NO172228B - Apparatur og fremgangsmaate for fremstilling av metallisk silisium av hoey renhet - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt en apparatur og en fremgangsmåte for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet, som f.eks. anvendes i solceller. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte og apparatur for effektiv og økonomisk fremstilling av metallisk silisium av høy renhet fra pulverisert silisiumdioksyd.

Konvensjonelt har metallisk silisium eller ferrosilisium vært fremstilt i lysbueovner fra en blanding av silisiumdioksyd og karbon. For å sikre riktig ventilering og for å forbedre effektiviteten av reduksjonsreaksjonen i høytemperaturområdet av ovnen, har det vært betraktet som vesentlig å anvende store korn eller masser av silisiumdioksyd.

På den annen side har det i den senere tid oppstått et økende behov for metallisk silisium av høy renhet, spesielt silisium som har en renhet høyere enn 99,999$. Slikt metallisk silisium av høy renhet har tallrike anvendelser, blant annet i solceller. Raffiniert naturlig silisiumoksyd benyttes vanligvis som kilde for silisiumdioksyd. Dette raffinerte silisiumdioksydet er generelt pulverisert eller granulært med en kornstørrelse mindre enn noen millimeter. For å anvende dette raffinerte silisiumdioksydet som kilden for silisiumdioksyd i den konvensjonelle apparaturen, er følgelig et ekstra prosesstrinn påkrevet for å øke kornstørrelsen av det raffinerte silisiumdioksydet i tilstrekkelig grad.

Dette fører naturligvis til høyere produksjonskostnader og kan også nedsette renheten av kildematerialet.

For å eliminere disse problemene innen tidligere kjent teknikk, har det vært foreslått en forbedret fremgangsmåte for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet i japansk patentpublikasjon (Tokkai) Showa 57-111223. Imidlertid krever selv denne foreslåtte forbedrede prosessen at en del av silisiumdioksydkildematerialet har en kornstørrelse på 3 til 12 mm.

En annen forbedret fremgangsmåte for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet er beskrevet i den japanske patentpublikasjon (Tokkai) Showa 58-69713. I den omtalte prosessen finner reaksjonen mellom silisiumoksyd og karbon sted i en høytemperatur-plasmastråle som transporterer det resulterende produktet på et karbonlag. I denne foreslåtte prosessen dannes en stor mengde silisiumkarbid som et resultat av reaksjonen med karbonlaget. Det dannede silisiumkarbidet viser en tendens til å akkumulere inne i karbonlaget og fylle hulrommene mellom karbonkornene, dette inhiberer ytterligere reaksjon. På grunn av denne ulempen, er prosessen foreslått i den japanske patentpublikasjon 58-69713 fremdeles ikke nyttig ved fremstilling av metallisk silisium av høy renhet.

Det er derfor et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny fremgangsmåte og apparatur for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet som kan benytte finkornet silisiumdioksyd uten ytterligere prepareringstrinn for å øke kornstørrelsen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en apparatur for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet fra et første materiale valgt fra gruppen bestående av karbon og karbonholdige forbindelser, et andre materiale valgt fra gruppen bestående av silisiumkarbid og silisiumdioksyd og et tredje materiale valgt fra gruppen bestående av silisiumdioksyd og silisiumoksyd, kjennetegnet ved at den innbefatter: et ovnsrom som definerer et reaksjonskammer bestående av (i) en nedre del som omfatter (a) et par lysbueelektroder som har et lysbueområde av kjente dimensjoner hvilket lysbueområde er tilveiebragt mellom endene av elektrodene som står overfor hverandre og tjener som et første oppvarmet område, (b) en dyseanordning for direkte å injisere en strøm av det tredje materialet inn i lysbueområdet for å bevirke induksjon av reaksjoner som genererer gassformig silisiumoksyd (SiO) mellom det tredje materialet og nevnte første og andre materiale, og (c) et utløp for smeltet metallisk silisium som er anordnet i bunnen av ovnen og som står i

kontakt med utsiden av ovnen; og

( ii) en øvre del

(a) som er internt forbundet med den nevnte nedre

delen,

(b) som er utformet for å fylles med en blanding av

første og andre materialer i form av pellets,

(c) som har ytre oppvarmingsinnretninger for å

oppvarme en del av den øvre delen sammen med blandingen, hvilken del tjener som et andre oppvarmet område, for å indusere reaksjoner som gir fast silisiumkarbid (SiC) mellom første materiale og det andre materialet eller det gassformige silisiumoksydet, som er generert ved lysbueområdet og transportert til den øvre delen og for å indusere reaksjoner som genererer smeltet metallisk silisium (Si) hovedsakelig mellom det gassformige silisiumoksydet generert i den nedre delen og det faste silisiumkarbidet generert i den øvre delen, og

(d) som har et utløp for gasser som er innført for å

injisere nevnte strøm fra reaksjonskammeret og hvilket utløp er anordnet ved toppen av

reaksj onskammeret;

dyseinnretninger for å tilføre strømmen av det tredje materialet ved injeksjon i lysbueområdet i reaksjonskammeret; og

oppvarmingsinnretninger for å regulere temperaturprofilen i reaksjonskammeret for å indusere de nevnte reaksjonene i de nedre og øvre delene av reaksjonskammeret.

Oppfinnelsen tilveiebringer videre en fremgangsmåte for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet fra et første materiale valgt fra gruppen bestående av karbon og karbonholdige forbindelser, et andre materiale valgt fra gruppen innbefattende silisiumkarbid og silisiumdioksyd og et tredje materiale valgt fra gruppen bestående av silisiumdioksyd og silisiumoksyd, kjennetegnet ved at den innbefatter trinnene: fremstilling av en blanding av nevnte første og andre materiale i form av pellets og fylling av blandingen i det øvre området av et reaksjonskammer;

generering av en elektrisk lysbue ved et lysbueområde mellom endene av et par elektroder anbragt ovenfor hverandre;

oppvarming av i det minste en del av den øvre delen av reaksjonskammeret og den ifylte blandingen ved hjelp av en ytre oppvarmingsanordning;

injeksjon av en strøm av nevnte tredje materiale i lysbueområdet for å indusere genereringsreaksjoner for gassformig silisiumoksyd (SiO) mellom nevnte tredje materiale og første materiale og indusering av genereringsreaksjoner for smeltet metallisk silisium (Si) hovedsakelig mellom det genererte gassformige SiO og det faste SiC generert i den øvre delen av reaksjonskammeret;

utføring av gasser som er innført for å injisere nevnte strøm av det tredje materialet eller generert ved de nevnte reaksjonene i reaksjonskammeret gjennom et utløp ved toppen av reaksjonskammeret; og

tømming av det smeltede metalliske Si generert i reaksjonskammeret gjennom et utløp i bunnen av ovnen.

Direkte injeksjon av silisiumdioksydet eller silisiumoksyd-materialet i høytemperaturområdet av ovnen fylt med den tidligere nevnte blandingen induserer en reaksjon mellom silisiumoksyd og karbon eller silisiumkarbid for å danne metallisk silisium eller silisiumoksyd.

Som kjent kan den samlede reaksjonen uttrykkes ved følgende ligning (1):

Under forløpet av reaksjonen uttrykt ved ligning (1) antas det imidlertid at følgende reaksjoner samtidig finner sted:

Når pulverisert silisiumdioksyd benyttes som et kildemat-eriale og fylles i ovnen, hvori reaksjonene ovenfor skal finne sted, dannes en stor mengde silisiumdioksyd under oppvarming av materialet i reaksjonen uttrykt ved ligning (2), idet pulveriserte materialer generelt har høyere dissosiasjonskonstanter enn massive materialer. Siden silisiumoksyd har et relativt høyt damptrykk, viser det tendens til å unnslippe fra ovnen og derved nedsette utbyttet. Som illustrert ved ligning (4) reagerer det gjen-værende silisiumdioksydet med karbon, slik at det dannes silisiumkarbid som viser tendens til å akkumuleres ved bunnen av ovnen og derved nedsette produksjonseffektiviteten.

Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, som angitt ovenfor, fylles en blanding av karbon og/eller karbonholdig forbindelse, såsom bek, eller andre organiske forbindelser, og silisiumkarbid og/eller silisiumoksyd i ovnen. I tillegg injiseres det pulveriserte kildesilisium-oksydet i aerosolform direkte inn i det området av ovnen som har høyest temperatur. Injeksjon av silisiumoksydet inn i det høyeste temperaturområdet fremmer reaksjonene angitt ved ligningene (6), (7) eller (2) og danner derved silisium og gassformig silisiumoksyd. Det gassformige silisiumoksydet reagerer deretter ifølge ligningene (3) og (8) med karbonet eller silisiumkarbidet i blandingen, som igjen produserer silisiumkarbid ifølge ligning (4), slik at det dannes silisium og/eller silisiumkarbid. Silisiumkarbidet som derved er dannet reagerer igjen med silisiumoksydet eller silisiumoksyd injisert inn i lysbueområdet av ovnen ifølge ligning (6) og (8).

Som det vil fremgå fra det ovenstående, kan det ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse oppnås et bemerkelsesverdig høyt utbytte ved fremgangsmåten for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse kan videre mengden silisiumkarbid i bunnen av ovnen som er påkrevet for å utføre reaksjonen reguleres ved å regulere mengden silisiumdioksyd eller silisiumoksydkildematerialet som injiseres i ovnen. Dette betyr i sin tur at ved å regulere mengden silisiumdioksyd eller silisiumoksydkildematerialet på egnet måte, kan mengden silisiumkarbid som akkumuleres i bunnen av ovnen kontrolleres. Dette tillater kontinuerlig, langvarig drift av ovnen som benyttes for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet.

Når blandingen som tilføres er karbon eller karbonholdig forbindelse og silisiumkarbid, er det molare C/SiC-blandfor-holdet fortrinnsvis lik eller større enn 1/2. Når blandingen på den annen side er karbon eller karbonholdig forbindelse og silisiumoksyd, er det molare C/SiC-forholdet fortrinnsvis lik eller større enn 3,5. De nevnte molare C/SiC-forholdene holder silisiumtapene lik eller mindre enn 15%. Sammenligning med silisiumtap innen den konvensjonelle teknikken viser at utbyttet av metallisk silisium ved foreliggende fremgangsmåte er betydelig forbedret. Utbyttet som oppnås ved foreliggende oppfinnelse kan ytterligere forbedres ved å samle og reinjisere gassformig silisiumoksyd som ellers ville slippe ut i atmosfæren.

Ved i tillegg å tilføre blandingen av karbon eller karbonholdig forbindelse og silisiumoksyd eller karbon eller karbonholdig forbindelse og silisiumkarbid kan varme i ovnen, dvs. følbar varme for dannet gass, effektivt utnyttes for oppvarming av materialet slik at den påkrevde reaksjonsvarmen reduseres. Dette gjør det lettere å øke eller holde temperaturen ved lysbueområdet og gjør følgelig fremstillings-prosessen for silisium enklere. Videre reduserer dette mengden gass som genereres i ovnen og letter dermed ven-tileringen.

I praksis injiseres kilden for silisiumdioksyd og/eller silisiumoksyd i pulverisert tilstand inn i lysbueområdet av ovnen sammen med en bærergass som bør være en ikke-oksyderende gass, såsom Ar, Hg, Ng eller lignende.

I den foretrukne utførelsen er dysen for injeksjon av silisiumdioksydet eller silisiumoksydet fremstilt av karbon eller silisiumkarbid. Injeksjonsenden av dysen, som under-kastes høye temperaturer, f.eks. høyere enn 2000°C, vil vise tendens til å reagere med de injiserte bestanddelene. Etter at dysen imidlertid er redusert i lengde av reaksjonen i et gitt omfang, vil temperaturen ved injeksjonspunktet falle til området 1700-1800 ° C, og derved vil dysen opphøre å reagere med de injiserte bestanddelene. Derfor vil det ikke opptre noen betydelig effekt fra reaksjonen mellom dysen og de andre reagensene i høytemperaturområdet.

Fortrinnsvis er den tilførte blandingen kornformet. Når karbonet eller den karbonholdige forbindelsen og silisiumoksydet som utgjør blandingen er meget rent og følgelig i finpulverisert tilstand, kan tilstrekkelig kornstørrelse i massen av disse materialene fortrinnsvis prepareres på forhånd ved å anvende bindingsmidler, såsom sukker, fenolisk plast, stivelse og lignende. Ved å forøke kornstørrelsen kan tilstrekkelig ventilering tilveiebringes.

Ved videre å anvende ytre oppvarmingsinnretninger kan høytemperaturreaksjonsområdet i ovnen utvides. Dette forbedrer utbytte av metallisk silisium av høy renhet ytterligere. Det forbedrer også den samlede effektiviteten av operasjonen. I den foretrukne utførelsen kan ytre oppvarmingsinnretninger bevirke oppvarming ved høyfrekvens-induksjonsoppvarming. Denne ytre oppvarmingsinnretningen kan virke på ytterveggene av ovnen eller direkte på satsen i ovnen, dvs. blandingen av karbon og/eller karbonholdig forbindelse og silisiumoksyd og/eller silisiumkarbid, slik at denne oppvarmes til en temperatur som er lik eller høyere enn 180C<T>C, og fortrinnsvis til en temperatur over 2000°C.

Det gassformige silisiumoksydet som utluftes med avløpsgassen fra ovnen kan kondensere når avløpsgassen avkjøles og kan følgelig samles ved hjelp av en egnet innretning, såsom en filterpose. På grunn av den relativt lave kornstørrelsen for det kondenserte silisiumoksydet vil imidlertid filteret vise en tendens til meget lett å stoppes igjen. For å løse dette problemet injiseres utløpsgassen i strømmen av kildesilisium-oksyd som skal injiseres i ovnen slik at det forårsakes kondensasjon av silisiumoksydet på overflaten av silisiumdioksydet, eller ellers innføres silisiumdioksydet kontinuerlig i utløpsgasspassasjen slik at det induseres kondensasjon av silisiumoksyd, hvorved silisiumdioksydkornene tjener som kim for kondensasjon av silisiumoksydet. Silisiumoksydet som kondenserer på silisiumdioksydet kan lett samles ved hjelp av en syklonseparator og reinjiseres i ovnen. Dette ville være langt mer hensiktsmessig for effektivt å samle eller utvinne silisiumoksydet enn den konvensjonelle prosessen. I dette tilfellet holdes toppen av ovnen, hvorigjennom utløpsgassen slippes ut, fortrinnsvis ved en temperatur som er lik eller høyere enn 1700"C slik at gassformig silisiumoksyd forhindres fra å kondensere på denne delen.

Foreliggende oppfinnelse vil lettere kunne forstås fra den detaljerte beskrivelsen som følger og fra de vedlagte tegningene av de foretrukne utførelsene av foreliggende oppfinnelse.

I tegningene er:

Fig. 1 en illustrasjon av en del av en første utførelse av en fremstillingsapparatur for metallisk silisium av høy renhet for utførelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 er en del av en illustrasjon av en andre utførelse av apparaturen ifølge foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 er en del av en illustrasjon av en tredje utførelse av apparaturen ifølge oppfinnelsen; Fig. 4 er en del av en illustrasjon av en fjerde utførelse av apparaturen ifølge oppfinnelsen; Fig. 5 er en illustrasjon av den samlede strukturen av apparaturen, i hvilken den første til den fjerde utførelsen kan anvendes; og Fig. 6 er en illustrasjon som viser en viktig del av apparaturen som en modifikasjon av strukturen i fig. 5.

Det skal nå refereres til tegningene, spesielt til fig. 1 som viser en viktig del av en lysbueovn som utgjør en første utførelse av en apparatur for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet og for gjennomføring av den foretrukne fremgangsmåten til fremstilling derav ifølge foreliggende oppfinnelse. En hoveddel av ovnen 10 er generelt fremstilt av et grafittisk ildfast materiale og definerer et reaksjonskammer 12. Øvre og nedre lysbueelektroder 14 og 16 er anbragt inne i reaksjonskammeret 12. De øvre og nedre lysbueelektrodene 14 og 16 har lysbueender 14a og 16a som står overfor hverandre med en på forhånd bestemt avstand 18. Avstanden 18 mellom lysbueendene 14a og 16a utgjør et lysbueområde.

Den øvre elektroden 14 foreligger i form av et hult sylin-drisk skall og definerer derved en vei 20 hvorigjennom silisiumdioksyd eller silisiumoksyd suspendert i aerosolform flyter i en baerergass. Bærergassen er en ikke-oksyderende gass, såsom Ar, Hg, Ng og lignende. Veien 20 åpner seg ved lysbueområdet 18 slik at blandingen av bærergassen og det pulveriserte silisiumdioksydet og/eller silisiumoksydet tømmes.

På den annen side fylles som en charge i ovnen en blanding 22 av karbon og/eller karbonholdig forbindelse og silisiumoksyd og/eller silisiumkarbid i lysbuekammeret 12. Chargeblandingen 22 må fylle i det minste det nedre området av ovnen innbefattende lysbueområdet slik at silisiumoksydet og/eller silisiumdioksydet vil reagere med karbonet og/eller den karbonholdige forbindelsen i chargeblandingen 22. Det metalliske silisiumet som dannes ved reaksjonen samler seg i bunnen 24 av reaksjonskammeret 12 og flyter ut gjennom et utløp 26 i bunnen av hoveddelen av ovnen 10.

En varmespiral 28 er vunnet rundt hoveddelen av ovnen 10. Varmespiralen 28 er utformet for å utføre høyfrekvens-induksjonsoppvarming. I den foretrukne utførelsen er varmespiralen 28 anordnet slik at den oppvarmer posisjonen for chargeblandingen 22 over lysbueområdet til en temperatur som er lik eller større enn 1800° C, og mer foretrukket lik eller større enn 2000°C.

I praksis påtrykkes likestrøm på en av de øvre og nedre elektrodene 14 og 16 slik at det induseres lysbuedannelse over lysbueområdet 18. En blanding av karbon og silisiumkarbid i form av pellets med diameter 8 mm til 15 mm benyttes som chargeblanding 22. Pelletene har et silisiumkarbidlag på innsiden og et karbonlag på utsiden. Silisiumdioksyd suspendert i Hg-gass som tjener som en bærer injiseres i lysbueområdet 18.

Under disse betingelsene ble metallisk silisium av høy renhet fremstilt både med og uten ytre oppvarming av chargen ved høyfrekvent induksjonsoppvarming. De generelle driftsbeting-elsene for apparaturen er som følger: Molart C/SiC-forhold er 1:1;

injeksjonshastighet for silisiumdioksyd er 5 kg/time;

strømningshastighet for Hg er 3N m<3>/time; og elektrisk kraft er 100 kW/time.

Fremstillingsprosessene ifølge oppfinnelsen ble utført i ovnen i fig. 1. Den konvensjonelle reduksjonsprosessen benyttet karbonpellets og silisiumdioksydpellets i molart C/SiC-forhold på 2/1.

Følgende tabell I viser resultatene fra reduksjonsforsøkene.

Fig. 2-4 viser andre til fjerde utførelse av fremstillingsapparaturen for metallisk silisium av høy renhet ifølge foreliggende oppfinnelse. I fig. 2-4 er elementene som har samme konstruksjon og samme funksjon som i apparaturen i fig. 1 gitt samme henvisningstall, og detaljert beskrivelse av de felles elementene utelates av enkelhetsgrunner.

I fig. 2 står en øvre elektrode 30 som har en lysbuedannende ende 30a overfor den lysbuedannende enden 16a av den nedre lysbueelektroden 16. Den øvre lysbueelektroden 30 foreligger i form av en fast stav og er innført i reaksjonskammeret gjennom toppen av ovnsrommet 10. For å injisere kildesilis-iumoksydet eller silisiumdioksydet er en grafittisk tilfør-selsdyse 32 med en passasje 34 for det pulveriserte silisiumoksydet, eller silisiumdioksydet suspendert i bærergassen strukket gjennom en vertikal vegg 36 av ovnsrommet 10 på en i det vesentlige horisontal måte slik at den indre enden står overfor lysbueområdet 18 mellom de motstående flatene av øvre og nedre lysbueelektroder 30 og 16.

Ved dette arrangementet vil den øvre faste elektroden 30 være sterkere enn den hule sylindriske elektroden i den første utførelsen i fig. 1. Derfor vil, på tross av de høye temperaturene i reaksjonskammeret, den øvre elektroden 30 være mer varig for langvarig bruk.

I fig. 3, er et par lysbueelektroder 40 og 42 anbragt koaksialt og horisontalt. Lysbueelektrodene 40 og 42 står overfor hverandre slik at de indre endene danner et gitt gap 44 som tjener som lysbueområde. En kildetilførselsdyse 46 strekker seg oppover gjennom bunnen 48 av ovnsrommet 10.

Som i den andre utførelsen kan levetiden for elektrodene forlenges ved at det tilveiebringes en separat tilførselsdyse for kildematerialet.

I fig. 4 strekker et par elektroder 50 og 52 seg inn i reaksjonskammeret 12. Elektrodene 50 og 52 ligger skråttstilt i forhold til den vertikale aksen av ovnsrommet 10. De indre endene 50a og 52a står overfor hverandre indirekte slik at det defineres et lysbueområde 54. En tilførselsdyse 56 fører mot lysbueområdet og injiserer silisiumdioksydet eller silisiumoksydet inn i lysbueområdet 54.

Fig. 5 viser den femte utførelsen av fremstillingsapparaturen for metallisk silisium av høy renhet ifølge oppfinnelsen. I denne utførelsen strekker tilførselsdysen 60 seg inn i reaksjonskammeret 12 gjennom bunnen 10a i ovnsrommet 10. To lysbueelektroder 62 og 64 er koaksialt anbragt horisontalt og definerer lysbueområdet 18 mellom de motstående indre endeflatene. Denne strukturen er i det vesentlige som beskrevet med referanse til fig. 3.

Som vist i fig. 5 er tilførselsdysen 60 forbundet med et reservoar 66 fylt med pulverisert silisiumdioksyd og/eller silisiumoksyd. Reservoaret 66 er forbundet med et tilførsels-rør for bærergass 68 som tilfører bærergassen, såsom Hg. Derfor føres silisiumdioksydet eller silisiumoksydet ved hjelp av bærergassen gjennom en tilførselspassasje 70 og injiseres i lysbueområdet 18 gjennom tilførselsdysen 60. Reservoaret 66 er også forbundet med toppen av reaksjonskammeret 12 i ovnsrommet 10 ved et utløpsrør 72 som innfører utløpsgass dannet i reaksjonskammeret og som inneholder gassformig silisiumoksyd.

Gassformig silisiumoksyd avkjøles i reservoaret 66 og kondenseres ut på silisiumdioksyd- eller silisiumoksydpartik-lene. Derfor kan det gassformige silisiumoksydet resirkuleres inn i lysbueområdet sammen med silisiumdioksydet eller silisiumoksydet. Utløpsgassen minus silisiumoksydkomponenten forlater reservoaret 66 gjennom et utløp for gassen 74.

Med dette arrangementet kan utbyttet av metallisk silisium av høy renhet forøkes ytterligere fordi gassformig silisiumoksyd effektivt kan renses ved resirkulering gjennom reaksjonskammeret 12 med silisiumdioksydet og/eller silisiumoksydet.

Fig. 6 viser en modifikasjon av den femte utførelsen av apparaturen. I denne modifikasjonen er tilførselsdysen 60 (ikke vist i fig. 6) forbundet med en syklon 76 via tilfør-selspassasjen 70. Syklonen 76 er også forbundet med toppen av reaksjonskammeret via utløpsrøret 72. Utløpsrøret 72 har et inntak 80 for aerosol, silisiumdioksyd og/eller silisiumoksyd suspendert i bærergassen som blander sistnevnte med utløps-gassen i syklonen.

Syklonen 76 er også utstyrt med utløp for utløpsgassen 76 hvorigjennom utløpsgassen minus gassformig silisiumoksyd utluftes. Syklonen 76 kan også være utstyrt med en tilfør-selskontrollventil 82 for regulering av mengden silisiumdioksyd og/eller silisiumoksyd som skal injiseres i lysbueområdet 18 slik at mengden silisiumkarbid som dannes kontrolleres hvorved alt silisiumkarbidet kan delta i reaksjonen og ikke noe silisiumkarbid vil akkumulere i bunnen av ovnen.

Ved å rense det gassformige silisiumoksydet som er dannet ved reaksjonen i ovnen og resirkulere dette inn i lysbueområdet sammen med silisiumdioksyd- og/eller silisiumoksydkildematerialet kan utbyttet ytterligere forbedres til ca. 99$.

Foreliggende oppfinnelse oppfyller dermed alle hensiktene angitt foran og man oppnår de fordeler man har ønsket.

Claims (13)

1. Apparatur for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet fra et første materiale valgt fra gruppen bestående av karbon og karbonholdige forbindelser, et andre materiale valgt fra gruppen bestående av silisiumkarbid og silisiumdioksyd og et tredje materiale valgt fra gruppen bestående av silisiumdioksyd og silisiumoksyd, karakterisert ved at den innbefatter: et ovnsrom som definerer et reaksjonskammer (12) bestående av (i) en nedre del som omfatter (a) et par lysbueelektroder (14,16) som har et lysbueområde (18) av kjente dimensjoner hvilket lysbueområde er tilveiebragt mellom endene (14a,16a) av elektrodene som står overfor hverandre og tjener som et første oppvarmet område, (b) en dyseanordning (20) for direkte å injisere en strøm av det tredje materialet inn i lysbueområdet (18) for å bevirke induksjon av reaksjoner som genererer gassformig silisiumoksyd (SiO) mellom det tredje materialet og nevnte første og andre materiale, og (c) et utløp (16) for smeltet metallisk silisium som er anordnet i bunnen av ovnen og som står i kontakt med utsiden av ovnen; og (i i ) en øvre del (a) som er internt forbundet med den nevnte nedre delen, (b) som er utformet for å fylles med en blanding (22) av første og andre materialer i form av pellets, (c) som har ytre oppvarmingsinnretninger (28) for å oppvarme en del av den øvre delen sammen med blandingen (22), hvilken del tjener som et andre oppvarmet område, for å indusere reaksjoner som gir fast silisiumkarbid (SiC) mellom første materiale og det andre materialet eller det gassformige silisiumoksydet, som er generert ved lysbueområdet (18) og transportert til den øvre delen og for å indusere reaksjoner som genererer smeltet metallisk silisium (Si) hovedsakelig mellom det gassformige silisiumoksydet generert i den nedre delen og det faste silisiumkarbidet generert i den øvre delen, og (d) som har et utløp for gasser som er innført for å injisere nevnte strøm fra reaksjonskammeret (12) og hvilket utløp er anordnet ved toppen av reaksjonskammeret (12); dyseinnretninger (20) for å tilføre strømmen av det tredje materialet ved injeksjon i lysbueområdet (18) i reaksjonskammeret (12); og oppvarmingsinnretninger (28) for å regulere temperaturprofilen i reaksjonskammeret (12) for å indusere de nevnte reaksjonene i de nedre og øvre delene av reaksjonskammeret (12).

2. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytre oppvarmingsinnretningen (28) er utformet for å utføre høyfrekvens-induksj onsoppvarming.

3. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre innbefatter innretninger (66) for å samle gassformig silisiumoksyd generert i reaksjonskammeret (12) og sluppet ut gjennom utløpet (74) for gasser og for reinjisering av dette inn i lysbueområdet (18).

4. Apparatur ifølge krav 3, karakterisert ved at innretningene (66) for oppsamling og reinjisering av gassformig silisiumoksyd er utformet slik at det gassformige silisiumoksydet bringes til å kondensere før reinjeksjon inn i det oppvarmede området.

5. Apparatur ifølge krav 4, karakterisert ved at anordningene (66) for samling og reinjisering av gassformig silisiumoksyd er anordnet inne i en passasje for materialtilførsel av injeksjonsinnretningen (60) for det tredje materialet og bringer gassformig silisiumoksyd til å kondensere på partiklene i strømmen av det tredje materialet før reinjeksjon i lysbueområdet (18).

6. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at injeksjonsinnretningen for det tredje materialet innbefatter en injeksjonsdyse (32,46,56) innført i reaksjonskammeret som har en indre ende anordnet i retning mot lysbueområdet (18).

7. Apparatur ifølge krav 6, karakterisert ved at injeksjonsdysen (32) har utstrekning horisontalt gjennom en sidevegg i ovnen.

8. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at paret av lysbueelektroder (14,16) er anordnet vertikalt overfor hverandre.

9. Apparatur ifølge krav 1, karakterisert ved at paret av lysbueelektroder (50,52) er anordnet skrått i forhold til horisontalplanet og i forhold til hverandre.

10. Apparatur ifølge krav 6, karakterisert ved at injeksjonsdysen (46,60) har utstrekning vertikalt gjennom bunnen av ovnen.

11. Apparatur ifølge krav 1,karakterisert ved at paret av lysbueelektroder (40,42) er anordnet horisontalt overfor hverandre.

12. Fremgangsmåte for fremstilling av metallisk silisium av høy renhet fra et første materiale valgt fra gruppen bestående av karbon og karbonholdige forbindelser, et andre materiale valgt fra gruppen innbefattende silisiumkarbid og silisiumdioksyd og et tredje materiale valgt fra gruppen bestående av silisiumdioksyd og silisiumoksyd, karakterisert ved at den innbefatter trinnene: fremstilling av en blanding av nevnte første og andre materiale i form av pellets og fylling av blandingen (22) i det øvre området av et reaksjonskammer (12); generering av en elektrisk lysbue ved et lysbueområde (18) mellom endene av et par elektroder (14,16) anbragt ovenfor hverandre; oppvarming av i det minste en del av den øvre delen av reaksjonskammeret (12) og den ifylte blandingen ved hjelp av en ytre oppvarmingsanordning (28); injeksjon av en strøm av nevnte tredje materiale i lysbueområdet (18) for å indusere genereringsreaksjoner for gassformig silisiumoksyd (SiO) mellom nevnte tredje materiale og første materiale og indusering av genereringsreaksjoner for smeltet metallisk silisium (Si) hovedsakelig mellom det genererte gassformige SiO og det faste SiC generert i den øvre delen av reaksjonskammeret (12); utføring av gasser som er innført for å injisere nevnte strøm av det tredje materialet eller generert ved de nevnte reaksjonene i reaksjonskammeret (12) gjennom et utløp ved toppen av reaksjonskammeret (12); og tømming av det smeltede metalliske Si generert i reaksjonskammeret (12) gjennom et utløp (26) i bunnen av ovnen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at den videre innbefatter et trinn bestående av: samling av gassformig SiO generert i reaksjonskammeret og sluppet ut gjennom utløpet for gasser og reinjisering av nevnte samlede SiO i lysbueområdet.