NO151972B - Fremgangsmaate ved fremstilling av silisium eller ferrosilisium ved reduksjon av silisiumdioksyd - Google Patents

Description

Foreliggende o<p>pfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den

art som er angitt i krav 1's ingress.

Den for tiden dominerende metode for å fremstille elementært silisium eller ferrosilisium er i en åpen lysbueovn å til-føre karbon og kvarts, eventuelt med tilsettelse av jern eller jernoksyd, hvilke materialer i ovnens bunn som ved hjelp av lysbuer fra elektroder oppvarmes til høy temperatur hvormed karbonoksyd* reduseres og danner en smelte av silisium eller ferrosilisium som kan tappes fra ovnen. Imidlertid er metoden fra en del synsvinkler lite effektiv og problematisk. Under ovnsprosessen dannes broer av halvsmeltet materiale i massen, samt luftehuller gjennom hvilke gasstapet kommer opp. Massen må derfor regelmessig røres om og bearbeides, noe som

må skje periodevis med anordninger utenfor ovnen på grunn av varmen. På grunn av dette kan ikke ovnen stoppes, noe som medfører varme- og gasstap og derfor små muligheter til å stoppe prosessen energimessig og effektivt begrense miljø-påkjenningene. Ovnsprosessen er dessuten vanskelig å styre og oppbyggningen av silisiumkarbid i ovnen og tap av ureagert silisium-monoksyd kan ikke helt forhindres, noe som gir høyst 80 - 90 % utnyttelse av råvarer og energi. Produktets renhet er ikke spesielt god og er dessuten varierende og den avhenger av de anvendte råvarene.

Forsøk som er gjort til nå, for å få bukt med disse problem

har ikke vært fremgangsrike. Forandringer i prosessvariablene, såsom tilføringshastighéter,.. energitilførsel eller forholdet mellom satsene karbon og kvarts, har ikke mer enn maksimalt

kunnet påvirke ovnsdriften og utbyttet.

I de svenske patentskrifter nr. 220.338 og 363.084 er det kjent å fremstille særskilte utformede tilføringsstoffer for på denne måten å påvirke ovnsprosessen. Metodene har vist en viss forbedring av ovnsdriften men bare maksimalt kunnet påvirke utbyttet.

I det svenske patentskriftet nr. 382.042 er det også kjent å tilsette karbon og kvarts separat til ovnen og holde dem ad-skilt i forskjellige deler av ovnen. Ved dette kan behovet for omrøring i ovnen minskes, mens også i dette tilfelle vil prosessens effektivitet og dermed de sammenhengende problem bare i liten utstrekning kunne påvirkes.

Som følge av vanskelighetene ved å forbedre den konvensjonelle prosessen vesentlig, har det likeledes blitt gjort forsøk for å finne nye fremstillingsmåter for silisium. Disse omfat-ter forsøk med nye reduksjonsmiddel, slik som hydrogen og metaller, eller prosesser vedrørende silisiumets halogen-forbindelser, men disse metodene har enda ikke ført til kom-mersiell realisering, og med hensyn til de store investeringer som allerede er lagt i anlegg for fremstilling av silisium på konvensjonell måte, er det behov for å forbedre denne pro-sess i første rekke.

Foreliggende oppfinnelse er basert på en analyse av reaksjons-mønsteret i en silisium-reduksjonsovn, gjennom hvilken nye middel for påvirkning av ovnsprosessen har kommet frem.

Reaksjonen i en silisium-reduksjonsovn er basert på de følgende bruttoreaksjonsformler:

Den virkelige reaksjonen skjer imidlertid med en rekke mellomprodukter og i reaktorens gassfase foreligger det i ikke-ubetydelige mengder i det minste SiO, CO, C02, C, C2, C3, C^, C5, 0, 02, Si, Si2, Si3, Si02, Si2C, C2Si, N, NO og N2.

I kondensert fase foreligger i ikke-ubetydelige mengder i det

minste Si,,.,, C, ., SiO,.,,,, SiO_ ,... , SiO,.,, , >

(1) (s) 2(1) 2(kristobalitt) 2(kvarts) og -SiC, v. Av mellomproduktene er silisium-monoksyd, SiO, og silisiumkarbid, SiC, de viktigste ettersom disse produseres som biprodukter i ovnen, hvormed SiO avgår i gassfase ved ovnstoppen, mens SiC akkumuleres i ovnen og opphører ved peri-odiske stopp av ovnen. Blant annet fører følgende reaksjoner til dannelse av silisium-monoksyd i reaktoren:

Silisiumkarbid dannes blant annet av følgende reaksjoner:

Disse mellomprodukter er nødvendige for å erholde sluttproduktene elementært silisium. Riktignok kan silisium dannes direkte av karbon og kvarts, men det fordrer meget høye temperaturer og gir dårlig utbytte. I vanlige ovner dannes silisium hovedsaklig ved følgende reaksjoner: hvorved en del av monoksydet som reagerer i overensstemmelse med reaksjon VIII kan dannes i overensstemmelse med reaksjon II om karbon er nærværende. Av reaksjonssambandet II, III, VII og VIII fremgår det at silisium dannes ved reaksjonen mellom karbid, eventuelt også karbon, og silisiumoksyder, men at forholdene mellom produktene silisium, silisium-monoksyd og karbonmonoksyd kan variere på grunn av reaksjonenes innbyrdes dominans. Når karbon ikke er nærværende i reaksjonssonen kan sumreaksionen derfor skrives:

hvor x teoretisk kan variere mellom 0.5 og 2. Det karbid som forbrukes i denne reaksjonen må gjendannes i reaktoren. Dette skjer i høyere beliggende, tilsvarende deler av ovnen, hovedsaklig gjennom reaksjonene V og VI som nevnt ovenfor, da silisium og karbon ikke kommer i kontakt med hverandre i en teknisk silisiumovn i en slik utstrekning at reaksjonen IV nevneverdig bidrar til karbiddannelsen. Dette innebærer at et mol silisium-monoksyd pr. mol silisium i det minste tilsvarer en x-verdi på maksimalt 1, må dannes ved reaksjonen mellom kvarts og silisiumkarbid og senere omsettes til karbid

for at karbidinnholdet i ovnen ikke skal avta. Det er for-øvrig vanskelig å tilveiebringe x-verdien overstigende 1 i en silisiumovn. Dersom x er mindre enn 1, hvilket er det normale, kan man teoretisk drive ovnen på alternative måter. Hvis alt dannet silisium-monoksyd omsettes til karbid ifølge formel V, f.eks. ved tilsetning av en stor mengde karbon pr. sats-mengde kvarts, erholdes en nettoproduksjon av karbid i ovnen tilsvarende (1-x). Dette er ikke noen tilfredsstillende løs-ning ettersom dette fordrer regelmessig stopp av ovnen og utgravning av innholdet. Om man istedet tilsetter en mindre mengde karbon enn den støkiometriske nødvendige , kan en nettoproduksjon av karbid undertrykkes ved hovedsaklig ikke å om-sette mer enn et mol monoksyd til karbid, men man får istedet et tap på ureagert silisium-monoksyd fra ovnstoppen eller en omsetning av monokyd i ovnen til silisiumdioksyd ifølge formel VI som ovenfor nevnt. Selv disse alternativ er problem-fulle. Silisium-monoksyd som forlater ovnen reagerer til silisiumdioksyd og danner et finfordelt støv som innebærer miljøpåkjenninger foruten et materialtap om det får fritt gå fra ovnen til omgivelsene. Fraskillelse av støvet kan skje, men kun med vanskeligheter på grunn av dets finfordelte natur. Det er blitt gjort forsøk for å tilbakeføre slikt støv til ovnen, gjennom hvilket materialtapet elimineres. Tilbake-førelsen medfører dog en ikke ønskelig påvirkning på ovnsdriften og prosessens energiøkonomi, som er kostnadsmessig den tyngste delen, forbedres dessuten ikke, ettersom den energi som returnerer for å redusere kvartsen til monoksyd ikke gjenvinnes og denne energi er nesten like stor som før totalreduksjonen av kvarts til elementært silisium. Dersom overskuddet av silisium-monoksyd direkte holdes tilbake i ovnen ved reaksjonen VI, som ovenfor nevnt, f.eks. ved av-kjølning av ovnstoppen, minsker energitapet, men utfellingen av silisiumdioksyd i massen forårsaker istedet de velkjente problemene med at massen klistrer seg sammen, noe som fører til lavere reaksjonshastighet for karbon, luftnings- og brodannelsen i massen, elektrodebrudd, stort bearbeidingsbehov av massen og krav på åpne ovner. De nå beskrevne alternative drifts-måter for silisiumovner er kun teoretiske ved at silisium-monoksyd i reelle ovner reagere ifølge alle reaksjonsveiene, dvs. karbid oppbygges, silisium-monoksyd går ut til omgivelsene og • kvartsutfellingen skjer i massen. I stedet for å følge den ideelle bruttoreaksjonsformelen I, som ovenfor nevnt, skjer derfor reaksjonen istedet i overensstemmelse med den ålmenne formelen:

hvor a alltid er mindre enn 1 og b og c er større enn 0. For i størst mulig grad å unnvike karbidoppbyggelse i ovnen, tilsettes som regel mindre karbon i forhold til kvartsmengden, omtrent tilsvarende en verdi på n av 1.8.

Samtlige av de overnevnte problem skulle kunne bli påvirket i gunstig retning, hvis ovnsprosessen kunne drives slik at det dels ved silisiumdannelsen bare et mol silisium-monoksyd dannes pr. mol, forbrukt silisiumkarbid og dels denne silisium-monoksyd kunne fullstendig omsettes til silisiumkarbid. Dette kan sies å tilsvare en ideell ovnsprosess.

Forholdet mellom dannede produkter i silisiumdannelsesreaksjonen IX, beror på temperaturen og en større mengde silisium, respektivt mindre mengde silisium-monoksyd, dvs. en høyere verdi av X, kan erholdes ved en forhøyelse av reaksjonstemperaturen. Dersom karbon er nærværende i reaksjonssonen skal mindre enn et mol karbon-monoksyd dannes pr. mol dannet silisium, selv om det i dette tilfelle påvirkes av reaksjonen i riktig retning av temperaturforhøyelse.

For å få en fullstendig omsetning av den fra silisiumdannelses-sonen avgående silisium-monoksyd. til karbid ifølge reak-

sjon V, fordres det at alternative reaksjonsveier for silisium-monoksyd/ først og fremst reaksjonen VI, undertrykkes. Ettersom reaksjonen VI er sterkt eksoterm, blir denne reaksjonen ugunstig av en temperaturforhøyelse og således skulle en temperaturforhøyelse selv her kunne utkomme med en full-stendigere karbid-dannelse. Ettersom silisium-monoksyd omsettes ifølge reaksjon V hovedsaklig i høyere liggende og svalere deler av ovnen, kommer mulighetene til å påvirke dets omsetningstemperatur til å bero på hele energibalansen i reaktoren, fremfor at forholdet mellom energi-innholdet i de oppover-

stigende gassene og varmekapasiteten i massematerialet, samt reaksjonshastigheten mellom gassfasen og den faste fasen.

Studier har imidlertid vist at om reaksjonstemperaturen for silisiumomsetningen kan forhøyes til en slik verdi at hovedsaklig like mye silisium-monoksyd dannes, som forbrukt karbid, så kommer også varmebalansen i ovnen til å bli slik at sili-siumdioksyddannelsen ifølge reaksjon VI vesentlig forminskes til fordel for dannelse av silisiumkarbid av silisium-monoksyd. Dette gjelder selv om en viss mengde karbon er nærværende i den hete delen av reaktoren slik at selv reaksjon II deltar.

Det er således viktig å kunne påvirke reaksjonstemperaturen

i ovnen slik at denne kan forhøyes i forhold til temperaturen i dagens ovner. En vesentlig temperatur forhøyelse er imidlertid vanskelig å tilveiebringe i praksis. Silisiumdannelses-reaksjonene VII og VIII er sterkt endoterme og reaksjonshastighetene stiger derfor kraftig selv ved små forhøyelser av temperaturen, hvorigjennom store energimengder konsumeres og temperaturen har en tendens til å gå tilbake til en lavere verdi. Da reaksjonshastigheten øker uten noen vesentlig temperaturforhøyelse, produseres bare flere produkter av hovedsaklig samme likevektssammensetning, hvilket i en vanlig ovn innebærer en øket produksjon av silisium-monoksyd som avgår fra ovnstoppen. Denne buffrende virkning på temperaturen av den endoterme silisiumdannelsesreaksjonen er så kraftig at en øket energitilførsel i en vanlig ovn ikke kan anvendes for å forhøye temperaturen vesentlig. Det samme gjelder de, i de tidligere nevnte svenske patentskriftene, foreslåtte tiltak for å modifisere satsstykkene og for å separere karbon og kvarts i ovnen. Likestilt med økningen i reaksjonshastighet, som fremskaffes av selv små temperaturforhøyelser, blir materialtransporten over råmaterialkornenes volum eller mellom ulike deler av ovnen ved reaksjonssonen av så under-ordnet betydning at effekten av ovnsprosessen blir liten.

Foreliggende oppfinnelse er basert på overnevnte resultat og overveielse og innebærer en ny måte å drive termiske silisium-reduksjonsovner.

Oppfinnelsen er særpreget ved det som er angitt i krav 1's karakteriserende del, ytterligere fordelaktige trekk fremgår av kravene 2-10.

Ved denne fremstillingsfremgangsmåte nærmer man seg den ideelle ovnsprosess som ovenfor antydet. Tiltakene innebærer at reaksjonstemperaturen i ovnen forhøyes slik at en mindre mengde silisiumoksyd dannes px. mol dannet silisium og at monoksyden bedre kan omsettes til karbid i ovnen. Ved dette kan mengden karbon pr. satset silisiumråvare forhøyes uten risiko for karbidoppbyggning, hvilket delvis innebærer færre nødvendige driftsstopp og bedre utnyttelse av råvarer. Avgasningstapene minsker også, hvorigjennom energiutbyttet forbedres kraftig samtidig som miljøpåkjenningene eller avfallsproblemene minsker. Den forbedrede omsetningen av silisium-monoksyd til karbid innebærer mindre utfelling av kvarts i ovnstoppen, noe som innskrenker brodannelsen i massen, innskrenker antallet av elektrodebrudd, innskrenker behovet for bearbeiding av massen, muliggjør stopping av ovnen hvilket er hensiktsmessig for gjenvinning av energiinnholdet i avgående karbonmonksyd-gass, innskrenkning av miljøpåvirkning og regulering av luft-tilførselen, samt innebærer det en generelt jevnere ovnsdrift med forbedrede styremuligheter.

Ytterligere fordeler og effekter ved oppfinnelsen fremgår av den detaljerte beskrivelsen av oppfinnelsen nedenunder samt av figurene som er vedlagt.

I disse viser fig. 1 en sammenheng mellom energitilførselen

og silisiumutbyttet for en konvensjonelt oppbygd ovn med satsing av komponentene i toppen for to ulike chargéringsforhold mellom karbon til silisiumdioksyd i massen. I det etterfølgende vil uttrykket "satsing" bli anvendt i stedet for "chargering".

Fig. 2 viser en lignende sammenheng for en ren bunnsatsing av silisiumdioksyd samt temperaturforholdene på ulike nivåer. Fig. 3 vi^ ser en foretrukket form for bunnsatsing av kun silisiumråvare mens fig. 4 viser en foretrukket form av bunnsatsing av både silisiumråvare og reduksjonsmiddel

Med en ovn skal det i foreliggende sak forstås en reaksjonssone innebefattende en varm energitilførselssone og en sval etterreaksjonssone. Til energitilførselssonen føres i det minste hoveddelen, fortrinnsvis hele, den for reduksjon av silisiumråvaren med reduksjonsmiddelet til silisium nødvendige energimengden samt kondenserte faser fra etterreaksjonssonen. Fra energitilførselssonen føres silisiumproduktene og en gassfase som ledes til etterreaksjonssonen. Til etterreaksjonssonen føres ut over gassfasen fra energitilførselssonen også et reduksjonsmiddel. Fra etterreaksjonssonen ledes et gassfase-produkt foruten de kondenserte faser som ledes til energitilf ørselssonen. Silisiumråvaren kan i kondensert form til-føres hvilken som helst av delsonene men i gassform kun energitilf ørselssonen. I en reaksjonssone av denne sort vil silisiumdannelsen vesentlig finne sted i energitilførselssonen mens silisiumkarbiddannelsen vesentlig vil skje i etter-reaks jonssonen. I en vanlig ovn tilsvarer energitilførselssonen området i bunnen av ovnen, nærmest omkring elektrodespissene mens etterreaksjonssonen tilsvarer høyere.liggende deler av ovnen. Noen eksakt definert eller lokalisert grense mellom sonene er det ikke, men det vesentlige er at det fins en temperaturgradient i reaksjonssonen.

En hvilken som helst bestanddel som inneholder oksyder av silisium, i det etterfølgende betegnet silisiumoksyder, kan i prin-sippet anvendes som silisiumråvarer. Rene silisiumoksyder foretrekkes vanligvis da disse ikke tilfører prosessen andre stoffer enn silisium og oksygen. Spesielt passende er faste sili-siumdioksyder, særskilt kvartsitt (i det etterfølgende betegnet som kvarts), da dette kan erholdes i relativt ren form. Små mengder naturlig forekommende silikater og aluminiumoksy-der kan f.eks. aksepteres sammen med silisiumdioksydet uten at renheten av sluttproduktet av silisium nedsettes alvorlig. Større mengder kationinneholdende silikater og oksyder kan aksepteres kun om renhetskravene ikke er for høye. Silisium-^monoksyd kan også anvendes i reaktoren, men utgjør i dette tilfelle kun et mellomprodukt i prosessen. Til reaktoren satses derfor normalt silisiumdioksydinneholdende råvarer. Ved fremstilling av ferrosilisium tilføres selv jem eller jernoksyd i ønsket molforhold med hensyn til sluttproduktet. Slik jernmasse kan føres sammen med silisiumråvaren, ved separat satsing eller sammen med reduksjonsmiddelet til etterreaksjonssonen. Det siste foretrekkes. Naturligvis kan mindre mengder av andre råvarer tilføres om andre legeringsstoffer ønskes i sluttproduktet. Detaljene i den nedenfor beskrevne prosessen avser i første rekke fremstilling av hovedsaklig ren silisium av silisiumdioksyd, for hvilket prosessen er spesielt passende.

Som reduksjonsmiddel foretrekkes karbonholdige stoffer, f.eks. organiske stoffer såsom treflis eller eventuelt tilgjengelig silisiumkarbid, men helst materialer med høyt karboninnhold såsom koks, steinkull eller trekull og fortrinnsvis temmelig rene slike.

Et viktig kjennetegn ifølge oppfinnelsen er at energitilfør-selen pr. satset mol silisiumdioksyd velges som styreparameter og innstilles slik at gassene i ovnstoppen får en viss sammensetning. Selv om, i overensstemmelse med hva som ovenfor er diskutert, temperaturen i reaksjonssonen er en viktig prosess-parameter, er det vanskelig å styre ovnen med ledning av denne, ettersom den dels er vanskelig å mate, dels varierer gjennom ovnen og varierer noe selv lokalt i reaksjonssonen. Heller ikke den kjemiske sammensetningen av reaksjonskomponentene i reaksjonssonen er en passende styrevariabel for cellen ettersom denne, selv om den lett kan faststilles, kan variere kraftig og dessuten befinne seg langt fra teoretisk kjemisk likevektssammensetning til tross for at den koblede kjemiske og termiske likevekten er veldig god. Dette henger igjen sammen med at den sterkt endoterme silisiumdannelsesreaksjonen som medfører at selv små temperaturvariasjoner fort kan føre likevektssammensetningen langt bort fra den rådende sammensetningen til tross for at sluttsammensetningen kan være ganske stabil. Et passende styreparameter har i stedet vist seg å være energitilførselen til ovnen pr. satset mengde silisiumråvare. Denne parameter er lett å faststille, er uavhengig av lokale systematiske og tilfeldige variasjoner i spørsmål om energi og sammensetning i reaktoren og innstilling av en passende verdi i dette forholdet gir et resultat som i høy grad er uavhengig av satsingsmåten og eventuelle overskudd av karbon i massen. Som et mål for ovnsprosessen ifølge ovenfor gitte kriterier avpasser seg særskilt innholdet i gassen ved ovnstoppen ettersom dette innhold ved ovnstoppen er tilfredsstillende stabilisert og temmelig uavhengig av mengden av masse, karbonoverskudd og mindre temperaturvariasjoner i toppen.

På grunn av likevektsvilkår for gassfasesammensetningen, relativt fastfase i en reaksjonssone av ovenfor angitte type, kommer alltid en viss mengde silisium-monoksyd til å være nærværende i gassfasen ved dennes utgang av reaksjonssonen. Innholdet ligger for vanlige silisiumovner normalt klart over 10 mol-%. Ifølge foreliggende oppfinnelse erholdes en riktig energibalanse i reaktoren ved et silisium-monoksydinnhold som er under 10 mol-%. En slik verdi gir en klar forbedring i forhold til kjente ovner i de ovenfornevnte diskuterte hensyn. Fortrinnsvis holdes innholdet under 5 mol-%, da bl.a. sili-siumdioksydutfellingsproblemene i ovnens overdel ved omtrent denne grense bortfaller, hvilket er en betydelig fordel like overfor alminnelig ovner ifølge det som ovenfor er diskutert. Fra utbyttesynspunkt holdes helst innholdet selv under 1,5 mol-%. Det lavest mulige innhold som kan erholdes med best innstilling til energitilførselforholdet beror hovedsaklig på temperaturen ved ovnstoppen, hvilken i sin tur beror på ovns-høyden, massesammensetning og eventuelle nedkjølningstiltak. Svalere avgasser gir lavere innhold av silisium-monoksyd, men også risiko for utfellingj av silisiumoksyd i massen. Om silisiumoksydutfelling kan aksepteres kan således silisium-monoksydinnholdet i avgående gasser føres ganske lavt, ved ned-kjølningstiltak, f.eks. indirekte nedkjølning eller direkte nedkjølning med vannoverspyling eller tilførsel av pyrolyser-bare stoffer såsom treflis. Med silisium-monoksydinnhold i foreliggende sak skal det imidlertid forstås det innhold som er upåvirket av eventuelle ekstra nedkjølnings- eller oksydasjonstiltak som foretas for å omdanne silisium-monc-oksyd til silisiumdioksyd og silisiumkarbid i reaktorens topp. Ettersom silisiumdioksyd utfelling ved temperaturer lavere enn 1750 - 1900 °K sikter således innholdsangivelsene til sammensetningen i gass som står i kontakt med reduktsjonsmiddel overstigende disse grensetemperaturer for utfellingen. Kun slike deler regnes til ovnens reaksjonssone. Under disse forut-setninger blir det laveste praktiske innhold temmelig uavhengig av ovnshøyde og massesammensetning og ligger for praktiske reaktorere hensiktsmessig over 0.05 mol-% og helst over 0.1 mol-%. For lave verdier fører til lav topptempera-tur og følsom drift. Innholdsangivelsene referer til verdien ved "steady state" i ovnen og om det forekommer større variasjoner i ovnsprosessen referer verdiene til tidsgjennomsnitt.

Den energimengde pr. mol statset silisium-monoksyd som skal tilføres reaksjonssonen beror på, foruten den teoretisk nød-vendige, reaksjonen og opprettholdelsen av energibalansen i reaksjonssonen selv av tap fra reaksjonssonen til omgivelsen og av eventuelle fuktige eller andre energikonsumerende stoffer i råvarene. Slike faktorer kan variere sterkt ved ulike prosesser, av hvilken grunn generelle verdier av energi-konsumering ikke kan gis. Energiverdiene blir noe ulike p.g.a. hvordan silisiumråvaren satses. Ved tilsetning av hele mengden til etterreaksjonssonen erholdes et samband mellom energitilførsel og utbytte ifølge fig. 1. Av figuren fremgår det at energien bør være over 87 5 kJ pr. mol silisium-di-oksyd og fortrinnsvis også over 878 kJ. Ved ca. 880 kJ foreligger karbon dypt nede i ovnen og en kraftig temperaturstigning må til for å holde silisium-monoksydproduksjonen nede. For å unngå skader på ovn og tappingsutrustning som følge

av temperaturstigning bør energitilførselen legges under denne verdi. Dagens ovner ligger normalt ikke over 870 kJ. Om all silisiumråvare tilføres energitilførselssonen blir den nødvendige energitilførsel noe høyere, hovedsaklig p.g.a. høyere temperaturer på avgående gasser fra reaksjonssonen. Energitilførselen framgår av fig. 2. Fortrinnsvis ligger den over 900, helst over 910 kJ pr. mol silisiumdioksyd. Ettersom en sterk temperaturstigning selv her erholdes ved større energitilførsel enn ca,915 kJ og dessuten silisiumutbyttet er best her, bør denne energi ikke overskrides, men at energitilførselen helst bør legges straks under denne verdien. Om halve mengden karbon satses sammen med silisiumdioksyd i energitilførselssonen blir partialtrykket av silisium-monoksyd lavere og den nødvendige energien stiger til minst 920 kJ, helst minst 940 kJ og hensiktsmessig høyest 980, helst høyst

960 kJ pr. mol silisiumdioksyd. Da silisiumråvaren satses delvis til etterreaksjonssonen og delvis til energitilførselssonen kommer energibehovet til å ligge mellom de ovenfor an-befalte verdiene. Selv om de angitte energiverdiene som ovenfor nevnt kun er teoretiske ved å tilsvare drift av ovnen uten tap, vil den prinsipielle fremgangsmåte i ovnen tilsvare det som er beskrevet ved endringer i energitilførselsforholdet og den teoretiske energikonsumeringen kan avgjøres fra ovnens fremgangsmåte. Ved forandringer i energitilførselen må man regne med en betydelig dødtid innen hele ovnen har oppnådd en ny likevektsstilling.

Forholdet mellom satset mengde karbon og satset mengde silisiumdioksyd uttrykt i mol er viktig for å erholde et lavt ut-gående innhold av silisium-monoksyd. Som nevnt ligger denne verdien normalt ikke over 1.8, men kan ifølge oppfinnelsen ligge: omkring 2. Fortrinnsvis ligger den ved toppmating mellom 1.95 og 2. Ved bunnmating blir konsumeringen av reduksjonsmiddel ikke direkte styrbart, men en konsekvens av ovnsdriften. Ved beregning av karbonsatsningen skal det regnes med den karbonmengde som tilføres ved konsumering av karbon-elektrodene, normalt ca. 10 % av hele karbonmengden.

Massematerialmengden i reaksjonssonen bør være tilstrekkelig stor for at en ytterligere økning av høyden på massen ikke nevneverdig skal påvirke toppgassenes sammensetning. Passende høyde ifølge oppfinnelsen er omtrent den samme som for tidligere ovner.

Trykket i reaksjonssonen kan være over atmosfæretrykk, hvilket øker reaksjonshastighetene og effektiviserer prosessen, men de praktiske vanskelighetene er av den art at reaksjonen fortrinnsvis utføres ved atmosfæretrykk.

Inertgass kan tilføres reaksjonssonen, først og fremst energitilf ørselssonen, eksempelvis for satsingen eller for forbedret kontroll av prosessen. Inertgass minsker likevel prosessens effektivitet og energiøkonomi ved at de ovenfor angitte energiverdiene øker og store mengder bør derfor ikke tilføres. Hensiktsmessig består eventuell inertgass av karbondioksyd, fortrinnsvis hentet fra :selve prosessen.

Oppfinnelsen kan utøves slik at til reaksjonssonen føres karbonholdig material og silisiumoksyd i så nære støkiometriske forhold som karbidoppbygningen i reaksjonssonen tillater,

samt føres energi, hvormed forholdet mellom tilført energi og tilført silisiumoksyd på eksempelvis nedenfor diskuterte måter gjort i det minste så styrbart, at en avgående gass med ovenfor angitte innhold av silisium-monoksyd kan instilles da forholdet forhøyes til at minste verdi på det avgående innholdet silisium-monoksyd erholdes. Hensiktsmessig gjøres forholdet mellom tilført energi og silisiumoksyd tilstrekkelig styrbart for å tillate en forhøyelse av forholdet til at en temperaturstigning inntrer ifølge det som ovenfor er nevnt,hvorved forholdet under drift innstilles under denne verdi. Regulering av forholdet kan skje enten ved at energitilførsel eller silisiumoksydtilførsel varieres mens den andre variabelen holdes konstant eller ved variasjon av begge variablene.

Ifølge det som ovenfor er nevnt er det nødvendig for en tilfredsstillende energitilførsel med en forbedret regulerbarhet mellom energitilførsel og silisiumoksydtilførsel sammenlignet med dagens ovner, i hvilke materialet av karbon og kvarts helt enkelt faller ned i de varme delene alt ettersom materialet forbrukes der. Ved å tilsette et kvartsmateriale i en slik konvensjonell ovn som langsommere smelter/nedbryter,kan energitilførselen påvirkes gunstig. Som ovenfor nevnt er det imidlertid vanskelig å fremskaffe vesentlige forbedringer på denne måten. En annen måte å utnytte konvensjonelle ovner for for-målet ifølge oppfinnelsen er å satse mer langsomt reagerende silisiumråvare, f.eks. ved tilførsel av Al, Ca eller Fe i massen, hvilket dog forurenser sluttproduktet. Det er således vanskelig i en vanlig ovn å påvirke energireguleringen gunstig.

Det foretrekkes derfor at strømmen av i det minste noen del

av silisiumdioksyden til energitilførselssonen gjøres uavhengig av energitilførselen til sonen og tilføres sonen kon-trollert. En måte å gjøre dette med bibeholdt masse i toppen

av hele råmaterialstrømmen er å dele reaksjonssonen mellom energitilførselssonen og etterreaksjonssonen og gjøre for-bindelsen slik, at strømmen av kondenserte faser fra etter-reaks jonssonen til energitilførselssonen kan reguleres, fortrinnsvis med en mekanisk styrbar forbindelse. Praktisk kan dette utføres ved at det i en ovn innsettes en skillevegg mellom de varme bunndelene og de svalere toppdelene av ovnen, hvilken skillevegg er slik utformet at strømmen gjennom den samme av i det minste de kondenserte fasene, men helst også gasstrømmen kan styres utenifra ovnen, f.eks. som en bunn med en regulerbar åpning mot bunnen av ovnen. Samme hensikt kan oppnås ved å utføre ovnen i form av minst to sepa-rate deler, hvormed de kondenserte fasene transporteres til energitilførselssonen med en mekanisk transportanordning, fortrinnsvis en sluse mellom to over hverandre beliggende ovner.

■ Herved kan gasstransporten skje gjennom en annen eller fortrinnsvis samme forbindelse.

Det foretrekkes imidlertid at i det minste en del av den silisiumråvare som skal tilføres ovnen ikke satses til etter-reaks jonssonen men til energitilførselssonen, eventuelt via en transportstrekning gjennom etterrekasjonssonen for varme-veksling uten kontakt med materialet der. Direkte satsing i energitilførselssonen innebærer forbedrede styremuligheter på eh relativ enkel måte. Inngrep i fastmaterialtransporten i ovnens varme deler behøver ikke skje og tilførselen av silisiumråvaren kan dessuten gjøres uavhengig av reduksjons-middelstilsatsen foruten energitilførselen. Ved bunnsatsing minsker også materialmengden i etterreaksjonssonen og dermed varmekapasiteten. Dette medfører at temperaturen blir høyere og risikoen for utfelling av silisiumdioksyd mindre selv om silisium-monoksydinnholdet i gassfasen øker. Graden av bunnsatsing kan således anvendes som et middel for å innbyrdes balansere disse faktorer, og kan eksempelvis velges slik at laveste silisium-monoksydinnhold erholdes uten risiko for utfellinger. Praktiske og regelmessige hensyn må imidlertid også tas.

For å få en effektiv styring satses silisiumråvaren

direkte til energitilførselssonen i en mengde på

minst 70 % og helst hele silisiumråvaremengden på denne måten. En del av reduksjonsmiddelstilsetningen kan også satses i energitilførselssonen, men denne mengden bør da ikke overstige det som støkiometrisk er nødvendig for omsetning av silisiumdioksyd til silisium-monoksyd, dvs. omtrent halvparten av reduksjonsmiddelmengden, mens resten tilføres etterreaksjonssonen. Ved satsing av en del av reduksjonsmiddelet til energitilf ørselssonen bør det sørges f°r at reduksjonsmiddelet ikke innføres på en slik måte at det direkte kommer i kontakt med flytende elementært silisium, ettersom det da dannes karbid med dette ifølge reaksjon IV, hvilket innskrenker prosessens effektivitet. Material som satses på vanlig måte i etter-reaks jonssonen utgjøres av normalt satsingsmaterial.

For å erholde den' etterstrebede forbedringen av styremulig-hetene må tilførselen av silisiumråvaren til energitilførselssonen kunne styres jevnt og hovedsaklig kontinuerlig. Pulserende tilførsel eller tilførsel av større materialpartikler eller -stykker fører lett til en heftig dannelse av silisium-monoksyd hvilket motvirker opprettholdelse av rett temperatur for dannelse av riktige forhold mellom denne gass og elementært silisium, som ovenfor diskutert. Det kan også føre til en heftig øking av temperaturen hvilket kan skade deler av ovnen. For større partikler, eksempelvis mellom 1 og 100 mm eller særskilt mellom 10 og 50 mm tilføres derfor materialet fortrinnsvis ved hjelp av noen mekaniske sluser, særskilt skruer, for erholdelse av jevn tilførsel. Jevnere tilførsel erholdes om den del som tilføres i energitilførselssonen er gassformig, væskeformig eller pulverformig. Av praktiske grunner foretrekkes pulverformig råvare. For å få en jevn tilførsel av dette pulveret foretrekkes det at det innblåses ved hjelp av en gasstrøm, derfor er det nødvendig at pulveret er tilstrekkelig finfordelt slik at det kan bæres av gasstrømmen. Med hensyn til disse faktorer samt smeltehastigheten og dermed klistrerisikoen ifølge det som nedenfor er nevnt, bør størrelsen av partiklene være mellom 0.05 mm og 10 mm og fortrinnsvis mellom 0.1 og 1 mm. Passende hjelpegass er karbonmonoksyd,

som allerede forekommer i reaksjonssonen og hvilken gass som

med fordel kan avledes fra avgående gasser fra reaksjonssonen. Ettersom store mengder inertgass ikke bør tilføres ovnen, bør ikke mer enn 0.1 Nm 3 gass tilføres pr. kg satset pulver og helst ikke mer enn 0.02 Nm 3 . For å o unngå avsetninger bør mengder overstige 0.001 Nm 3 og helst overstige 0.005 Nm 3.

For tilførsel ifølge dette mønster fordres en transportkanal som munner ut i energitilførselssonen. En viss risiko foreligger da silisiumråvaren avsettes i kanalen p.g.a. delvis smelting og sammenbaking, derfor er det passende at tiltak settes i verk for å holde kanalen fri fra slike avsetninger. Dette kan skje ved oppvarming av hele kanalen til en temperatur over silisiumråvarematerialets smelteinterval, enten ved oppvarming av kanalen direkte eller ved oppvarming av gassene i kanalen. Gassoppvarming foretrekkes p.g.a. sin enkelhet. Selv om det er mulig å varme hele hjelpegasstrømmen kontinuerlig med konvensjonelle oppvarmingsmiddel til en passende temperatur for å holde tilførselskanalen ren, hvilken oppvarming i så fall passende skjer før partikkelmaterialet tilsettes, foretrekkes det at satsingen skjer med en ikke-opp-varmet hjelpegasstrøm mens rengjøringen skjer periodevis, fortrinnsvis ved hjelp av plasmabrennere. Fordelen med periodisk rengjøring ved behov og høy temperatur i gasstrømmen er at mindre total mengde av inertgasstrøm behøves å tilføres reaksjonssonen, hvilket innskrenker påvirkninger på prosessen. Den varme gasstrømmen kan enten føres samme vei gjennom til-førselskanalen som massestrømmen eller spesielt rettes mot de deler der avlagringer har tendens til å komme opp. En slik rettet stråle kan lettest fremskaffes om tilførselskanalen anordnes i form av et hull gjennom ovnsveggen, som munner passende ut■i ovnen i høyde med elektrodespissene, hvormed et annet hull kan anordnes for gasstrømmen som føres gjennom plasmabrenneren og rettes slik at den munner ut i området med stor opplagringsrisiko. Hull gjennom ovnsveggen for tilfør-selen foretrekkes da de bedre motstår ovnsmiljøet og tilbyr mindre risiko-områder for avsetninger «nn andre alternativ, først og fremst slik hvor tilførselen skjer gj:ennom en kanal gjennom massen. Om alikevel slik tilførsel gjennom massen ønskes, eksemplevis fra for-varmingssynspunkt, foretrekkes satsing ved elektrodene fremfor andre alternativ slik som lanser eller avskillende vegger i ovnen. Plasmabrennere kan naturligvis også med fordel anvendes da hjelpegasstrømmen selv opphetes i stedet for en spesiell gasstrømm. Ved beregning av den nødvendige energimengden som skal tilføres til energitilf ørselssonen skal selvfølgelig hensyn tas til energi som tilføres via plasmabrenneren eller med råvarestrømmene.

Som ovenfor nevnt kan reduksjonsmiddel satses sammen med silisiumråvaren ved direkte tilførsel av denne i energitilførselssonen, men behøves ikke å tilføres på denne måte. Om bare silisiumråvaren hovedsaklig tilføres energitilførselssonen direkte, skjer energitilførselen, for reaksjonen vilkårlig på en plass der den satsede silisiumråvaren møter de kondenserte fasene, men helst ikke den væskeformige silisiumfasen i energitilf ørselssonen ettersom den endoterme silisiumdannelsesreaksjonen skjer først ved denne kontakt og en tilførsel av energi for dette punkt kun skulle lede til en økning av temperaturen i silisiumråvarestrømmen på en ufordelaktig måte. I kontakt-sonen mellom strømmene kan imidlertid hele energien for sili-siunifremstillin<g>en med fordel tilføres, fortrinnsvis med lys-bueoppvarming, eventuelt med en mindre del av energien på en annen måte. Om silisiummaterialstrømmen ikke inneholder reduksjonsmiddel, injiseres den vilkårlig direkte i den varme delen av massen i energitilførselssonen, hvilket i en konvensjonell ovn tilsvarer en tilførselskanal boret inn i den nedre del av ovnsveggen og munner direkte ut i massen innenfor denne.

I fig. 3 vises en silisiumfremstillingsovn av denne sort

hvor silisiumdioksyd innføres i ovnsbunnen. I figuren beteg-nes posisjon 1 ovnsveggen, posisjon 2 ovnsbunnen og posisjon 3 en lysbue-elektrode. I ovnstoppen satses karbon mens silisiumdioksyd innblåses ved hjelp av en inertgasstrøm gjennom en boring 4 i ovnsbunnen. Under driften av ovnen dannes en øvre sone 5 massen, vesentlig

inneholdende karbon og en nedre sone 6 vesentlig inneholdende silisiumkarbid. Ved at energitilførselen via elektroden 3

og tilførselen av silisiumdioksyd ved boringen 4 kan skje helt uavhengig av hverandre kan ovnen drives til ønsket balanse ifølge oppfinnelsen. Om innløpet for bunnsatsingen 7 sitter

igjen kan rensing skje ved hjelp av plasmabrenneren 8 som er innsatt i en annen boring i ovnsveggen 1 og gjennom hvilken inertgas kan føres.

Om det med silisiumråvaren som satses i energitilførselssonen også satses reduksjonsmiddel, kan strømmen tilføres ifølge det som ovenfor er nevnt, men andre muligheter tilbyr seg også.

I en strøm, som inneholder både silisiumråvaren og reduksjonsmiddel, kan komponentene innbyrdes reagere om temperaturen er tilstrekkelig, hvilket innebærer at om energi tilføres denne strøm innen den kommer i kontakt med de kondenserte fasene i energitilførselssonen, fører dette ikke bare til en ugunstig temperaturstigning men ved en temperatur over ca. 1500 °K

danner de satsede materialer silisium-monoksyd og karbonmonoksyd. Denne produktgass inneholdende silisium-monoksyd kan senere føres i kontakt med den øvrige del av energitilførselssonen som inneholder kondenserte faser hvor silisiumdannelsesreaksjonen finner sted ved en temperatur overstigende ca. 1900 °K

og siden i etterreaksjonssonen silisiumkarbiddannelsesreak-sjonene ifølge samme mønster som tidligere beskrevet. Det utgjør således en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen,

at energitilførselssonen er oppdelt i en vesentlig silisium-

og silisiumkarbidfri, første sone og en vesentlig silisium-

og silisiumkarbidholdig, andre sone, hvorved silisiumråvare sammen med reduksjonsmiddel satses i den førstnevnte sonen og der tilføres energi hvoretter produktgassen føres i kontakt med den andre sonen. Det foretrekkes at hele mengden silisiumråvare satses på denne måte og videre at reduksjonsmiddel— mengden som satses samtidig er omstrent støkiometrisk for omsetning av silisiumråvaren til silisium-monoksyd. Hele den energi som er nødvendig for silisiumfremstilling kan tilføres;

i den første sonen mens ingen energi tilføres i den andre sonen, men det foretrekkes at kun den for omsetning av masse-materialene til silisium-monoksyd nødvendige mengde energi tilføres i den første sonen av energitilførselssonen mens resten tilføres i den andre sonen. Dette for å unnvike altfor høye temperaturer i gassene som føres fra den første til den andre sonen. Ettersom energitilbakegang for dannelse av silisium-monoksyd som ovenfor nevnt utgjør den vesentlige

delen av den totale energikonsumpsjon, ca. 822 kJ pr. mol silisiumdioksyd, bør i det minste 80 % av den totale energi tilføres i første sone og helst mellom 85 og 95 %. Denne energi tilføres vilkårlig med lysbue på vanlig måte, mens resten av energien, ca. 126 kJ pr. mol silisiumdioksyd, til-føres i den andre sonen av energitilførselssonen med enklere oppvarmingsmetoder, passende motstandsoppvarming. Ved at silisiumråvaren reagere på et sted og silisiumdannelsen skjer på et annet sted i energitilførselssonen kommer forurensninger og slagg fra silisiumråvaren ikke til å forurense silisiumproduktene, gjennom hvilket denne blir betydelig renere. Videre blir de delte reaksjonene ved styremuligheten over prosessen veldig gode. Massen støttes også av at ingen fast masse er i veien ved tilførselskanalen og fraværelse av masse muliggjør også at materialet kan tillates å falle ned i den første sonen.

Fig. 4 viser en ovnskonstruksjon av denne sort som foretrekkes da både silisiumråvare og reduksjonsmiddel satses i bunnen. Ved satsingsrøret 11 kan råmaterialene innføres til den første delen av energitilførselssonen i reaktoren, hvilken er inn-rammet med stiplede streker i figuren og markert med 12. Ved bunnen av denne delen skjer en omsetning av de tilførte materi-alene til karbonmonoksyd og silisium-monoksyd ved hjelp av varme som tilføres med en lysbue dannet mellom elektroden 13 og ovnsbunnen. Igjenblivende slagg tas ut gjennom .kanalen 14. Gassene føres til den andre delen 15 av energitilførselssonen der de kommer i kontakt med fastfasen 16 og reagerer med silisiumkarbid til elementært silisium som overstrømmer kanten 17, oppsamles i trauet 18 og tas ut gjennom kanalen .19. Eventuelt skjer en ytterligere energitilførsel i fastfasen 16 gjennom motstandsoppvarming. Ikke-omsatte gasser som forlater

energitilførselssonens fastfasedel 16 inntrer i det vesentlige karboninnholdende etterreaksjonssonen 20, hvor den resterende mengde silisium-monoksyd reagerer til silisiumkarbid som beveger seg nedover mot sone 16. Til sonen 20 satses karbon alt etter, forbruk. Periodisk renluftning av innløps-røret 11 kan selv i dette tilfelle skje ved hjelp av en plasma-brenner 21, innsatt i en annen boring enn fallrøret 11 i ovnsveggen.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av silisium eller ferrosilisium ved reduksjon av en silisiumoksydråvare, eventuelt i nærvær av jern eller jernoksyd, ved hjelp av et karbonholdig reduksjonsmiddel i en reaksjonssone, hvilken reaksjonssone innbefatter en energitilførselssone og en etter-reaks j onssone , hvorved det til energitilførselssonen føres i det minste varmeenergi og kondenserte faser fra etter-reaks jonssonen samt avgir elementært silisium og en gassfase og hvorved det til etterreaksjonssonen føres i det minste karbonholdig reduksjonsmiddel og gassfasen fra energitilførselssonen samt avgår en gass fra etterreaksjonssonen og kondenserte gasser til energitilførselssonen, og hvorved silisiumoksydråvaren tilføres i kondenserte faser et sted i reaksjonssonen eller i gassfase til energitilførselssonen, og at minst 70% av silisiumoksydråvaren tilføres direkte til energitilførselssonen gjennom en kanal i ovnsveggen, gjennom en kanal i satsen eller gjennon en kanal i elektroden, karakterisert ved at tilførselen av silisiumoksydråvaren til energitilførselssonen styres hovedsakelig kontinuerlig og regulerbart slik at forbruket av silisiumoksydråvaren i energitilførselssonen gjøres uavhengig av energitilførselen og slik at temperaturen i energitilførselssonen kan forhøyes, samt at tilførselen av silisiumdioksydråvare og energi til energitilførselssonen reguleres på en slik måte at temperaturen i energitilførselssonen er så høy at den fra etterreaksjonssonen avgående gass har et silisiummon-oksydinnhold som ikke overstiger 10 mol%.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at alt av silisiumoksydråvaren tilsettes til energitilførselssonen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at silisiumoksydråvare innblåses i energitilførselssonen i form av et pulver for-delt i en hjelpegasstrøm.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at pulver/gass-blåndin-gen , hjelpegasstrømmen eller en ytterligere gasstrøm som også tilføres energitilførselssonen føres gjennom en plas-mabrenner for inngang i sonen, hvorved tilstrekkelig energi tilføres for å unngå avsetning i tilførselsutrustningen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at silisiumoksydråvare tilføres i form av en smelte.

6. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-5, karakterisert ved at en del av reduk-sjonsmidlet tilføres direkte til energitilførselssonen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den reduksjonsmid-delmengde som er ført direkte til energitilførselssonen ti]svarer omtrent den som støkiometrisk er nødvendig for reduksjon av silisiumdioksyd til silisium-monoksyd.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at energitilførselssonen innebefatter en del som er vesentlig fri for karbid og silisium, at silisiumoksyd-råvare- og reduksjonsmiddelmengdene som er ført direkte til energitilførselssonen innføres i denne del og der innbyrdes reagerer til silisium-monoksyd som deretter føres i kontakt med de øvrige delene i energitilførselssonen.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at forholdet mellom den til reaksjonssonen tilførte varmeenergimengde og sili-siumoksydtilf ørselsr åvar en innstilles slik at gassen som avgår fra etterreaksjonssonen har et silisiummonoksydinn-hold ikke overstigende 5 mol%.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de fore-gående krav, karakterisert ved at silisiumoksydråvaren sammen med reduksjonsmiddelet innføres i en første del av en energitilførselssone som i det vesentlige er fri for silisium og silisiumkarbid, og at hele energimengden for silisiumfremstillingen tilføres i denne sone hvoretter kontakten mellom den dannede gassfase og den kondenserte fase fra etterreaksjonssonen skjer i en andre del av energitilførselssonen som hovedsakelig inneholder silisium og silisiumkarbid og til hvilken ingen energi tilfø-res .