KR20120069202A - 금속 실리콘 분말 생산 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 실리콘 분말 생산 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생산 공정의 안전성을 확보한 상태에서, 금속 실리콘 럼프를 요구 입도의 금속 실리콘 분말로 분쇄하고, 그 요구 입도 구간에서 높은 생산 수율을 가지는 금속 실리콘 분말 생산 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정은, (a) 금속 실리콘 럼프를 죠 크러셔(jaw chrusher)에 투입하고 분쇄시켜 금속 실리콘 입자를 생성하는 단계; (b) 상기 금속 실리콘 입자를 해머 크러셔(hammer crusher)로 이송시켜 분쇄하여 1차 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; (c) 상기 1차 금속 실리콘 분말을 해머 밀(hammer mill)로 이송시켜 분쇄하여 2차 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; (d) 상기 2차 금속 실리콘 분말을 스크린에서 입도 분급하고, 요구입도를 만족시키는 금속 실리콘 분말을 자력 선별하여 최종 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 요구입도를 만족시키지 못하는 금속 실리콘 분말은 상기 해머 밀로 이송시켜 재분쇄한 후, 상기 (d) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 실리콘 분말 생산 공정{PROCESS FOR PRODUCING METALLIC SILICON POWDER}
본 발명은 금속 실리콘 분말 생산 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생산 공정의 안전성을 확보한 상태에서, 금속 실리콘 럼프를 요구 입도의 금속 실리콘 분말로 분쇄하고, 그 요구 입도 구간에서 높은 생산 수율을 가지는 금속 실리콘 분말 생산 공정에 관한 것이다.
금속 실리콘 분말은 일반적으로 반도체나 태양전지의 기판 등에 사용되는 다결정 실리콘 잉곳이나 유기실리콘에 사용되는 메틸클로로실란의 원료로 사용된다. 이 때 유동층 반응기(Fluidized Bed Reactor: FBR)를 이용하게 되며, 원료인 금속 실리콘 분말을 유동층 반응기에 투입하기 위해서는 적당한 입도가 요구된다. 이 입도를 만족시키는 금속 실리콘 분말을 제조하기 위해서 여러 가지 분쇄 방법이 사용되고 있다.
종래에 주요 실리콘 제조회사에서 금속 실리콘 분쇄 공정에 사용하는 분쇄 설비는 볼 밀(ball mill), 롤 크러셔(roll crusher), 롤러 밀(roller mill), 임팩트 밀(impact mill) 등이 있다. 이러한 분쇄 설비에 의한 분쇄 방법에 의해 금속 실리콘을 분쇄하면, 50 ~ 450㎛의 분말 크기 범위 밖의 입자가 발생되어 전체 수율이 감소하게 된다.
또한, 금속 실리콘 분진에 의한 폭발이 야기될 수 있으므로, 이를 방지할 수 있는 안전설비도 갖추어야만 하지만, 일반적으로 안전 설계에 대한 고려가 없어 왔다.
본 발명의 목적은 유기, 무기 실리콘 생산에 사용되는 금속 실리콘 분말을 높은 수율로 안전하게 분쇄하는 공정을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 다결정 실리콘 잉곳이나 메틸클로로실란(MCS)을 생산하기 위해 FBR공정에 적용되기 적합한 입도의 금속 실리콘 분말을 생산하고, 그 입도 구간의 수율을 높일 수 있는 공정과 이러한 공정이 안전하게 이루어질 수 있도록 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정은, (a) 금속 실리콘 럼프를 죠 크러셔(jaw chrusher)에 투입하고 분쇄시켜 금속 실리콘 입자를 생성하는 단계; (b) 상기 금속 실리콘 입자를 해머 크러셔(hammer crusher)로 이송시켜 분쇄하여 1차 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; (c) 상기 1차 금속 실리콘 분말을 해머 밀(hammer mill)로 이송시켜 분쇄하여 2차 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; (d) 상기 2차 금속 실리콘 분말을 스크린에서 입도 분급하고, 요구입도를 만족시키는 금속 실리콘 분말을 자력 선별하여 최종 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에서 요구입도를 만족시키지 못하는 금속 실리콘 분말은 상기 해머 밀로 이송시켜 재분쇄한 후, 상기 (d) 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 금속 실리콘 입자는 10 내지 40 mm 의 입도로 분쇄된 입자이며, 상기 (b) 단계에서, 상기 1차 금속 실리콘 분말은 1 내지 10 mmm의 입도로 분쇄된 분말이고, 상기 (c) 단계에서, 상기 2차 금속 실리콘 분말은 50 내지 450 ㎛의 입도로 분쇄된 분말이며, 상기 (d) 단계에서, 상기 요구 입도는 450 ㎛이하인 것이 바람직하다.
상기 해머 밀은 텅스텐 카바이드로 이루어진 내마모성 나이프 형태의 해머가 장착되어 1000 내지 3000 RPM으로 가동되고, 내부에 그레이트 바아(grate bar)가 2 ~ 10mm 간격으로 설치된 것이 바람직하다.
상기 실리콘 분말 생산 공정은 집진 장치에 의해 금속 실리콘의 분진이 포집되어 제거되는 공간에서 수행되되, 상기 집진 장치는 10.5 kg/cm2-g의 설계 압력을 가지는 것이 바람직하다.
상기 금속 실리콘 분말 생산 공정은 20 Nm3/min의 속도로 질소가 투입되어 산소농도가 8% 이하로 낮아지도록 유지되는 공간에서 수행되며, 산소 농도가 8%를 초과하면 상기 금속 실리콘 분말 생산 공정이 중단되고, 금속 실리콘의 분진 폭발 발생시 발생하는 충격을 폭발 배기구에서 해소시키며, 폭발 억제 장치가 분진 점화 발생 후 0.02초 내로 충격파를 감지하고, 0.025초 내에 중탄산 나트륨(NaHCO3)을 분사시켜 0.06초 내에 폭발을 소화시킬 수 있는 공간에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정은 안전 설비가 갖추어진 공간에서 금속 실리콘 럼프를 분쇄하여 실리콘 잉곳이나 MCS 생산공정의 원료로 사용하기에 적합한 50 ~ 450㎛ 입도의 금속 실리콘 분말을 생산하며, 금속 실리콘 분진 폭발 가능성을 최소화하여 생산할 수 있는 효과를 가진다.
즉, 본 발명은 금속 실리콘 럼프를 MCS나 폴리 실리콘의 생산공정에 투입 가능한 입도로 분쇄하는 공정에 있어서, 요구 입도인 50 ~ 450㎛ 금속 실리콘 분말을 생산할 때, 다른 분쇄 설비와 비교하여 과도하게 분쇄된 기준치 이하의 미분을 적게 발생 시키면서, 설비 투자비용 또한 저렴한 해머 밀을 이용하여 분쇄 후 스크린을 이용한 입도 분급에 따른 재분쇄와 자력선별을 거쳐 금속 실리콘 분말을 생산하고, 전 공정에 걸쳐 발생 가능한 금속 실리콘 분진 폭발을 막기 위해 전 공정에 걸쳐 안전설비를 장착하여 분진을 집진 장치로 제거하며, 공정 내의 질소투입과 산소농도 관리로 폭발을 방지하고, 폭발 발생시 순간적으로 이를 감지하고 소화하도록 설계하는 공정을 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정의 순서도를 도시한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정의 순서도를 도시한다.
본 발명에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정은 금속 실리콘 럼프를 죠 크러셔(jaw chrusher), 해머 크러셔(hammer crusher) 및 해머 밀(hammer mill)을 차례로 거쳐 요구 입도(50 ~ 450㎛)의 분말로 분쇄하는 단계와, 스크린을 이용한 입도 분급에 따른 해머 밀에 의한 재분쇄와 자력선별을 거쳐 요구 입도를 만족시키는 금속 실리콘 분말만을 얻는 단계를 포함한다. 이를 보다 자세히 설명하면 하기와 같다.
일반적으로 볼 밀이나 롤러 밀의 경우 50㎛ 이하의 입자가 약 30 ~ 50% 이상 발생하여 수율 저하로 인해 손실발생이 심하게 된다. 롤 크러셔(roll crusher)의 경우에는 450㎛ 이상의 입자가 많아지므로 생산성의 문제가 야기될 수 있다.
충격식 해머 밀을 사용한 실험의 경우 50 ~ 450㎛ 입도구간에서 41.6 %의 수율을 보이며 50㎛ 미만의 입도의 미분이 6.4%이고, 450㎛이상의 분말이 52.0%로서, 비교적 적은 미분이 발생 하였으며, 볼 밀의 경우는 50㎛ 미만의 미분이 32.2%로 비교적 많이 발생 하였다. 따라서 본 발명은 50㎛ 미만의 입도를 가진 미분이 적게 발생되도록 해머 밀을 사용한다.
먼저 금속 실리콘 럼프를 호이스트(hoist)에서 언로딩 호퍼(hopper)로 공급하여 벨트 컨베이어에 의해 죠 크러셔로 이송한다 (S10 단계).
금속 실리콘 럼프는 죠 크러셔에서 약 10 ~ 40mm 입도의 금속 실리콘 입자로 파쇄된다(S20 단계).
이후, 금속 실리콘 입자를 해머 크러셔(hammer crusher)로 분쇄하여 약 1 ~ 10mm 입도로 된 1차 금속 실리콘 분말을 만든다(S30 단계).
1차 금속 실리콘 분말을 버킷 엘리베이터를 이용해 분쇄 공정에 투입 가능한 높이까지 올려 버퍼 사일로(Buffer silo)에 담고(S40 단계), 버퍼 사일로에서 해머 밀로 공급하며, 해머 밀에서 50 내지 450 ㎛의 입도를 가진 2차 금속 실리콘 분말로 분쇄한다(S50 단계).
해머 밀은 마모와 오염방지를 위하여 텅스텐 카바이드 재질의 나이프 해머(knife hammer)로 구성되고, 내부에 그레이트 바아(grate bar)가 2 ~ 10mm 간격으로 설치된다. 해머의 속도는 1000 ~ 3000RPM을 유지한다.
스크린에서는 450㎛ 이하의 입도를 가진 2차 금속 실리콘 분말만이 통과되고, 통과된 2차 금속 실리콘 분말은 자력 선별을 거쳐 불순물이 제거된다. 2차 금속 실리콘 분말은 5000 Gauss 이상의 자력 선별에 의해 불순물이 제거되는 것이 바람직하다(S60 단계).
450㎛를 초과하는 입도의 2차 금속 실리콘 분말은 다시 해머 밀로 재투입된다(S70 단계).
자력선별을 거친 최종 금속 실리콘 분말들을 그 용도와 위치에 따라 이후의 실리콘 제품의 생산 공정으로 이송하거나 저장 사일로(storage silo)로 이송하여 저장 후 이송한다(S80단계).
여기서 분쇄 공정 중에 일어날 수 있는 금속 실리콘 분진의 폭발을 막기 위해 공정 내부의 기체 조성과 환경 조건을 분석하고 조절하며 분진을 집진장치로 포집하여 제거한다. 집진 장치는 10.5 kg/cm2-g의 설계 압력을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 폭발 확산방지를 위하여 압력감지에 의한 소화 시스템을 설치하여, 폭발 시 이를 감지하고 소화하도록 한다.
설비 설계 압력을 폭발에 견딜 수 있도록 설계해야 하는데, 금속 실리콘 럼프 분쇄 및 이송 라인은 약 10 ~ 20 psig로 설계 압력을 설정하고, 분진 포집 및 이송 라인은 약140 ~ 170 psig로 설계 압력을 설정한다.
또한, 화재 확산 방지 대책으로 공정 전체에 걸쳐 화재 확산 차단 장치 (Explosion isolation valve)와 자동 소화 장치 (Explosion Suppression System)를 설치하며 폭발 압력을 외부로 방출하기 위해 폭발 환기구(Explosion Vent)를 설치한다.
그리고 분진 폭발 방지 대책으로 질소 투입과 산소 농도 측정이 이루어져야 하는데 질소는 럼프 피더(feeder) 이후부터 20 Nm3/min의 속도로 전체 라인에 투입되어 공정 내 산소 농도를 제한 산소 농도(8%) 이하로 낮추어야 하고 이에 사용된 질소는 수집되어 재활용 되어진다. 분쇄기의 배출구와 집진장치, 집진필터 등에는 산소 농도 측정기를 장착하여 일정 산소농도(8%)를 넘어갈 때 설비 강제 정지 장치를 장착한다.
또한, 분진 폭발 방지 대책으로서, 분쇄 공정에 사용되는 설비들을 전도성 재료로 사용하여 정전기로 인해 발생하는 불꽃의 발생을 방지하는 것이 바람직하고, 분쇄 설비에의 분진 축적을 적게 하기 위해 수평 빔의 사용을 최소화하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금속 실리콘 분말 생산 공정은 금속 실리콘의 분진 폭발 발생시 발생하는 충격을 폭발 배기구에서 해소시키며, 폭발 억제 장치가 분진 점화 발생 후 0.02초 내로 충격파를 감지하고, 0.025초 내에 중탄산 나트륨(NaHCO3)을 분사시켜 0.06초 내에 폭발을 소화시킬 수 있는 자동 소화 장치가 설치된 공간에서 수행되도록 설계된다.
위에 설명된 예시적인 실시예는 제한적이기보다는 본 발명의 모든 관점들 내에서 설명적인 것이 되도록 의도되었다. 따라서 본 발명은 본 기술 분야의 숙련된 자들에 의하여 본 명세서 내에 포함된 설명으로부터 얻어질 수 있는 많은 변형과 상세한 실행이 가능하다. 다음의 청구범위에 의하여 한정된 바와 같이 이러한 모든 변형과 변경은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 고려되어야 한다.

Claims (8)

  1. 금속 실리콘 분말 생산 공정에 있어서,
    (a) 금속 실리콘 럼프를 죠 크러셔(jaw chrusher)에 투입하고 분쇄시켜 금속 실리콘 입자를 생성하는 단계;
    (b) 상기 금속 실리콘 입자를 해머 크러셔(hammer crusher)로 이송시켜 분쇄하여 1차 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계;
    (c) 상기 1차 금속 실리콘 분말을 해머 밀(hammer mill)로 이송시켜 분쇄하여 2차 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 2차 금속 실리콘 분말을 스크린에서 입도 분급하고, 요구입도를 만족시키는 금속 실리콘 분말을 자력 선별하여 최종 금속 실리콘 분말을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 분말 생산 공정은
    (e) 상기 (d) 단계에서 요구입도를 만족시키지 못하는 금속 실리콘 분말은 상기 해머 밀로 이송시켜 재분쇄한 후, 상기 (d) 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 금속 실리콘 입자는 10 내지 40 mm 의 입도로 분쇄된 입자이며,
    상기 (b) 단계에서, 상기 1차 금속 실리콘 분말은 1 내지 10 mmm의 입도로 분쇄된 분말이고,
    상기 (c) 단계에서, 상기 2차 금속 실리콘 분말은 50 내지 450 ㎛의 입도로 분쇄된 분말이며,
    상기 (d) 단계에서, 상기 요구 입도는 450 ㎛이하인 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 해머 밀은
    텅스텐 카바이드로 이루어진 내마모성 나이프 형태의 해머가 장착되어 1000 내지 3000 RPM으로 가동되고, 내부에 그레이트 바아(grate bar)가 2 ~ 10mm 간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 분말 생산 공정은
    집진 장치에 의해 금속 실리콘의 분진이 포집되어 제거되는 공간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 집진 장치는 10.5 kg/cm2-g의 설계 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분발 생상 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 실리콘 분말 생산 공정은
    20 Nm3/min의 속도로 질소가 투입되어 산소농도가 8% 이하로 낮아지도록 유지되는 공간에서 수행되며, 산소 농도가 8%를 초과하면 상기 금속 실리콘 분말 생산 공정이 중단되는 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 실리콘 분말 생산 공정은
    금속 실리콘의 분진 폭발 발생시 발생하는 충격을 폭발 배기구에서 해소시키며, 폭발 억제 장치가 분진 점화 발생 후 0.02초 내로 충격파를 감지하고, 0.025초 내에 중탄산 나트륨(NaHCO3)을 분사시켜 0.06초 내에 폭발을 소화시킬 수 있는 공간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속 실리콘 분말 생산 공정.
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