KR20130040795A - 알루미늄-함유 규소를 정련시키는 방법 - Google Patents

알루미늄-함유 규소를 정련시키는 방법 Download PDF

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비슈 두트 도사즈
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다우 코닝 실리시오 두 브라질 인더스티리아 에 코메르시오 엘티디에이.
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Abstract

알루미늄-함유 규소를 정련시키기 위한 방법으로서, 알루미늄-함유 규소를 가열하여 용융된 알루미늄-함유 규소를 형성시키고; 칼슘, 산화칼슘, 및 탄산칼슘으로 구성된 군으로부터 선택된 칼슘 공급원, 및 임의의 실리카를 알루미늄-함유 규소에 첨가하고; 용융된 알루미늄-함유 규소를 산소에 노출시켜, 정련된 규소가 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 양 미만의 양의 알루미늄을 함유하도록 정련된 규소 및 부산물 슬래그를 생성시킴을 포함하는 방법이 본원에 제공된다.

Description

알루미늄-함유 규소를 정련시키는 방법{METHOD FOR REFINING ALUMINUM-CONTAINING SILICON}
본 발명은 규소 정제, 더욱 특히, 보다 우수한 순도를 지니는 규소를 생산하기 위해 알루미늄-함유 규소를 정련시킴으로써 규소를 정제하는 것에 관한 것이다.
태양광 용도를 위한 규소는 먼저 야금용 등급의 규소를 용융된 알루미늄과 합금시켜 초기에 약 25 내지 80중량%의 규소, 20 내지 75중량%의 알루미늄, 및 기타 불순물, 예컨대, 칼슘 및 붕소를 포함하는 규소-알루미늄 합금을 생성시킴으로써 생산될 수 있다. 이후, 규소-알루미늄 합금은 결정화 처리되어 대략 90중량%의 규소 및 10중량%의 알루미늄을 포함하는 규소 플레이크(flake)를 생성시킬 수 있다. 이후, 산처리가 이용되어 규소 플레이크로부터 추가 알루미늄을 제거하여 약 1000 내지 3000ppmw의 알루미늄을 함유하는 정제된 규소를 생산할 수 있다. 그러나, 그러한 규소가 결정화되어 태양광 등급의 용도에 적합한 규소를 생산할 수 있는 순도 수준에 도달하기 위해서는, 그러한 규소로부터 더 많은 알루미늄을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 전형적으로, 태양광 용도에는 6N(즉, 99.9999 질량%)의 규소 순도가 바람직하다.
알루미늄-함유 규소로부터 알루미늄의 추가 제거를 위한 한 가지 선택은 방향성 응고(directional solidification)이다. 그러나, 그러한 방법에는 고가의 반복 작업이 필요하고, 항상 상업적으로 실행가능할 수 없다. 추가로, 규소가 미량의 기타 불순물, 예컨대, 칼슘을 함유하는 경우, 정련시키는 동안 제거될 수 있는 알루미늄의 양은, 규소 중의 알루미늄에 대한 칼슘의 비율이 추가의 알루미늄 제거에 영향을 미치기 때문에 제한될 수 있다. 따라서, 규소가 태양광 등급의 용도에 사용될 수 있도록, 단지 소량의 불순물만이 존재하는 경우에도 추가량의 알루미늄을 제거하는, 규소의 추가 정제를 제공할 필요가 있다.
한 가지 구체예에서, 알루미늄-함유 규소를 정련시키기 위한 방법에는 Ca, CaO, 및 CaCO3으로 구성된 군으로부터 선택된 칼슘 공급원 및 임의의 SiO2를 알루미늄-함유 규소에 첨가하는 것이 포함된다. 알루미늄-함유 규소는 가열되어 용융되고, 용융된 알루미늄-함유 규소는 산소에 노출되어, 정련된 규소가 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 양 미만의 양의 알루미늄을 함유하도록, 정련된 규소 및 부산물 슬래그(slag)를 생성시킨다. 칼슘, 및 임의의 실리카의 공급원은, 가열이 수행되기 전에, 가열이 수행되는 동안에, 또는 가열이 수행된 후에, 알루미늄-함유 규소와 조합될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 알루미늄-함유 규소는 칼슘 및 임의의 실리카의 공급원의 첨가 전에 용융된다.
도면에 기재된 구체예는 본질상 예시적이고 대표적인 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예시적인 구체예의 하기 상세한 설명은 하기 도면과 함께 읽을 때 이해될 수 있으며, 도면의 구조는 참조 번호로 나타나 있다.
도 1은 본원에 기재되고 기술된 하나 이상의 구체예에 따라 알루미늄-함유 규소를 정련시키기 위한 대표적인 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
상세한 설명
본 발명의 구체예는 태양광 용도를 포함하지만, 이로 제한되지 않는 용도에 사용될 수 있는 순도를 지니는 정련된 규소를 생산하기 위해 알루미늄-함유 규소를 정련시키기 위한 방법을 제공한다. 특히, 본 발명의 구체예는 규소가 단지 미량의 기타 불순물들을 함유할 경우에도, 칼슘, 산화칼슘, 또는 탄산칼슘의 형태로 되어 있는 칼슘 공급원 및 산소의 첨가를 통해, 알루미늄-함유 규소로부터 알루미늄을 제거하는 방법을 제공한다. 임의로, 실리카가 또한 첨가될 수 있다. 본원에 사용된 표현 "알루미늄-함유 규소"는 약 1000 내지 약 12,000ppmw에 이르는 초기 양의 알루미늄, 예컨대, 10,000ppmw에 이르는 알루미늄, 또는 1,000ppmw 내지 3,000ppmw의 알루미늄과 단지 미량의 기타 불순물, 예컨대, As, B, Ca, Cr, Co, Cu, Fe, Pb, Mg, Mn, Mo, Ni, P, K, Na, Ti, V, Zn, 및 Zr을 포함하는 어떠한 규소 생성물을 지칭한다. 본원에 사용된 "미량"은 어느 하나의 불순물이 당해 분야에 공지된 방법, 예컨대, x-선 형광분석기 또는 ICP-MS(유도 결합 질량 분광기)에 의해 측정하는 경우, 약 30ppmw 미만임을 의미한다. 용어 "용융된 규소" 및 "용융된 알루미늄-함유 규소"는 본원에서 교체가능하게 사용되며, 용융 후의 알루미늄-함유 규소 물질을 지칭한다. 본원에서 사용된 용어 "정련된 규소"는 처리 후의, 초기 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄 양 미만의 알루미늄 함량을 지니는 규소를 지칭한다.
칼슘 공급원, 또는 칼슘 공급원과 실리카의 혼합물을 산소와 함께 알루미늄-함유 규소에 첨가함으로써, 초기 알루미늄 불순물을 적어도 일부 함유하는 분리가능한 부산물 슬래그가 생성된다. 본원에서 사용된 용어 "부산물 슬래그"는 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 정련 동안 용융된 알루미늄-함유 규소로부터 분리된 불순물을 함유하는 부산물을 지칭한다. 상기 방법은 초기 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 양 미만의 양의 알루미늄과 단지 미량의 기타 불순물들을 지니는 정련된 규소의 생산을 유발한다. 놀랍게도, 정련 동안 알루미늄-함유 규소에 대한 칼슘의 첨가는 정련된 규소 생성물 중의 칼슘의 양의 상당한 증가를 유발하지 않는다. 정련된 규소 생성물 중에는 단지 미량의 칼슘만이 존재한다. 더구나, 정련 공정은 약 12중량%에 이르는, 전형적으로 약 5 내지 12중량%까지 정련된 규소 생성물 중의 붕소(B) 함량의 감소를 유발한다. 일반적으로, 정련된 규소 중에 함유된 알루미늄의 양은 약 10 내지 약 100ppmw를 포함하고, 바람직하게는 약 50ppmw 미만의 알루미늄이다.
도 1을 참조하면, 정련된 규소 중의 알루미늄-함유 규소의 정련을 위한 대표적인 정련 방법(10)이 제공된다. 정련 방법(10)은 일반적으로, 예컨대, 산-처리된 규소 알루미늄 합금을 용융시킴으로써 용융된 알루미늄-함유 규소를 얻는 것을 포함한다. 알루미늄-함유 규소는 당해 분야에 공지된 다양한 공정 또는 방법을 통해 생산되거나 제공될 수 있다. 예를 들어, 당업자에게 인지되는 어떠한 다른 방법으로부터 생산되거나, 다르게는 시중의 공급업체로부터 구매된 규소 및 알루미늄은 상기 논의된 바와 같이 합금되고, 결정화되고, 산처리될 수 있다. 한 가지 특정 구체예에서, 알루미늄-함유 규소는 12,000ppmw에 이르는 초기 양의 알루미늄과 단지 미량의 기타 불순물들을 포함하는 규소 플레이크를 포함한다. 다른 구체예에서, 규소 중의 알루미늄의 초기 양이 12,000ppmw 또는 그 미만이고, 규소가 단지 미량의 기타 불순물들을 함유하는 한, 알루미늄-함유 규소는 다른 형태, 예컨대, 이로 제한되지는 않지만, 잉곳(ingot), 쇼트(shot) 또는 칩(chip)을 포함할 수 있다. 규소 중의 알루미늄의 초기 양은 전체적인 정련 방법(10), 예컨대, 정련 방법(10)이 정련된 규소 중의 알루미늄 양을 감소시키기 위해 수회 반복되고 수행되는 여부에 영향을 미칠 것이다.
한 가지 구체예에서, 알루미늄-함유 규소는 유도로(induction furnace)에 직접적으로 제공될 수 있다. 이후, 단계(100)에서 알루미늄-함유 규소는 가열되어 용융된 규소를 형성시킨다. 단계(100) 동안, 규소는 용융 상태로 규소를 환원시키기에 충분한 어떠한 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 규소는 1400℃ 내지 1700℃, 또는 1500℃ 내지 1600℃, 또는 대략 1550℃의 온도로 가열될 수 있다. 당업자에게 인식되는 바와 같이, 가열 온도는 단계(100) 전체에 걸쳐 달라질 수 있다. 따라서, 알루미늄-함유 규소가 약 1550℃의 온도로 가열된다고 할 때, 실제 온도는 변할 수 있으며 상기 온도에서 일정하게 유지될 수 없음을 인식해야 한다. 더구나, 알루미늄-함유 규소가 가열되는 온도는 정련 방법(10)에서 후속 단계 동안 요망되는 온도에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 정련 방법(10)의 후속 단계의 경우, 고온과는 반대로 저온(예를 들어, 약 1500℃ 미만의 온도)을 이용하는 것이 바람직할 수 있고, 단계(100)에서 알루미늄-함유 규소가 가열되는 온도로 후속 단계 동안 예상되는 열 손실을 고려할 수 있다. 따라서, 알루미늄-함유 규소를 용융된 규소로 용융시키는데 이용되는 실제 온도는 전체적인 정련 방법(10)의 후속 단계에 요망되는 온도뿐만 아니라 예상되는 열 손실 둘 모두에 부분적으로 좌우될 수 있다.
단계(100)에서 알루미늄-함유 규소의 가열 및 용융은 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 규소는 유도로, 저항로(resistance furnace), 또는 규소를 가열하고 용융시키는 기술 분야에 이용되는 어떠한 다른 기술을 이용하여 용융될 수 있다. 몇몇 구체예에서, 실질적으로 모든 규소가 용융됨에 따라 분산되도록, 3000회 미만의 순환 빈도로 유도로를 사용하여 격렬하게 교반되게 하는 것이 바람직할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 알루미늄-함유 규소는 가스-연소로(gas-fired furnace)에서 가열될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 알루미늄-함유 규소는 전기로(electrical furnace)에서 가열될 수 있다. 다르게는, 알루미늄-함유 규소를 용융시키데 작동될 수 있는 어떠한 다른 가열 장치가 규소를 용융시키기 위해 사용될 수 있다.
알루미늄-함유 규소가 단계(100)에서 용융 상태로 가열된 후, 용융된 규소가 산소에 노출된다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 용융된 알루미늄-함유 규소는 단계(200)에서 레이들(ladle)로 이동된다. 레이들은 용융된 규소로부터 열 손실을 감소시키고 용융된 물질 중에 산소의 주입을 가능하는데 작동될 수 있는 어떠한 야금용 레이들을 포함할 수 있다. 한 가지 구체예에서, 레이들은, 용융된 규소가 레이들에 위치되는 동안 용융된 규소 중에 산소의 주입을 용이하게 하는데 작동될 수 있는 정련 레이들의 상부로부터 다공성 플러그 또는 랜스(lance)를 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 용융된 규소로부터 열 손실을 추가로 감소시키기 위해 커버가 레이들 상에 위치될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 용융된 규소는, 용융된 규소 중에 가스 또는 가스들의 혼합물이 주입되게 할 수 있는 어떠한 다른 용기, 리셉터클(receptacle) 또는 다른 저장 장치로 이동될 수 있다.
단계(200)에서 용융된 알루미늄-함유 규소가 레이들로 이동되면, 단계(300)에서 칼슘 공급원이 용융된 알루미늄-함유 규소에 첨가된다. 임의로, 실리카 공급원(SiO2)이 또한 첨가될 수 있다. 다르게는, 칼슘 공급원과 임의의 실리카 공급원은, 용융된 알루미늄-함유 규소가 레이들로 이동되기 전에 정제 레이들의 바닥에 위치될 수 있다.
어느 한 특정 이론에 국한시키려 하는 것은 아니지만, 용융된 물질이, 예를 들어, 용융된 물질 중에 산소를 주입시킴으로써 산소에 노출되면 칼슘 공급원, 또는 임의의 칼슘과 실리카 공급원의 혼합물의 첨가가 부산물 슬래그의 생성을 통해 알루미늄의 제거를 유발하는 것으로 여겨진다. 즉, 적당량의 칼슘 공급원을 용융된 규소에 첨가하고, 용융된 규소를 요망되는 온도로 가열함으로써, 본원에 기재된 바와 같은 모든 칼슘은 그 자체를 용융된 규소 중에서 용해된 원소로서, 그리고 부산물 슬래그 중에서 산소로서 분배하는 것으로 여겨진다. 칼슘 공급원은 당업자에게 용이하게 구입가능하거나 시중에서 구매되는 수단에 의해 생성될 수 있다. 용융된 알루미늄-함유 규소에 첨가되는 칼슘의 양은 규소 중의 알루미늄의 초기 양 및 정련되는 규소의 전체 양에 따라 좌우된다.
1) 용융된 규소 중의 알루미늄의 초기 양, 및 2) 부산물 슬래그 중의 알루미늄의 타겟량을 인지함으로써 열역학적 이론을 이용하여 용융된 규소 중의 알루미늄의 양의 요망되는 감소를 이루기 위해서 용융된 규소에 첨가되는 칼슘의 적절량을 알 수 있다. 예를 들어, 약 50ppmw 미만의 정련된 규소 생성물 중의 알루미늄 함량을 달성하기 위해서, 초기의 규소-함유 알루미늄은 약 1550℃로 가열될 수 있으며, 초기의 알루미늄 함량에 따라 적당량의 칼슘이 첨가된다.
칼슘 공급원이 산화칼슘 또는 탄산칼슘으로서 첨가되는 경우, 첨가된 중량은 칼슘을 기준으로 하여 적절한 중량을 달성하기 위해 비례해서 계산되어야 한다. 임의로, 실리카(SiO2)가 알루미늄-함유 규소에 첨가되어 정련된 생성물의 알루미늄 감소를 도울 수 있다. 일반적으로, 알루미늄-함유 규소 물질 중의 약 0.05 내지 약 0.3중량%의 알루미늄의 농도에 대해, 칼슘은 알루미늄-함유 규소 물질의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.05 내지 약 3.0중량%의 칼슘 범위의 양으로 첨가될 수 있다. 알루미늄-함유 규소 물질 중에 존재하는 알루미늄의 중량%에 대한 알루미늄-함유 규소 물질에 첨가되는 칼슘의 중량%의 비율은 약 1 내지 약 10, 약 2 내지 약 7, 약 3 내지 약 6.5, 및 약 4.5 내지 약 5.5이다.
다시 말해서, 실리카의 첨가는 초기의 알루미늄-함유 규소 물질에 존재하는 알루미늄의 양에 좌우된다. 알루미늄-함유 규소 물질 중의 0.05 내지 약 0.3중량%의 알루미늄의 농도에 대해, 실리카는 알루미늄-함유 규소 물질의 총 중량을 기준으로 하여 약 1.0 내지 약 10.0중량%의 실리카 범위의 양으로 첨가될 수 있다. 전형적으로, 알루미늄의 중량%에 대한 실리카의 중량%의 비율은 약 0 내지 50, 약 20 내지 40, 약 25 내지 약 30, 및 약 26 내지 약 28의 범위일 것이다.
한 가지 구체예에서, 칼슘 공급원은 침강성 탄산칼슘(CaCO3)의 형태로 첨가될 수 있다. 그러한 구체예에서, 탄산칼슘은 용융된 규소의 중량%로 용융된 규소에 첨가된다. 첨가된 탄산칼슘은 용융된 규소 중량의 0.1중량% 초과 내지 10중량%, 1중량% 내지 5중량%, 또는 약 2.5중량% 범위일 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 용융된 규소에 첨가되는 탄산칼슘의 양은 규소 중의 알루미늄의 초기 수준, 부산물 슬래그 중의 알루미늄의 타겟량뿐만 아니라 정련된 규소 중의 알루미늄 및 칼슘의 요망되는 양에 좌우될 수 있다. 탄산칼슘은 산소, 질소, 또는 질소와 산소의 혼합물을 지니는 랜스를 통해, 분말화된 탄산칼슘, 또는, 임의로, 탄산칼슘과 실리카의 혼합물을 주입시킴으로써 용융된 규소 내에 도입될 수 있다. 탄산칼슘과 실리카(SiO2)의 임의의 첨가가 수행되어 요망되는 최종 부산물 슬래그 조성물을 제공한다.
어떠한 칼슘의 형태(예컨대, 칼슘, 산화칼슘, 또는 탄산칼슘)로 되어 있는 칼슘 공급원은 여러 방식으로 용융된 규소에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 구체예에서, 탄산칼슘은 용융된 규소의 배치에 직접적으로 첨가될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 산화칼슘은, 첫 번째로 채워지는 탄산칼슘이 용융된 알루미늄-함유 규소와 혼합된 후, 두 번째로 채워지는 산화칼슘이 첨가되도록 순차적으로 첨가될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 산화칼슘은 심지어 단계(100)에서 알루미늄-함유 규소를 가열하기 전에, 알루미늄-함유 규소에 첨가될 수 있다. 그렇지 않으면, 가열 단계(100) 동안 칼슘이 실질적으로 용융된 규소 중에서 용해되는 원소로서 분산되도록, 칼슘 공급원은 단독으로, 또는 다른 칼슘 공급원 또는 임의의 실리카와 조합되어 어떠한 다른 방식으로 첨가될 수 있다.
단계(300)에서 칼슘 및 임의의 실리카의 공급원이 첨가된 후, 단계(400)에서 용융된 규소가 산소에 노출된다.
용융된 알루미늄-함유 규소에 칼슘 공급원을 첨가하고, 이를 산소에 노출시키는 조합된 효과에 의해 저하된 알루미늄 함량을 지니는 정련된 규소 및 부산물 슬래그의 생산이 유발된다. 부산물 슬래그는 산화칼슘, 산화알루미늄, 및 실리카를 포함하는 반면, 정련된 규소는 규소 및 초기 알루미늄-함유 규소 물질 중의 알루미늄의 초기 양 미만의 양의 알루미늄을 포함한다. 또한, 정련된 규소는 초기 알루미늄-함유 규소 물질 중의 붕소의 초기 양 미만의 양의 붕소도 포함할 것이다. 특히, 초기에 알루미늄-함유 규소 중에 존재했던 알루미늄 및 기타 불순물(예컨대, 붕소)은 부산물 슬래그의 생성을 통해 적어도 일부 제거되며, 용융된 규소 배치로부터 제거된 알루미늄 및 기타 불순물은 부산물 슬래그(예를 들어, 산화칼슘, 산화알루미늄, 및 실리카) 중에 존재하는 각각의 성분의 양에 영향을 미친다. 부산물 슬래그와 정련된 규소 사이에서 야기되는 양호한 혼합을 위해서 바람직하게는 부산물 슬래그의 융점이 규소의 융점 미만이어야 함을 주목해야 한다. 더구나, 부산물 슬래그의 밀도, 점도, 및 융점으로 생산 공정에서 용융된 규소의 정련 정도(즉, 제거된 알루미늄의 양)의 예측이 가능하다.
용융된 알루미늄-함유 규소를 산소에 노출시키는 것은 정련된 규소가 상기 논의된 바와 같이 생성시키도록, 어떠한 이용가능한 방법을 이용함으로써, 그리고 용융된 규소 중의 알루미늄 및 칼슘을 부산물 슬래그로 산화시키도록 작용하는 어떠한 양으로, 산소를 용융된 규소에 첨가하는 것을 포함한다. 예를 들어, 용융된 규소를 하우징(housing)시키는 레이들이 다공성 플러그를 함유할 경우, 다공성 플러그를 통해 산소가 도입될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 산소는 산소 및 질소를 포함하는 가스성 혼합물로서 첨가될 수 있다. 예를 들어, 그러한 구체예에서, 가스성 혼합물은 약 50 내지 약 95중량%의 산소와 약 5 내지 약 50중량%의 질소, 또는 약 60 내지 약 90중량%의 산소와 약 10중량% 내지 약 40중량%의 질소, 또는 약 80중량%의 산소와 약 20중량%의 질소의 혼합물을 포함한다(모두 중량%).
또한, 산소의 가스 유량은 용융된 규소의 전체 양뿐만 아니라 용융된 규소의 특정 조성물에 좌우하여 달라질 수 있다. 예를 들어, 한 가지 예시적인 방법에서, 320kg의 용융된 알루미늄-함유 규소에 대한 가스 유량은 약 5 내지 14Nm3/h이다. 용융된 규소는 부산물 슬래그 및 정련된 규소를 생성시키기에 충분한 시간 동안 산소에 노출된다. 전형적으로, 그러한 노출은, 예를 들어, 약 10분 내지 약 120분, 약 30분 내지 약 60분, 또는 약 45분 동안 이루어질 것이다.
단계(400)에서 칼슘 공급원을 함유하는 용융된 규소 물질이 산소에 노출되어부산물 슬래그 및 정련된 규소가 생성되면, 단계(500)에서 정련된 규소로부터 부산물 슬래그가 분리된다. 부산물 슬래그는 정련된 규소의 밀도 상보다 높은 밀도 상을 포함하여, 정련된 규소가 레이들로부터 배출됨에 따라 그 뒤에는 더 높은 밀도의 부산물 슬래그가 남게 된다. 또 다른 구체예에서, 정련된 규소는 스크린 또는 필터를 통해 통과되어 부산물 슬래그로부터 분리될 수 있다.
초기 알루미늄-함유 규소 중에 존재하는 알루미늄의 초기 양에 부분적으로 의존하여, 정련 방법(10)은 정련된 규소로부터 알루미늄의 추가 제거를 달성하기 위해 반복될 수 있다. 예를 들어, 단계(600)에서 초기 알루미늄-함유 규소 중에 존재하는 알루미늄의 초기 양은 예정된 한계 값(threshold value)에 의해 결정되고, 이와 비교될 수 있다. 한계 값은, 정련된 규소 배치 중의 알루미늄의 잔여량이 한계 값 초과일 경우, 단계(610)에 예시된 바와 같이 정련 방법(10)이 반복되도록 선택될 수 있다. 그러나, 정련된 규소 배치 중의 알루미늄의 잔여량이 선택된 한계 값이거나 그 미만일 경우(단계 620에 예시된 바와 같음), 추가 정제는 필요하지 않으며, 단계(700)에서 정련된 규소는, 예를 들어, 태양광 용도에 사용될 수 있다. 한 가지 예시적인 구체예에서, 정련된 규소 중에 남아 있는 알루미늄 함량에 대한 한계 값은 약 10ppmw 내지 약 100ppmw, 약 20ppmw 내지 약 75ppmw, 또는 약 50ppmw의 범위가 되도록 선택될 수 있다.
산소 또는 산소-함유 가스와 함께, 칼슘, 및 임의의 실리카의 공급원을 알루미늄-함유 규소에 첨가함으로써, 약 50ppmw 미만의 알루미늄과 단지 미량의 기타 불순물들을 지니는 정련된 규소가 생성될 수 있다. 하기 실시예는 알루미늄의 제거에 대해 탄산칼슘 및 산소를 알루미늄-함유 규소 물질에 첨가하는 것의 효과를 입증한다. 비교예 1은 알루미늄-함유 규소를 칼슘 공급원을 첨가하지 않으면서 산소와 질소의 혼합물로 정련시키는 경우, 규소의 알루미늄 함량이 상당히 저하되지 않음(즉, 규소로부터 알루미늄이 거의 제거되지 않거나 제거되지 않음)을 입증한다. 실시예 2 및 3은 알루미늄-함유 규소가 산소 및 칼슘 공급원(예를 들어, 탄산칼슘)으로 정련될 경우, 초기 알루미늄-함유 규수 물질 중의 알루미늄의 초기 량 미만의 양의 알루미늄을 지니는 정련된 규소가 생성됨을 입증한다.
비교예 1
비교예 1에서, 알루미늄-함유 규소를 칼슘을 첨가하지 않고 정련시켰다. 출발 시, 310kg의 알루미늄-함유 규소를 용융시키고 야금용 레이들에 넣었다. 규소 중의 알루미늄의 초기 양(즉, 정련시키기 전 알루미늄의 양)은 1054ppmw인 것으로 측정되었다. 70중량%의 산소 및 30중량%의 질소를 포함하는 가스성 혼합물을 레이들의 바닥 부근에 설치된 플러그를 통해 야금용 레이들 내에 도입시켰다. 가스성 혼합물을 대략 14Nm3의 유량으로 약 65분 동안 주입시켰다. 정련시키고, 부산물 슬래그로부터 분리시킨 후, 정련된 규소 중에 남아 있는 알루미늄의 양은 1040ppmw인 것으로 측정되었다. 정련시키기 전 용융된 규소의 온도는 1559℃였고, 산소 함유 가스에 노출시킨 후 용융된 규소의 온도는 1409℃였다.
실시예 2
실시예 1에서와 같이, 출발 물질로서 알루미늄-함유 규소를 사용하였다. 산소의 도입 전 용융된 규소에 탄산칼슘을 첨가하였다. 출발 시, 288kg의 알루미늄-함유 규소를 용융시키고 야금용 레이들에 넣었다. 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 초기 양은 1920ppmw인 것으로 측정되었다. 이후, 용융된 규소 물질에 7kg의 침강성 탄산칼슘을 첨가하였다. 80중량%의 산소 및 20중량%의 질소를 포함하는 가스성 혼합물을 레이들의 바닥 부근에 설치된 플러그를 통해 야금용 레이들 내에 도입시켰다. 가스성 혼합물을 대략 14Nm3의 유량으로 약 45분 동안 주입시켰다. 정련시키고, 부산물 슬래그로부터 분리시킨 후, 정련된 규소 중에 남아 있는 알루미늄의 양은 1876ppmw의 알루미늄이 감소된, 44ppmw인 것으로 측정되었다. 정련시키기 전 용융된 규소의 온도는 1544℃였고, 정련시킨 후 용융된 규소의 온도는 1410℃였다.
실시예 3
실시예 1에서와 같이, 출발 물질로서 알루미늄-함유 규소를 사용하였다. 산소의 도입 전 용융된 알루미늄-함유 규소에 탄산칼슘을 첨가하였다. 출발 시, 283kg의 알루미늄-함유 규소를 용융시키고 야금용 레이들에 넣었다. 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 초기 양은 1275ppmw인 것으로 측정되었다. 이후, 용융된 규소 물질에 7kg의 침강성 탄산칼슘을 첨가하였다. 80중량%의 산소 및 20중량%의 질소를 포함하는 가스성 혼합물을 레이들의 바닥 부근에 설치된 플러그를 통해 야금용 레이들 내에 도입시켰다. 가스성 혼합물을 대략 14Nm3의 유량으로 약 45분 동안 주입시켰다. 정련시킨 후, 정련된 규소 중에 남아 있는 알루미늄의 양은 1876ppmw의 알루미늄이 감소된 18ppmw인 것으로 측정되었다. 정련시키기 전 용융된 규소의 온도는 1557℃였고, 정련시킨 후 용융된 규소의 온도는 1408℃였다.
"특히", "바람직하게는", "일반적으로", 및 "전형적으로" 등과 같은 용어는 특허청구된 본 발명의 범위를 제한하거나, 임의의 특징이 특허청구된 본 발명의 구조 또는 기능에 결정적이거나, 필수적이거나, 또한 중요함을 암시하는 것으로 본원에서 사용되지 않았음이 주목된다. 오히려, 이러한 용어들은 단지 본 발명의 특정 구체예에 이용될 수 있거나 이용될 수 없는, 대안적이거나 추가적인 특징을 강조하는 것으로 의도된다. 또한, "실질적으로" 및 "약"과 같은 용어는 어떠한 양적인 비교, 값, 측정, 또는 다른 표현에 영향을 줄 수 있는 내재된 불확실한 정도를 나타내기 위해 본원에 이용됨이 주목된다.
본 발명은 상세하게, 그리고 본 발명의 특정 구체예를 참조로 기술되어 있으며, 첨부된 특허청구범위에서 규정된 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 변화 및 변형이 가능하다는 것은 자명할 것이다. 더욱 특히, 본 발명의 몇몇 양태가 본원에서 바람직하거나 특히 유리한 것으로 여겨지지만, 본 발명은 본 발명의 이러한 바람직한 양태로 반드시 제한되지 않는 것으로 사료된다.

Claims (16)

  1. 알루미늄-함유 규소를 가열하여 용융된 알루미늄-함유 규소를 형성시키고;
    칼슘, 산화칼슘, 및 탄산칼슘으로 구성된 군으로부터 선택된 칼슘 공급원을 알루미늄-함유 규소에 첨가하고;
    용융된 알루미늄-함유 규소를 산소에 노출시켜 정련된 규소 및 부산물 슬래그(slag)를 생성시킴을 포함하는 알루미늄-함유 규소를 정련시키기 위한 방법으로서, 상기 정련된 규소가 상기 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 양 미만의 양의 알루미늄을 함유하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 용융된 알루미늄-함유 규소에 실리카를 첨가함을 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 약 1.0 내지 약 10.0중량%의 실리카가 첨가되는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 알루미늄 중량%에 대한 실리카 중량%의 비율이 약 20 대 약 40의 범위인 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 용융시키기 전에 상기 칼슘 공급원이 알루미늄-함유 규소에 첨가되는 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 용융시키기 전에 상기 실리카가 알루미늄-함유 규소에 첨가되는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄-함유 규소 중의 알루미늄의 초기 양이 약 1,000 내지 약 12,000ppmw를 포함하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 정련된 규소 중의 알루미늄의 양이 약 100ppmw 미만을 포함하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 알루미늄-함유 규소 물질에 존재하는 알루미늄 중량%에 대한 알루미늄-함유 규소 물질에 첨가되는 칼슘 중량%의 비율이 약 1 내지 약 10인 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 칼슘 공급원이 침강성 탄산칼슘을 포함하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 산소가 산소와 질소의 혼합물을 포함하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 혼합물이 약 60중량% 내지 약 90중량%의 산소 및 약 10중량% 내지 약 40중량%의 질소를 포함하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 용융된 알루미늄-함유 규소가 약 30분 내지 약 100분 동안 산소에 노출되는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄-함유 규소가 초기 양의 붕소를 포함하고, 상기 정련된 규소가 붕소의 초기 양 미만의 양의 붕소를 포함하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 부산물 슬래그가 산화알루미늄, 산화칼슘, 및 실리카를 포함하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 부산물 슬래그의 융점이 상기 정련된 규소의 융점 미만인 방법.
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