과, 실리콘 과립체는 밀링 구역에 들어가지 전에도 분급된다. 분리기의 분리 그레인 크기보다 애초부터 작은 공급 재료의 입자는 가스 스트림과 함께 배출되고 밀링 구역으로 유입되지 않는데, 그러한 입자의 분쇄는 바람직하지 않은 미세한 분진의 형성에 기여한다.In a preferred embodiment, the silicone granules are not added to the jet chamber but to the separator. As a result, the silicone granules are classified even before they enter the milling zone. Particles of feed material initially smaller than the separation grain size of the separator are discharged with the gas stream and do not enter the milling zone, which pulverization contributes to the formation of undesirable fine dust.

특히 바람직한 실시예에서, 실리콘 과립체는 제트 챔버 상부에서 분리기에 공급되고, 제트 챔버 및 분리기 내의 실리콘 입자의 중량은 칭량 유닛(weighing unit)을 이용하여 진행 기준으로 측정되고, 실리콘 과립체의 계량은 효율적 밀링을 최적으로 달성하도록 제어 유닛에 의해 제어가능하다.In a particularly preferred embodiment, the silicone granules are fed to the separator at the top of the jet chamber, the weight of the silicon particles in the jet chamber and the separator is measured on a progress basis using a weighing unit, and the weighing of the silicone granules is Controllable by the control unit to optimally achieve efficient milling.

밀링의 효율은 밀/분리기 유닛에서의 로딩에 주로 의존한다. 충분한 실리콘 과립체가 제1 분리기 내에 계량되어 공급되면, 밀링 구역에서의 고체 농도가 저하되고, 가스 제트의 에너지는 완전히 활용되지 못한다. 지나치게 많은 양의 실리콘 과립체가 계량되어 공급되면, 밀링 구역 및 제1 분리기는 입자로 과부하되어 제1 분리기의 분리 용량이 저하된다. 가스 1 kg/h당 고체 약 0.30 kg/h의 로딩 수준까지, 밀/분리기 유닛에서의 실리콘 과립체의 중량은 일정하게 유지될 수 있고, 목표 그레인 크기 범위 내에서 75%를 넘는 실리콘 시드 입자가 얻어지는 것이 입증되었다. 부하를 증가시킴에 따라 밀링 효율도 상승한다. 부하가 가스 1 kg/h당 고체 약 0.30 kg/h을 넘으면, 밀/분리기 유닛에서의 실리콘 과립체의 중량은 진행 기준 으로 증가되며, 설비는 과충전되어 분쇄되지 않은 입자들이 생성물에 포함된다.The efficiency of milling mainly depends on the loading in the mill / separator unit. If enough silicone granules are metered into the first separator, the solid concentration in the milling zone is lowered and the energy of the gas jet is not fully utilized. If too much silicon granules are metered and fed, the milling zone and the first separator are overloaded with particles, lowering the separation capacity of the first separator. By the loading level of about 0.30 kg / h of solids per kg / h of gas, the weight of the silicone granules in the mill / separator unit can be kept constant, with more than 75% of the silicon seed particles within the target grain size range. Proved to be obtained. As the load increases, the milling efficiency also increases. If the load exceeds about 0.30 kg / h of solids per kg / h of gas, the weight of the silicone granules in the mill / separator unit is increased on a run-by-step basis, and the plant is overcharged to contain the unpulverized particles in the product.

따라서, 설비의 최적 가동을 위해서, (예를 들면, 칭량 셀을 이용하여) 밀/분리기 유닛에 칭량 유닛을 제공하는 것이 바람직하다. 이 유닛은 바람직하게는 연속적으로 밀/분리기 유닛의 무게를 측정하고, 이 정보로부터, 예를 들면 컴퓨터를 이용하여, 홀드업(hold-up)으로 알려진 이 유닛 내의 입자의 중량을 판정한다. 바람직하게는 컴퓨터에 의해 제어되는 방식으로 실리콘 과립체 내의 계량은 가능한 한 홀드업이 일정하게 유지되도록 상기 계량된 과립체의 유동량을 조절하는 데 이용된다.Thus, for optimal operation of the plant, it is desirable to provide a weighing unit to the mill / separator unit (eg using a weighing cell). The unit preferably weighs the mill / separator unit continuously and from this information, for example, using a computer, determines the weight of the particles in this unit, known as hold-up. The metering in the silicone granules, preferably in a computer controlled manner, is used to adjust the flow rate of the weighed granules so that the hold-up is kept as constant as possible.

일정한 첨가량의 순수한 제어에 비해 이 태양이 갖는 특별한 이점은 실리콘 과립체의 그레인 크기 분포가 밀링 결과에 대한 영향이 매우 적다는 점이다.A particular advantage of this embodiment over pure control of a constant addition amount is that the grain size distribution of the silicone granules has very little effect on milling results.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 향류 중력식 분리기는 제트 챔버 바로 상부에 인접한 직사각형 유동 단면을 가진 지그재그 분리기의 형태로 설계되며, 상기 분리기의 유동 단면은 제트 챔버의 유동 단면보다 크다. 지그재그 분리기는 종래 기술에서 알려져 있으며, 예를 들면 독일 특허 DE 1 135 841에 기재되어 있다. 그러한 분리기는 직선형 유동 경로를 가진 분리기에 비해 입자를 더 명확히 분리한다는 이점을 제공한다.In a preferred embodiment of the present invention, the countercurrent gravity separator is designed in the form of a zigzag separator having a rectangular flow cross section immediately adjacent the jet chamber, wherein the flow cross section of the separator is larger than the flow cross section of the jet chamber. Zigzag separators are known in the art and are described, for example, in German patent DE 1 135 841. Such separators offer the advantage of separating particles more clearly than separators with straight flow paths.

본 발명의 이 실시예에서, 밀링 구역은 유동 단면이 제트 챔버로부터 지그재그 분리기까지 확대되는 영역 내의 고체 농도가 높은 국소적으로 조밀하게 제한된 영역이다.In this embodiment of the present invention, the milling zone is a locally densely limited region of high solids concentration in the region where the flow cross section extends from the jet chamber to the zigzag separator.

제1 분리기에 뒤이어 역시 직사각형 유동 단면을 가진 지그재그 분리기인 제 2 향류 중력식 분리기가 설치되어 있는 것이 바람직하고, 이 경우 제2 분리기의 유동 단면은 제1 분리기의 유동 단면보다 큰 것이 바람직하다. 밀링된 입자는 밀링 가스 스트림 및 추가로 주입된 일체의 가스와 함께 제1 분리기로부터 제2 분리기로 통과하는 것이 바람직하고, 여기서 일반적으로는 바람직하지 않은 한정된 지나치게 미세하게 밀링된 입자는 이 분리기의 분리 그레인 크기에 따라 가스 스트림과 함께 상부로 배출되고, 실리콘 시드 입자의 필요로 하는 그레인 크기 분획은 낙하하여 포집 용기에 들어간다. 지나치게 미세하게 밀링된 실리콘 입자는, 예를 들면, 사이클론 및 필터에 의해 배기 가스 스트림으로부터 분리될 수 있다.The first separator is preferably followed by a second countercurrent gravity separator, which is also a zig-zag separator with a rectangular flow cross section, in which case the flow cross section of the second separator is preferably larger than the flow cross section of the first separator. The milled particles preferably pass from the first separator to the second separator together with the milling gas stream and any additional gas injected therein, in which limited, too finely milled particles, which are generally undesirable, are separated from the separator. Depending on the grain size, it is discharged upwards with the gas stream, and the required grain size fraction of the silicon seed particles falls into the collection vessel. Too finely milled silicon particles may be separated from the exhaust gas stream, for example by cyclones and filters.

적어도 하나의 분리기의 가스 입구 영역은, 분리기의 분리 그레인 크기를 더욱 세밀하게 조절할 수 있도록, 각각의 경우에 추가의 가스 입구를 구비하는 것이 바람직하다. 여기서 각각의 경우에 추가의 가스 스트림이 공급될 수 있고, 그 결과 분리기의 분리 그레인 크기는 보다 큰 그레인 크기쪽으로 시프트된다. 사용되는 분급 가스는 고순도 질소인 것이 바람직하다.The gas inlet region of the at least one separator is preferably provided with an additional gas inlet in each case so that the separation grain size of the separator can be further controlled. Here in each case an additional gas stream can be supplied, so that the separator grain size of the separator is shifted towards the larger grain size. The classifying gas used is preferably high purity nitrogen.

실리콘 시드 입자의 그레인 크기 분포의 상한 및 하한은 2개의 향류 중력식 분리기의 유동 단면 및 밀링 가스 노즐 단면의 치수 설정(dimensioning), 밀링 가스 노즐의 노즐 허용 압력 및 분리기의 추가적 가스 입구 내 가스 유동의 설정에 의해 정의될 수 있고; 압축 가능한 가스에 대한 일반 법칙에 따라 가스 유동 및 최대 제트 속도를 설정하는 데에는 노즐 허용 압력 및 노즐 직경이 일반적으로 이용된다. 또한 이에 따라 분쇄용 에너지 도입이 고정된다. 분리기는 각각의 경우에 원하는 분리 그레인 크기가 주어진 가스 스트림과 함께 얻어지도록 치수 설정된다.The upper and lower limits of the grain size distribution of the silicon seed particles are the dimensioning of the flow cross-section and milling gas nozzle cross-section of the two countercurrent gravity separators, the nozzle allowable pressure of the milling gas nozzle and the setting of the gas flow in the additional gas inlet of the separator. Can be defined by; According to the general rule for compressible gases, nozzle allowable pressure and nozzle diameter are generally used to set gas flow and maximum jet velocity. In addition, the introduction of energy for grinding is thus fixed. The separator is dimensioned in each case such that the desired separation grain size is obtained with a given gas stream.

일반적으로 불필요한 생성된 미세한 분진도, 미세한 분진을 배기 가스 스트림으로부터 분리하는 유닛이 설계되어 있다면, 거의 또는 전혀 오염 없이 얻어질 수 있다. 이러한 목적에서, 라이닝된 사이클론 및 필터(바람직하게는 고순도 PTFE 섬유로 된 여과포)를 사용하는 것이 특히 적절하다.Unnecessarily generated fine dust can generally be obtained with little or no contamination if a unit is designed which separates the fine dust from the exhaust gas stream. For this purpose, it is particularly suitable to use lined cyclones and filters (preferably filter cloth of high purity PTFE fibers).

공급 재료를 공급하는 계량 유닛을 제외하고는, 본 발명에 따른 장치에는 움직이는 부분이 전혀 없다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 단순한 형태를 가진다. 이점은 비오염성 재료 또는 오염물을 별로 생성하지 않는 재료로 라이닝하는 데에 특히 유리하다. 비오염성 라이닝 재료의 일 예는 단결정 실리콘이며, 그 순도는 공급 재료의 순도와 같거나 더 높다. 오염물을 별로 생성하지 않는 재료라 함은 순도가 높고, 적용 성질에 악영향을 주는 물질(특히, 붕소, 인, 금속)의 비율이 매우 낮은 재료를 의미하는 것으로 이해해야 하며, 이러한 농도는 첨가제(광안정제 및 열안정제, 산화방지제, 공정 보조제, 개질제, 난연제)의 사용 없이 제조된 고순도 플라스틱과 같은 100 ppmw 미만인 것이 바람직하고; 이러한 플라스틱으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 퍼플루오로알콕시 코폴리머 또는 Halar® 등이 포함된다.With the exception of the metering unit which feeds the feed material, there is no moving part in the device according to the invention. The device according to the invention also has a simple form. This is particularly advantageous for lining non-contaminating materials or materials that produce little contaminants. One example of a non-polluting lining material is single crystal silicon, the purity of which is equal to or higher than the purity of the feed material. Materials that produce little contaminants should be understood to mean materials with high purity and very low proportions of substances (especially boron, phosphorus, metals) that adversely affect the application properties. These concentrations are additives (light stabilizers). And less than 100 ppmw such as high purity plastics prepared without the use of heat stabilizers, antioxidants, process aids, modifiers, flame retardants); Such plastics include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyurethane, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, perfluoroalkoxy copolymers or Halar ® and the like.

본 발명은 또한, 본 발명에 따른 제트 밀을 이용하여 실리콘 과립체를 분쇄하여 실리콘 시드 입자를 형성하는 방법으로서, 초미세한 제트 밀링 수준으로 제트 밀링의 이점과 효율을 동시에 제공하는 분쇄 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method of pulverizing silicon granules using a jet mill according to the present invention to form silicon seed particles, the present invention relates to a grinding method that simultaneously provides the advantages and efficiency of jet milling at ultra-fine jet milling levels. .

상기 방법에서, 실리콘 과립체는 밀링 구역에서 실리콘 과립체로 형성된 높 은 고체 농도의 유동층 및 낮은 고체 농도만이 존재하는 원통형 제트 챔버 내의 고속 밀링 가스 스트림에 의해 가속화되어 높은 고체 농도의 상기 유동층에 충돌하는 실리콘 과립체의 개별적 실리콘 입자에 의해 분쇄됨으로써, 실리콘 과립체 및 실리콘 입자의 분쇄가 이루어진다.In this method, the silicone granules are accelerated by the high mill concentration fluidized bed formed of the silicone granules in the milling zone and by the high speed milling gas stream in the cylindrical jet chamber where only the low solids concentration is present to impinge on the fluidized bed of the high solids concentration. By grinding by the individual silicon particles of the silicone granules, the grinding of the silicone granules and the silicone particles takes place.

높은 고체 농도라 함은 20∼50 체적%의 체적식 고체 농도를 의미하는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.High solids concentration is preferably understood to mean a volumetric solids concentration of 20-50% by volume.

낮은 고체 농도라 함은 10 체적% 미만, 바람직하게는 5 체적% 미만이되, 0.1 체적%는 넘는 체적식 고체 농도를 의미하는 것으로 이해해야 한다.Low solids concentration is to be understood as meaning a volumetric solids concentration of less than 10% by volume, preferably less than 5% by volume but greater than 0.1% by volume.

분쇄할 실리콘 과립체의 크기는 300∼5,000 ㎛인 것이 바람직하다.The size of the silicon granules to be pulverized is preferably 300 to 5,000 mu m.

제조되는 실리콘 시드 입자의 크기는 바람직하게는 50∼1,000 ㎛, 특히 바람직하게는 150∼500 ㎛이고, 그레인 크기 분포의 질량 기준 중앙값은 300∼400 ㎛인 것이 특히 바람직하고, 150 ㎛보다 작고 500 ㎛보다 큰 입자의 질량 비율은 10% 미만이다.The size of the silicon seed particles to be produced is preferably 50 to 1,000 μm, particularly preferably 150 to 500 μm, and the mass-based median of the grain size distribution is particularly preferably 300 to 400 μm, smaller than 150 μm and 500 μm. The mass fraction of larger particles is less than 10%.

사용되는 밀링 가스는 고순도 가스인 것이 바람직하고; 여기서 고순도라 함은 불순물 비율이 5 ppm 이하인 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 정제된 공기, 아르곤 또는 질소, 바람직하게는 순도가 99.9995 체적%보다 높은 정제된 질소를 사용할 수 있다.The milling gas used is preferably a high purity gas; High purity here is to be understood to mean that the impurity ratio is 5 ppm or less. For example, purified air, argon or nitrogen can be used, preferably purified nitrogen with a purity higher than 99.9995% by volume.

밀링 가스 제트는 수직 방향으로 상부를 향하는 것이 바람직하다. 입자의 효과적인 가속화를 위해서, 노즐에서의 유입 속도가 300 m/s를 넘어야 하고, 상기 속도를 400∼800 m/s로 설정하는 것이 바람직하다. 미리 설정된 제트 챔버의 형상 및 가스 처리량에 있어서, 상기 속도는 노즐 직경에 의해 설정될 수 있다. 상기 처리량은 노즐 상류의 가스 압력을 설정함으로써 용이하게 조절할 수 있다.The milling gas jet is preferably directed upward in the vertical direction. For effective acceleration of the particles, the inlet velocity at the nozzle should exceed 300 m / s and it is desirable to set the velocity at 400-800 m / s. In the preset jet chamber shape and gas throughput, the speed can be set by the nozzle diameter. The throughput can be easily adjusted by setting the gas pressure upstream of the nozzle.

밀링 가스 유동 및 제트 챔버의 유동 단면은, 제트 챔버 내의 분리 그레인 크기가 실리콘 시드 입자의 목표로 하는 그레인 크기 분포의 가장 큰 입자보다는 크고, 공급 재료의 실리콘 입자의 평균 그레인 크기보다는 작도록 설계된다.The milling gas flow and the flow cross section of the jet chamber are designed such that the separation grain size in the jet chamber is larger than the largest particle of the targeted grain size distribution of the silicon seed particles and smaller than the average grain size of the silicon particles of the feed material.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 바람직하게는 밀링 제품 1 kg당 가스 10 kg 미만으로 가스 소비량이 낮고, 동시에 실리콘 시드 입자를 높은 수율로 얻을 수 있다.According to the process according to the invention, it is preferred that the gas consumption is low, with less than 10 kg of gas per kg of milled product, and at the same time silicon seed particles can be obtained in high yield.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 실리콘 과립체의 오염 없는 분쇄가 가능하고, 또한 밀링된 제품을 후속하여 체질 처리할 필요 없는, 한정된, 좁은 그레인 크기 분포를 가진 실리콘 시드 입자를 제조할 수 있다. 추가의 체질 단계는 추가 작업 및 잠재적 오염을 수반하게 된다. 또한, 공급 재료의 단위량에 대한 제조되는 실리콘 입자의 양으로 표현한 실리콘 입자의 수율도 저하된다.According to the method according to the invention, it is possible to produce silicon seed particles with a defined, narrow grain size distribution, which is capable of contamination-free grinding of the silicone granules and which does not require subsequent sieving of the milled product. Additional sieving steps will involve additional work and potential contamination. In addition, the yield of silicon particles expressed by the amount of silicon particles produced relative to the unit amount of the feed material is also lowered.

크기가 50∼1,000 ㎛, 특히 바람직하게는 대부분이 150∼500 ㎛인 실리콘 시드 입자가 제조되며, 그레인 크기 분포의 질량 기준 중앙값은 특히 바람직하게 300∼400 ㎛이고, 150 ㎛보다 작고 500 ㎛보다 큰 입자의 질량 비율은 10% 미만이다.Silicon seed particles having a size of 50 to 1,000 μm, particularly preferably most of 150 to 500 μm, are prepared, and the mass-based median of the grain size distribution is particularly preferably 300 to 400 μm, smaller than 150 μm and larger than 500 μm. The mass proportion of the particles is less than 10%.

이와 같이 고순도 실리콘 시드 입자의 한정된, 좁은 그레인 크기 분포는 바람직한데, 그것은 실리콘 시드 입자를 유동층 퇴적 반응기에 계량 주입하는 동안, 상기 범위보다 더 미세한 재료는 배기 가스 스트림과 함께 즉시 배출될 것이기 때문이다. 상기 범위보다 굵은 실리콘 시드 입자는 유동층 내에서 더욱 성장하게 되 고, 그 결과 유동층 내의 전반적 그레인 분포를 교란시키게 된다.This limited, narrow grain size distribution of high purity silicon seed particles is preferred because, while metering the silicon seed particles into the fluidized bed deposition reactor, finer materials than those ranges will be discharged immediately with the exhaust gas stream. Silicon seed particles coarse than this range will grow further in the fluidized bed, resulting in disturbing the overall grain distribution in the fluidized bed.

본 발명에 따른 방법은 유동층 퇴적용 실리콘 시드 입자뿐 아니라, 특별한 응용을 목표로 하는 다른 실리콘 그레인 분획의 밀링에 이용할 수 있다. 이러한 응용 분야는, 예를 들면 광기전 산업 및 전자 산업에서의 기본 재료로서 요구되는 실리콘 입자와 같은, 한정된, 매우 미세한 그레인 분포와 매우 높은 순도를 필요로 하는 특별한 응용 분야이다.The process according to the invention can be used for milling not only silicon seed particles for fluid bed deposition, but also other silicon grain fractions targeted for particular applications. This field of application is a special field of application which requires very fine grain distribution and very high purity, for example, silicon particles, which are required as base materials in the photovoltaic and electronics industries.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 특히 바람직한 실시예를 나타낸다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예는 이 장치의 예를 기초로 하여 이하에 설명한다.3 shows a particularly preferred embodiment of the device according to the invention. A preferred embodiment of the method according to the invention is described below on the basis of an example of this apparatus.

실리콘 과립체(2)는 계량 장치(12)를 이용하여 저장 용기(11)로부터 계량되어 공급 라인(6)을 통해 제1 지그재그형 분리기(9)에 공급된다. 제트 챔버(8)는 제1 분리기(9)의 바로 밑에 위치한다. 밀링 가스 흐룸(1)은 Laval 노즐(4)을 통해 제트 챔버(8)에 주입된다. 밀링 가스 유동을 설정하기 위해 스로틀 부재(throttle member)(13)가 사용된다. 유동층에서의 밀링 구역(10)은 제트 챔버(8)와 제1 분리기(9) 사이의 전이 부분(transition)에서 형성된다. 분리를 조절하기 위한 추가의 가스 스트림(15)은 가스 입구(14)를 통해 공급될 수 있다. 제트 챔버(8) 및 제1 분리기(9)는 작용되는 힘과 관련하여 보상장치(compensators)(16, 17, 18)에 의해 설비의 나머지 부분으로부터 분리되어 있다. 칭량 장치(19)는 제트 챔버(80, 제1 분리기(9) 및 그 안에 존재하는 입자의 중량을 측정한다. 상기 중량에 대한 정보로부터, 컴퓨터 유닛(20)은 밀링 챔버/분리기 유닛 내의 입자의 중량을 판정한다. 이 값은 공급 재료의 계량을 제어하기 위한 가이드 변수로 이용된다. 제1 분리 기(9)의 분리 그레인보다 직경이 작은 입자는 밀링 가스 스트림 및 모든 추가적인 분급 가스(classifying gas)와 함께 제1 분리기(9)로부터 연결 라인(21)을 통과하여 제2 지그재그형 분리기(22)로 들어간다. 목표 그레인 크기 범위에 들어가는 입자는 하부로 낙하한다. 상기 입자의 스트림(23)은 용기에서 포집된다. 제2의 분리 공정을 조절하기 위해서 추가의 가스 스트림(25)을 제2 분리기(22)에 공급하는 데에는 가스 입구(24)를 이용할 수 있다. 지나치게 미세한 입자는 밀링 가스 스트림 및 모든 추가적인 분급 가스와 함께 제2 분리기(22)로부터 상부로 배출된다. 이러한 입자는 사이클론(26) 및 하류에 설치된 필터(27)에서 가스 스트림으로부터 분리된다. 이와 같이 해서 정제된 가스 스트림(28)은 설비로부터 유출된다. 지나치게 미세하게 밀링된 입자는 사이클론 및 필터로부터 하부로 낙하한다. 그러한 낙하에 따른 입자의 스트림(29, 30)은 용기에서 다시 포집될 수 있다.The silicone granules 2 are metered from the storage container 11 using the metering device 12 and supplied to the first zigzag separator 9 through the supply line 6. The jet chamber 8 is located just below the first separator 9. The milling gas stream 1 is injected into the jet chamber 8 via a Laval nozzle 4. A throttle member 13 is used to establish the milling gas flow. The milling zone 10 in the fluidized bed is formed in the transition between the jet chamber 8 and the first separator 9. An additional gas stream 15 to control the separation may be supplied through the gas inlet 14. The jet chamber 8 and the first separator 9 are separated from the rest of the installation by compensators 16, 17, 18 with respect to the force applied. The weighing device 19 measures the weight of the jet chamber 80, the first separator 9 and the particles present therein. From the information on the weight, the computer unit 20 determines the weight of the particles in the milling chamber / separator unit. Determine the weight This value is used as a guide parameter for controlling the metering of the feedstock Particles with a diameter smaller than the separating grain of the first separator 9 are obtained from the milling gas stream and any additional classifying gas. And enter the second zigzag separator 22 from the first separator 9 through the connection line 21. Particles falling in the target grain size range fall down. A gas inlet 24 may be used to feed an additional gas stream 25 to the second separator 22 to control the second separation process. All of the additional classifying gas is discharged upwards from the second separator 22. These particles are separated from the gas stream in a cyclone 26 and a filter 27 installed downstream. The silver is discharged from the plant, overly finely milled particles fall downward from the cyclone and the filter, and streams 29 and 30 of the particles following the drop can be collected again in the vessel.

본 발명에 따른 장치에서, 실리콘 입자와 접촉하게 되는 부분은 라이닝이 제공된 내벽을 구비한 외부 금속 케이싱을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 사용되는 라이닝은 단결정 또는 다결정 형태의 실리콘 또는 플라스틱 재료이며, 바람직한 플라스틱 재료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 코폴리머, 퍼플루오로알콕시 코폴리머 또는 Halar® 등이다. 상기 재료들은 고순도 형태로 사용되는 것이 바람직하다.In the device according to the invention, it is particularly preferred that the part which comes into contact with the silicon particles comprises an outer metal casing with an inner wall provided with a lining. The linings used are silicone or plastic materials in monocrystalline or polycrystalline form, with preferred plastic materials being polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyurethane, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, perfluoroalkoxy copolymers or Halar ® and the like. The materials are preferably used in high purity form.

바람직하게는 다결정 또는 단결정 실리콘 또는 석영으로 만들어진 인라이너(inliner)는 이러한 방식으로 라이닝된 제트 챔버 또는 이러한 방식으로 라이닝 된 분리기 내에 포지티브 로킹 방식으로 설치되는 것이 특히 바람직하다. 라이닝 재료는 고순도 형태로 사용되는 것이 바람직하다. 인라이너들 사이 또는 라이닝과 인라이너 사이에는 밀봉이 필요하지 않다.It is particularly preferred that an inliner, preferably made of polycrystalline or monocrystalline silicon or quartz, is installed in a positive locking manner in a jet chamber lined in this way or in a separator lined in this way. The lining material is preferably used in high purity form. No sealing is necessary between the inliners or between the linings and the inliners.

본 발명에 따른 방법을 수행할 때, 미세한 실리콘 분진은 인라이너들 사이 또는 라이닝과 인라이너 사이의 갭을 채움으로써, 이들 갭은 작동 시간이 스트림에 따라 점차로 블로킹된다.When carrying out the method according to the invention, fine silicon dust fills the gaps between the inliners or between the linings and the inliners so that these gaps are gradually blocked as the operating time is streamed.

다른 분쇄 방법과 비교할 때 마모의 중요성은 부수적인 것이지만, 구성 요소인 제트 챔버, 제트 챔버/분리기 전이 부분 및 제1 분리기는 제품 수송 요소 중 나머지 부분에 비해 마모 정도가 더 큰 것으로 밝혀졌다(계수로 약 10 내지 100 만큼 마모가 더 높다). 따라서, 또 다른 바람직한 실시예에서, 구성 요소인 제트 챔버, 제트 챔버/분리기 전이 부분 및 제1 분리기는 폴리우레탄 단독으로 내부 라이닝되어 있는데, 그것은 폴리우레탄이 특별히 내마모성인 것으로 입증되었기 때문이다.While the importance of wear is secondary when compared to other grinding methods, the component jet chamber, jet chamber / separator transition part and the first separator have been found to have a greater degree of wear than the rest of the product transport element. Higher wear by about 10 to 100). Thus, in another preferred embodiment, the constituent jet chamber, jet chamber / separator transition part and the first separator are internally lined with polyurethane alone, since the polyurethane has proved to be particularly wear resistant.

공급 재료 및 제조된 실리콘 시드 입자의 분석을 비교한 결과, 이러한 형태의 장치가 사실상 오염 없이 밀링을 수행할 수 있는 것으로 입증되었다.Comparing the analysis of the feed material and the silicon seed particles produced, it has been demonstrated that this type of device can perform milling virtually without contamination.

도 4는 밀링 가스 유동 방향에 수직인 제트 챔버(32)의 단면을 나타낸다. 밀링 가스 유동(31)을 위한 유동 단면은 원형이다. 제트 챔버(32)의 금속계 본체에는 고순도 플라스틱(33)의 라이닝이 내측에 제공되어 있다. 유동 통로는 실리콘 인라이너(34)에 의해 범위가 정해진다. 4 shows a cross section of a jet chamber 32 perpendicular to the milling gas flow direction. The flow cross section for the milling gas flow 31 is circular. The metal body of the jet chamber 32 is provided with a lining of high purity plastic 33 inside. The flow passage is delimited by the silicon inliner 34.

도 5는 밀링 가스의 유동 방향에 수직인 지그재그형 분리기 중 하나의 단면을 나타낸다. 밀링 가스 유동(35)을 위한 유동 단면은 직사각형이다. 금속계 본 체(36)에는 고순도 플라스틱(37)의 라이닝이 내측에 제공되어 있다. 유동 통로는 실리콘 인라이너(38)에 의해 범위가 정해진다. 5 shows a cross section of one of the zigzag separators perpendicular to the flow direction of the milling gas. The flow cross section for the milling gas flow 35 is rectangular. The metallic body 36 is provided with a lining of high purity plastic 37 inside. The flow passage is delimited by the silicon inliner 38.

가스 유동을 위한 유동 단면은 제트 챔버에서보다 제1 분리기에서 더 크다. 가스 유동을 위한 유동 단면은 제1 분리기에서보다 제2 분리기에서 더 크다.The flow cross section for the gas flow is larger in the first separator than in the jet chamber. The flow cross section for the gas flow is larger in the second separator than in the first separator.

도 6은 밀링 가스의 유동 방향으로 제트 챔버의 부분의 길이 방향 단면으로서, 실리콘 인라이너(34a, 34b)가 설치되어 있는 것을 나타낸다. 상기 인라이너(34a, 34b)는 제트 챔버(32)의 금속계 본체 내에 포지티브 로킹 방식으로 설치되어 있고, 제트 챔버(32)에는 고순도 플라스틱(33)의 라이닝이 제공되어 있다. 어떠한 특수 부착물 또는 접착성 접합이 필요하지 않다. 각각의 인라이너(34a, 34b)는 돌출부 및 리세스에 의해 서로 연결된다. 형성된 갭(39)은 설비가 가동되는 동안 초미세한 분진으로 채워짐으로써, 인라이너에 대한 추가적 안정성을 제공한다. 플라스틱 라이닝이 설치되어 있기 때문에, 밀링된 제품은 인라이너 후방으로 이동됨으로 인한 오염이 이루어질 수 없다.Fig. 6 is a longitudinal cross section of the part of the jet chamber in the flow direction of the milling gas, showing that silicon inliners 34a and 34b are provided. The inliners 34a and 34b are installed in a positive locking manner in the metal body of the jet chamber 32, and the jet chamber 32 is provided with a lining of high purity plastic 33. No special attachments or adhesive bonds are necessary. Each inliner 34a, 34b is connected to each other by a protrusion and a recess. The formed gap 39 is filled with very fine dust while the plant is running, providing additional stability to the inliner. Since the plastic lining is installed, the milled product cannot be contaminated by being moved behind the inliner.

이하의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이다.The following examples are intended to illustrate the present invention in more detail.

실시예Example 1 One

도 3에 도시된 바와 같은 밀링 설비에서 고순도 실리콘 과립체를 분쇄했다. 밀링의 목적은, 그레인 크기 분포가 약 250∼4,000 ㎛이고, 평균 직경(질량 기준)이 711 ㎛인 실리콘 과립체로부터, 그레인 크기 분포가 약 150∼500 ㎛이고, 평균 직경(질량 기준)이 300∼400 ㎛인 실리콘 시드 입자를 제조하는 것이었다.High purity silicon granules were ground in a milling facility as shown in FIG. 3. The purpose of milling is from a silicon granule having a grain size distribution of about 250 to 4,000 μm, an average diameter (mass basis) of 711 μm, a grain size distribution of about 150 to 500 μm, and an average diameter (mass basis) of 300 Silicon seed particles having a size of ˜400 μm were prepared.

제트 챔버의 유동 단면은 3,020 ㎟, 제1 지그재그형 분리기의 유동 단면은 4,200 ㎟, 제2 지그재그형 분리기의 유동 단면은 19,600 ㎟였다. 밀링 유동 노즐인 Laval 노즐은 직경이 4 mm인 가장 좁은 원형 단면을 가졌다. 제트 챔버의 길이는 550 mm였다.The flow cross section of the jet chamber was 3,020 mm 2, the flow cross section of the first zig-zag separator was 4,200 mm 2, and the flow cross section of the second zig-zag separator was 19,600 mm 2. The Laval nozzle, a milling flow nozzle, had the narrowest circular cross section with a diameter of 4 mm. The length of the jet chamber was 550 mm.

상기 밀링 설비를 14.5시간 동안 가동했다. 이 경우 공급 재료의 평균 계량은 17.83 kg/h였다. 밀링 가스 유동을 품질 등급 5.5(순도>99.9995%)인 정제된 질소 52 ㎥/n(s.t.p.)로 설정하기 위해, 즉 로딩을 평균 0.274로 설정하기 위해 Laval 노즐을 사용했다. 제1 분리기로 일체의 추가적인 분급 가스 스트림을 계량 주입하지 않았다. 추가적인 분급 가스 스트림으로서 4 ㎥/n(s.t.p.)의 정제된 질소를 계량 주입했다.The milling plant was run for 14.5 hours. In this case the average metering of the feed material was 17.83 kg / h. Laval nozzles were used to set the milling gas flow to purified nitrogen 52 m 3 / n (s.t.p.) of quality grade 5.5 (purity> 99.9995%), ie to set the loading to an average of 0.274. No further classified gas stream was metered into the first separator. 4 m < 3 > / n (s.t.p.) of purified nitrogen was metered in as an additional classified gas stream.

제트 챔버/분리기 조합체 내의 압력은, 상기 설비의 배기 가스 스트림에서 흡입 장치를 이용하여 대체로 대기압 수준(1,013 hPa±100 hPa)으로 유지했다.The pressure in the jet chamber / separator combination was maintained at approximately atmospheric pressure levels (1,013 hPa ± 100 hPa) using suction devices in the exhaust stream of the facility.

밀링 가동 시, 제트 챔버 및 제1 분리기 내의 실리콘 과립체의 양은 전술한 바와 같은 중량 측정에 의해 일정하게 2.5 kg으로 제어했다.In the milling operation, the amount of silicone granules in the jet chamber and the first separator was constantly controlled to 2.5 kg by weight measurement as described above.

치수 및 가스 스트림이 주어졌을 때, 제트 챔버에서의 결과는 제1 분리기 분리 그레인 크기 516 ㎛ 및 제2 분리기 분리 그레인 크기 140 ㎛에 대해 분리 그레인 크기 623 ㎛이다.Given the dimensions and gas stream, the result in the jet chamber is 516 μm of separation grain size for the first separator separation grain size of 516 μm and for the second separator of separation grain size of 140 μm.

종합적으로, 258.5 kg의 실리콘 과립체를 밀링했으며, 그중 235 kg은 제1 분리기 하부에서 밀링된 제품으로서 포집했다. 20.7 kg의 미세한 입자는 사이클론 하부에서 포집했고, 추가 2.8 kg의 초미세 입자는 필터에서 가스 스트림으로부터 제거했다.Overall, 258.5 kg of silicone granules were milled, of which 235 kg were collected as milled product under the first separator. 20.7 kg of fine particles were collected at the bottom of the cyclone and an additional 2.8 kg of ultrafine particles were removed from the gas stream in the filter.

도 7은 공급 재료(실리콘 과립체) 및 밀링된 제품(실리콘 시드 입자)의 질량 기준 전반적 경로 분포를 나타내는 그래프이다. 도 8은 공급 재료(실리콘 과립체) 및 밀링된 제품(실리콘 시드 입자)의 질량 기준 분포 밀도를 나타내는 그래프이다. 실리콘 시드 입자는 337 ㎛의 평균 직경(질량 기준)을 가졌다. 불필요한 굵은 분획과 미세한 분획(500 ㎛보다 크거나 150 ㎛보다 작은 분획)의 비율은 약 8%였다.7 is a graph showing the overall path distribution by mass of feed material (silicone granules) and milled product (silicon seed particles). 8 is a graph showing the mass-based distribution density of feed material (silicone granules) and milled product (silicon seed particles). The silicon seed particles had an average diameter (mass basis) of 337 μm. The ratio of unnecessary coarse fraction to fine fraction (fractions larger than 500 μm or smaller than 150 μm) was about 8%.

질소의 소비량은 공급 재료 1 kg당 3.93 kg의 가스 또는 밀링된 제품 1 kg당 4.32 kg의 가스였다. 밀링된 제품의 수율은 공급 재료를 기준으로 90.9%였으며, 목표 그레인 크기 범위인 150 ㎛ 내지 500 ㎛에 포함되는 밀링 제품의 수율은 공급 재료를 기준으로 83.6%였다.The consumption of nitrogen was 3.93 kg of gas per kg of feed material or 4.32 kg of gas per kg of milled product. The yield of milled products was 90.9% based on the feed material, and the yield of milled products included in the target grain size range of 150 μm to 500 μm was 83.6% based on the feed material.

금속 오염에 대해, ASTM F1724-01에 따라 질량 분석법(ICP-MS: 유도 결합 플라스마 질량 분석법)을 이용하여 공급 재료와 밀링된 제품을 시험했다. 공급 재료와 밀링된 제품에 있어서 금속 철, 크롬 및 니켈에 대한 결과는 각각의 경우에 상기 분석법의 검출 한계 미만이었다. 상기 검출 한계는 철의 경우 2,100 pptw, 크롬의 경우 170 pptw, 니켈의 경우 400 pptw였다. 따라서, 밀링을 행하는 동안 실리콘 과립체의 금속 오염은 상기 분석법의 검출 한계 범위 내 또는 그 미만이다.For metal contamination, feed materials and milled products were tested using mass spectrometry (ICP-MS: inductively coupled plasma mass spectrometry) according to ASTM F1724-01. The results for metal iron, chromium and nickel in the feed material and milled product were in each case below the detection limit of the method. The detection limit was 2100 pptw for iron, 170 pptw for chromium and 400 pptw for nickel. Therefore, metal contamination of the silicone granules during milling is within or below the detection limit of the above method.

본 발명에 따른 장치를 이용하면, 입경이 300 ㎛ 내지 5,000 ㎛인 실리콘 과립체로부터 입경이 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛인 실리콘 시드 입자를 경제적으로, 또한 순수한 형태로 제조할 수 있다.Using the device according to the invention, silicon seed particles having a particle size of 50 μm to 1,000 μm can be produced economically and in pure form from silicon granules having a particle size of 300 μm to 5,000 μm.

Claims (17)

실리콘 과립체(granule)로부터 실리콘 시드(seed) 입자를 제조하는 장치에 있어서,An apparatus for producing silicon seed particles from silicon granules, 상기 실리콘 과립체의 크기는 300 ㎛∼5,000 ㎛이고, 상기 실리콘 시드의 크기는 50 ㎛∼1,000 ㎛이며,The silicon granules have a size of 300 μm to 5,000 μm, and the silicon seeds have a size of 50 μm to 1,000 μm, 단면이 원통형이고, 베이스에 제트 노즐(4)을 가진, 수직으로 설치된 제트 챔버(8),A vertically installed jet chamber 8 having a cylindrical cross section and having a jet nozzle 4 at the base, 상기 제트 챔버(8)에 직결된 향류 중력식 분리기(countercurrent gravity separator)(9), 및Countercurrent gravity separator 9 directly connected to the jet chamber 8, and 실리콘 과립체(2)의 주입용 입구(6)Inlet for injection of silicone granules (2) (6) 를 포함하고,Including, 상기 제트 노즐을 통해 밀링 가스 스트림(milling gas stream)(1)이 상기 제트 챔버(8)에 도입될 수 있고,Through the jet nozzle a milling gas stream 1 can be introduced into the jet chamber 8, 상기 제트 챔버(8)는 상기 밀링 가스 스트림을 상기 제트 챔버(8)의 단면까지 충분히 확대시키는 길이를 가지며, 상기 제트 챔버(8)의 유동 단면(cross section of flow)은 상기 향류 중력식 분리기(9)의 유동 단면보다 작은 것을 특징으로 하는The jet chamber 8 has a length which extends the milling gas stream sufficiently to the cross section of the jet chamber 8, the cross section of flow of the jet chamber 8 being the countercurrent gravity separator 9. Characterized by being smaller than the flow cross section of 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Apparatus for producing silicon seed particles. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제트 챔버(8)의 단면적이 상기 향류 중력식 분리기의 단면적보다 10∼30%, 바람직하게는 20∼30% 만큼 작은 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Apparatus for producing silicon seed particles, characterized in that the cross-sectional area of the jet chamber (8) is 10-30%, preferably 20-30%, smaller than the cross-sectional area of the countercurrent gravity separator. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제트 챔버(8)의 길이가, 상기 밀링 가스 스트림(1)이 상기 노즐(4)에서 출발하여 상기 제트 챔버의 단면까지 확대되는 지점에 도달할 때까지 필요한 거리의 2배 이상, 바람직하게는 2∼8배인 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.The length of the jet chamber 8 is at least twice the distance required, preferably until the milling gas stream 1 reaches a point starting from the nozzle 4 and extending to the cross section of the jet chamber. It is 2-8 times, The manufacturing apparatus of the silicon seed particle | grains characterized by the above-mentioned. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 실리콘 과립체(2)의 입구(6)가 상기 분리기 내부로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.A device for producing silicon seed particles, characterized in that the inlet (6) of the silicon granules (2) is open into the separator. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 제트 챔버(8) 및 상기 분리기(9) 내에 있는 실리콘 입자의 무게를 측정하는 칭량 유닛(weighing unit)(19)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Apparatus for producing silicon seed particles, characterized in that a weighing unit (19) is provided for measuring the weight of silicon particles in the jet chamber (8) and the separator (9). 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 실리콘 입자(2)의 중량은 밀링 효율이 최적으로 이루어질 수 있도록 상기 실리콘 입자(2)를 계량하는 제어 유닛에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Apparatus for producing silicon seed particles, characterized in that the weight of the silicon particles (2) can be controlled by a control unit for weighing the silicon particles (2) so that milling efficiency can be optimally achieved. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 6, 상기 향류 중력식 분리기(9)가 직사각형의 유동 단면을 가진 지그재그형 분리기인 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Apparatus for producing silicon seed particles, characterized in that the countercurrent gravity separator (9) is a zigzag separator having a rectangular flow cross section. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 제1 향류 중력식 분리기(9)의 유동 단면보다 큰 직사각형 유동 단면을 가진, 바람직하게는 지그재그형 분리기인 제2 향류 중력식 분리기(22)가 상기 제1 향류 중력식 분리기(9)에 이어서 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.The second countercurrent gravity separator 22, which is preferably a zig-zag type separator having a rectangular flow cross section larger than the flow cross section of the first countercurrent gravity separator 9, is installed next to the first countercurrent gravity separator 9. An apparatus for producing silicon seed particles, characterized in that. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 8, 가스의 분급용 추가적인 가스 입구(14, 24)가 분리기(9, 22)의 입구 영역에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.An apparatus for producing silicon seed particles, characterized in that an additional gas inlet (14, 24) for classifying gas is provided in the inlet region of the separator (9, 22). 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 9, 실리콘 입자와 충돌하게 되는 부분은 라이닝(lining)이 제공된 내벽을 구비한 외부 금속 케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Wherein the portion which is to collide with the silicon particles comprises an outer metal casing having an inner wall provided with lining. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 라이닝은 단결정 또는 다결정 형태의 실리콘, 또는 플라스틱 재료, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 또는 Halar®로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.The lining is a single crystal or polycrystalline form of silicon, or a plastic material, preferably polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyurethane, ethylene-silicon oxide particles, characterized in that consisting of tetrafluoroethylene or Halar ® by Manufacturing device. 제10항 또는 제11항에 있어서,The method according to claim 10 or 11, wherein 상기 라이닝이 제공된 부분에 인라이너(inliner)가 포지티브 록킹(positive locking) 방식으로 설치되어 있으며, 상기 인라이너는 바람직하게는 다결정 또는 단결정 실리콘, 또는 석영으로 만들어진 것을 특징으로 하는 실리콘 시드 입자의 제조 장치.Inliner (inliner) is provided in the part provided with the lining in a positive locking (positive locking) method, the inliner is a device for producing silicon seed particles, characterized in that preferably made of polycrystalline or monocrystalline silicon, or quartz. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 사용하여 실리콘 시드 입자를 형성하기 위한 실리콘 과립체의 분쇄(comminuting) 방법으로서,A method of comminuting silicon granules for forming silicon seed particles using the apparatus according to any one of claims 1 to 12, 밀링 구역(milling zone)(10) 내의 상기 실리콘 과립체로부터 고체 농도가 높은 유동층(fluidized bed)(7)이 형성되고, 상기 실리콘 과립체의 각각의 실리콘 입자가 고체 농도가 낮은 원통형 제트 챔버(8) 내에서 고속도 밀링 가스 스트림에 의해 가속화되어 고체 농도가 높은 상기 유동층(7)에 충돌하여 실리콘 과립체와 실리콘 입자가 분쇄되는 것을 특징으로 하는A fluidized bed 7 having a high solid concentration is formed from the silicon granules in the milling zone 10, and each silicon particle of the silicon granules has a low solid concentration cylindrical jet chamber 8. Is accelerated by a high-speed milling gas stream within the shell) and impinges on the fluidized bed 7 having a high solid concentration, thereby pulverizing silicon granules and silicon particles. 실리콘 과립체의 분쇄 방법.Grinding method of silicone granules. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 고체 농도가 높은 유동층(7)의 고체 농도는 20∼50 체적%이고, 상기 고체 농도가 낮은 유동층의 고체 농도는 10 체적% 미만, 바람직하게는 5 체적% 미만이되, 0.1 체적%보다는 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 과립체의 분쇄 방법.The solid concentration of the fluidized bed 7 having a high solid concentration is 20 to 50% by volume, and the solid concentration of the fluidized bed with a low solid concentration is less than 10% by volume, preferably less than 5% by volume, but greater than 0.1% by volume. Grinding method of silicone granules, characterized in that. 제13항 또는 제14항에 있어서,The method according to claim 13 or 14, 분쇄할 상기 실리콘 과립체의 입경이 300 ㎛ 내지 5,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 과립체의 분쇄 방법.A particle size of the silicon granules to be pulverized, characterized in that the silicon granules crushing method characterized in that 300 ㎛ to 5,000 ㎛. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 13 to 15, 사용되는 상기 밀링 가스(1)가 공기, 아르곤, 또는 질소, 특히 바람직하게는 99.9995 체적%보다 높은 순도를 가진 정제된 질소인 것을 특징으로 하는 실리콘 과립체의 분쇄 방법.Process for grinding silicon granules, characterized in that the milling gas (1) used is air, argon, or nitrogen, particularly purified nitrogen having a purity higher than 99.9995% by volume. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 13 to 16, 상기 밀링 가스 제트가 상기 노즐에서 300 m/s보다 빠른 속도로 상기 제트 챔버(8)에 유입되는 것을 특징으로 하는 실리콘 과립체의 분쇄 방법.The milling gas jet is introduced into the jet chamber (8) at a speed faster than 300 m / s at the nozzle.
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