NO318956B1 - Fremgangsmate og reaktor for fremstilling av silisium - Google Patents

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en reaktor for fremstilling av silisium ved karbotermisk reduksjon av silisiumdioksid.

Teknikkens stilling

Silisium blir vanligvis fremstilt i elektriske lysbueovner med neddykkede elektroder ved karbotermisk reduksjon av silisiumdioksid (SiC>2). Det karbonholdige reduksjonsmiddelet er typisk trekull, kull, koks, treflis etc. Sumreaksjonen for reduksjonsreaksjonen kan representeres av ligningen:

Det er generelt akseptert at sumreaksjonen involverer en rekke reaksjoner hvor de viktigste er som følger:

Reaksjon 1 er endotermisk og det er estimert at den forbruker opp til 50 % av energiene som er nødvendig for sumreaksjonen.

Metoden med å tilsette Si02 og et fast karbonholdig reduksjonsmiddel til en lavsjakts lysbueovn med neddykkede elektroder har en rekke ulemper. Således er en kontrollert massetransport vanskelig når man skal styre det komplekse reaksjonssystemet av faste, smeltede og gassformige reaktanter, mellomprodukter og produkter. Den konvensjonelle utforming av lavsjakts elektriske lysbueovner med neddykkede elektroder tillater ikke nødvendig kontroll med reaksjonssystemet til å optimalisere høytemperatursonen, gass/faststoff reaksjoner og varmeoverføring i reaktoren. Dette resulterer i tap i form av gassformig silisiummonoksid (SiO) sammen med CO-gass som dannes. Bare en del av SiO-gassen som fremstilles ifølge reaksjonene (2) og (4) forbrukes i reaksjonene (3) og (5). En ytterligere del av SiO-gassen dissosierer i den øvre del av ovnschargen til Si02 og Si, mens den resterende del av SiO forlater ovnen og reoksiderer til S1O2 i atmosfæren over ovnschargen og er tapt fra prosessen. De reoksiderte Si02 partiklene har meget liten partikkelstørrelse og følger avgassene fra ovnen og må gjenvinnes i posefiltre.

I EP-A-0357395 er det foreslått en syklisk to-trinns batch-metode hvor S1O2 og SiC reageres for å danne smeltet silisium, SiO og CO og hvor SiO kontaktes med et lag av karbon for å regenerere SiC. I metoden ifølge EP-A 0357395 omfatter et ovnsrom bestående av et lukket kar som definerer en reaksjonssone for faste reaktanter og smeltet silisium, og hvor karet har en energikilde som strekker seg inn i ovnsrommet. En sjakt inneholdende faste partikler av karbon som gjennomstrømmes av gasser fra ovnsrommet er anbragt på toppen av ovnen. Sjakten har en bunnplate med åpninger som tillater at gassen fra ovnen passerer opp gjennom sjakten.

Metoden ifølge EP-A-0357395 utføres som en batchprosess. En blanding av silisiumkarbid og silisiumdioksid plasseres i ovnen og sjakten fylles med karbonmateriale. Deretter tilføres det energi til reaksjonssonen for å foreta en konvertering av silisiumkarbid og silisiumdioksid. Silisiummonoksid og karbonmonoksid som produseres ved reaksjon, strømmer inn i sjakten fylt med karbonpartikler hvor silisiummonoksid reagerer med karbon for dannelse av silisiumkarbid og hvor karbonmonoksid passerer ureagert gjennom sjakten. Det produserte silisium tappes fra ovnen. Tilførselen av energi stoppes og silisiumkarbid fremstilt i sjakten tilføres til ovnen sammen med ytterligere silisiumdioksid hvoretter sjakten igjen fylles med karbonpartikler og energi igjen tilføres til reaksjonssonen hvoretter de ovenfor angitte trinnene repeteres.

Metoden ifølge EP-A-0357395 har den fordel at SiO-gassen benyttes til å fremstille silisiumkarbid i sjakten, hvorved silisiumutbyttet økes. Metoden ifølge EP-A-0357395 har imidlertid noen vesentlige ulemper som gjør den uegnet som metode for kommersiell fremstilling av silisium. For det første er prosessen en batch prosess hvor en batch av silisiumkarbid og silisiumdioksid reageres til silisium i ovnen. Driften av ovnen må således stoppes når blandingen av råmaterialer er konvertert til silisium. Nødvendigheten av å stanse ovnen for hver batch resulterer i store tap av varmeenergi som gjør det umulig å konkurrere med konvensjonelle lysbueovner med neddykkede elektroder. Videre må man knuse platen i bunnen av sjakten for å tilføre silisiumkarbid produsert i sjakten til ovnen. Dette medfører at en ny bunnplate må monteres for hver batch. Dette øker både tapet av varmeenergi og tiden mellom hver batch som produseres i ovnen. Selv om silisiummonoksid benyttes for å konvertere karbon til silisiumkarbid i sjakten og således øker utbyttet av silisium, gjør det høye energiforbruket prosessen ifølge EP-A-0357395 uøkonomisk sammenlignet med den konvensjonelle kontinuerlige lysbueovnsprosessen. Metoden ifølge EP-A- 0357395 løser heller ikke problemene med å kontrollere masse- og varmetransport i reaksjonssonen da reaksjonssonen drives med neddykkede elektroder.

Fra JP A 63170208 er det kjent en fremgangsmåte for fremstilling av Si hvor karbonholdig reduksjonsmateriale tilføres til en sjakt som strekker seg nedover i en lysbueovn til området like over elektrodene. I sideveggen i den del av sjakten som er innført i lysbueovnen er det anordnet hull hvor reaksjonsgass inkludert i SiO-gass kan strømme inn i sjakten hvor SiO-gassen kan reagere med karbon i sjakten for dannelse av SiC. Kvarts eller Si02 for prosessen tilføres til lysbueovnen separat fra karbontilførselen gjennom en lanse. Sjakten for karbon er åpen i sin nedre ende slik at det dannes en stående søyle av karbon/SiC som vil synke ned i ovnen etter hvert som det forbrukes. Denne fremgangsmåten har den ulempen at karbon/SiC mengden på grunn av at sjakten er åpen i sin nedre ende ikke kan kontrolleres, slik at det alltid vil eksistere et overskudd av karbon i selve lysbueovnen.

Beskrivelse av oppfinnelsen

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en fremgangsmåte og en reaktor for karbotermisk fremstilling av silisium som muliggjør kontinuerlig produksjon av silisium med nær 100 % Si utbytte og med et energiforbruk nær opptil den teoretiske verdi. Videre muliggjør fremgangsmåten og reaktoren ifølge oppfinnelsen en full kontroll med masse-og varmetransport i reaktoren.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en smeltereaktor for karbotermisk fremstilling av silisium omfattende

(a) et kar som definerer en høytemperaturreduksjonssone og hvor karet har

et utløp for smeltet silisium i sin nedre del,

(b) midler for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen,

(c) en gass/faststoff reaksjonssjakt for et karbonholdig reduksjonsmateriale og SiC>2 råmaterialblanding, hvilken sjakt er anordnet på toppen av karet, og hvor sjakten har en åpning i sin bunn som kommuniserer med høytemperatur reduksjonssonen for å tillate reaksjonsgasser fra høytemperaturreduksjonssonen å komme inn i sjakten, (d) midler for kontinuerlig eller intermittent tilførsel av råmaterialblandingen bestående av karbonholdig reduksjonsmateriale og Si02 til toppen av sjakten og midler for kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig og kontrollert tilførsel av faste reaksjonsprodukter fra bunnen av sjakten og inn i høytemperaturreduksjonskaret, og, (e) hvor midlene for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen omfatter minst ett par i det vesentlige horisontalt anordnede elektroder anordnet rundt omkretsen i høytemperaturreduksjonskaret ved et nivå over utløpet for smeltet silisium.

I henhold til en foretrukket utførelsesform er reaktoren lukket og innrettet til å drives ved et trykk over atmosfæretrykk.

I henhold til en annen foretrukket utførelsesform omfatter midlene for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen omfatter tre eller flere par av i det vesentlige horisontalt anordnede elektroder anordnet rundt omkretsen av høytemperatur- reduksjonskaret. I henhold til en ytterligere foretrukket utførelsesform er elektrodene anordnet med lik avstand rundt omkretsen av karet.

Når mer enn ett elektrodepar benyttes, er elektrodeparene fortrinnsvis anordnet i samme vertikale nivå i høytemperaturreduksjonssonen, men elektrodeparene kan også anordnes i forskjellige vertikale nivå.

Når mer enn ett elektrodepar benyttes er det anordnet en reguleringsenhet for tilførsel av elektrisk strøm til elektrodeparene. Reguleringsenhetene skifter tilførselen av elektrisk strøm mellom elektrodeparene mer eller mindre kontinuerlig på en slik måte at bare et elektrodepar tilføres strøm på samme tidspunkt. Reguleringsenheten kan skifte strømtilførselen fra et elektrodepar til et annet elektrodepar basert på frekvensen av den tilførte elektriske strøm. Dersom den tilførte elektriske strøm har en frekvens på 50 Hz, skifter reguleringsenheten strømmen mellom elektrodeparene 50 ganger pr. sekund. På denne måte blir området for høytemperaturreduksjonssonen oppvarmet til en tilnærmet lik temperatur over hele tverrsnittet av høytemperaturreduksjonssonen.

Alternativt kan når mer enn ett elektrodepar benyttes, hvert elektrodepar utstyres med separat strømforsyning for å sikre at den elektriske lysbuen går mellom de to elektrodene i et elektrodepar og ikke til en elektrode i et annet elektrodepar.

Elektrodene er fortrinnsvis grafittelektroder, men forbakte karbonelektroder eller inerte elektroder kan også benyttes.

Ifølge en annen foretrukket utførelsesform er minst en av elektrodene hul og er utstyrt med midler for tilførsel av faste materialer gjennom elektroden og inn i høytemperaturreduksjonssonen. Midlene for tilførsel av faste materialer gjennom minst en hul elektrode utgjøres fortrinnsvis av injeksjonsmidler basert på inert gass og de faste materialene som tilføres ved hjelp av injeksjonsmidlene er en eller flere av silisiumkarbid, SiCb og karbonholdige reduksjonsmidler. De faste materialene tilføres gjennom en eller flere hule elektroder for å justere forholdet mellom karbon og SiC>2 i høytemperaturreduksjonssonen. En separat åpning kan alternativt anordnes for å tilføre de faste materialene direkte til høytemperaturreduksjonssonen.

Midlene for kontinuerlig eller intermittent tilførsel av karbon og Si02 råmaterialblanding til toppen av sjakten utgjøres fortrinnsvis av en lufttett dobbelklokke utstyrt med midler for spyling med inert gass for å hindre luft fra å komme inn i sjakten. Også andre konvensjonelle tilførselsmidler hvor råmaterialene kan tilføres uten at luft trenger inn i sjakten kan også anvendes.

Et av de viktigste aspektene ved den foreliggende oppfinnelse utgjøres av strømmingen av gass fra høytemperaturreduksjonssonen inn i de partikkelformige faste materialene i sjakten, strømmingen av partikkelformet fast materiale nedover og inn i høytemperaturreduksjonssonen og strømmingen av smeltefase som kan dannes i sjakten nedover inn i høytemperatursonen.

Midlene for kontrollert tilførsel av faste partikkelformige materialer nedover og samtidig tillate gass å strømme oppover, er konstruert for å tillate fri eller uhindret strøm av gass oppover fra høytemperaturreduksjonssonen og inn i de partikkelformige faste materialene i sjakten. Disse tilførselsmidlene er også konstruert for å tillate en strøm av faste partikkelformige materialer fra sjakten til høytemperaturreduksjonssonen i en kontrollert mengde og en fri eller uhindret strøm av eventuelle flytende faser fra sjakten og nedover til høytemperaturreduksjonssonen. Mengden eller volumet av flytende faser som strømmer nedover fra sjakten til reduksjonssonen er liten sammenlignet med mengden eller volumet av faste materialer som strømmer nedover.

Tilførselsmidlene må være i stand til å motstå høy temperatur da de er anordnet rett over høytemperaturreduksjonssonen.

En utførelsesform av tilførselsmidlene omfatter en sirkulær roterbar eller oscillerbar horisontal plate som har en diameter tilsvarende til den indre diameter av sjakten, hvilken plate er anordnet på en flens som strekker seg innover ved den nedre ende av sjakten. Platen har en sentral polygonformet åpning og hvor den sentrale åpning i platen er delvis dekket av en konformet anordning som er opphengt i en vertikal stang som strekker seg over toppen av sjakten. Den konformede platen hindrer fri strøm av partikkelformig fast materiale fra sjakten og ned i høytemperatursonen.

Den konformede anordningen har spissen av konen pekende oppover og innover i sjakten for å lede de faste partiklene mot de sidene av sjakten. Ved rotasjon eller oscillasjon av platen vil en innovervirkende kraft skyve de partikkelformige faste materialene innover slik at materialene strømmer mot åpningen i flensen og ned i høytemperaturreduksjonssonen. Dette tillater samtidig både at gass kan strømme fritt oppover og at flytende fase kan strømme fritt nedover.

Midlene for å rotere eller oscillere platen omfatter fortrinnsvis en eller flere tannstenger med tanndrev hvor tannstengene strekker seg gjennom veggen av sjakten gjennom gasstett, kjølte forseglinger. En synkronisert drivanordning er anordnet utenfor sjakten. Drivanordningen kan være elektrisk, hydraulisk eller pneumatisk.

Flensen som strekker seg innover ved den nedre enden av sjakten strekker seg fortrinnsvis nedover og innover mot senter av sjakten for å tillate at flytende reaksjonsprodukter som dannes i sjakten kan dryppe ned i høytemperaturreduksjonssonen.

Andre mekaniske anordninger for kontrollert bevegelse av faste partikler kan anvendes forutsatt at de kan motstå de høye temperaturene og gi de nødvendige strømningskarakteristikker. Eksempelvis kan en eller flere roterbare, korrugerte ruller anvendes sammen med en traktformet flens anvendes hvor rullen blokkerer fri strøm av partikkelformige faste materialer fra sjakten til høytemperatur reduksjonssonen, men tillater kontrollert tilførsel av partiklene nedover, fri strømming av flytende faser nedover og fri strømming av gass oppover. En eller flere korrugerte ruller er anordnet horisontalt for å blokkere åpningen i trakten mens en eller flere ruller roteres for å kontrollere tilførselen av faste partikler til høytemperaturreduksjonssonen. Rullene er kjølt på konvensjonell måte for å motstå de høye temperaturene.

Som det vil forstås av en fagmann, vil enhver tilførselsanordning som kan motstå varme og som gir en ønsket strømningskarakteristikk mellom sjakten og høytemperaturreduksjonssonen anvendes ved den foreliggende oppfinnelse.

I henhold til en ytterligere utførelsesform er sjakten utstyrt med midler for uttak av ufortynnet CO gass fra toppen av sjakten for videre prosessering.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører videre en fremgangsmåte for karbotermisk fremstilling av silisium ved reduksjon av silisiumdioksid i smeltereaktoren ifølge oppfinnelsen, hvilken fremgangsmåte omfatter;

kontinuerlig eller intermittent tilførsel av et karbonholdig reduksjonsmateriale og silisiumdioksid råmaterialblanding til en sjakt hvor det karbonholdige reduksjonsmaterialet i sjakten reagerer til SiC ved kontakt med SiO-gass som strømmer fra en nedenforliggende høytemperaturreduksjonssone og oppover i sjakten,

kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig kontrollert tilførsel av faste reaksjonsprodukter fra bunnen av sjakten og inn i høytemperaturreduksjonssonen,

tilføre de faste reaksjonsproduktene fra sjakten gjennom en eller flere elektriske lysbuer mellom i det minste ett par av idet vesentlige horisontale elektroder for å produsere smeltet silisium i høytemperaturreduksjonssonen, hvilket smeltet silisium oppsamles på bunnen av høytemperaturreduksjonskaret og SiO- og CO-gass som strømmer opp gjennom sjakten,

kontinuerlig eller intermittent tapping av smeltet silisium fra

høytemperaturreduksjonskaret..

Råmaterialblandingen av karbonholdig reduksjonsmateriale og silisiumdioksid tilføres fortrinnsvis til sjakten i et molforhold mellom karbon og Si02 mellom 1,8:1 og 2,2:1, og mest foretrukket i et molforhold mellom karbon og Si02 på 2:1.

Råmaterialblandingen blir fortrinnsvis tilført til sjakten i form av agglomerater av karbonholdig reduksjonsmiddelmateriale og silisiumdioksid. Agglomeratene er fortrinnsvis pellets eller briketter og er fremstilt på konvensjonell måte ved bruk av konvensjonelle bindemidler.

Ifølge en annen foretrukket utførelsesform blir faste materialer valgt blant silisiumkarbid, SiC-2 og karbonholdig reduksjonsmateriale tilført til høytemperaturreduksjonssonen gjennom en eller flere hule elektroder for å justere forholdet mellom karbon og Si02 i høytemperaturreduksjonssonen. Alternativt kan silisiumkarbid, Si02 og karbonholdig reduksjonsmiddel for justering av forholdet mellom karbon og SiC>2 tilføres til høytemperaturreduksjonssonen gjennom separate åpninger i reaktoren.

For ytterligere å kontrollere reduksjonsprosessen blir en lanse for prøvetaking og kjemiske analyser fra høytemperaturreduksjonssonen fortrinnsvis innført gjennom en eller flere hule elektroder eller gjennom separate åpninger i reaktoren.

Fremgangsmåten og reaktoren i henhold til oppfinnelsen for karbotermisk fremstilling av silisium gjør det mulig å fullt ut kontrollere både masse- og varmetransport i reaktoren. Råmaterialblandingen av karbonholdig reduksjonsmateriale og en Si02-kilde tilføres til sjakten. I sjakten vil råmaterialblandingen bli forvarmet og karbonmaterialet vil reagere med SiO-gass som strømmer inn i sjakten fra høytemperaturreduksjonssonen og danne SiC i henhold til reaksjonen SiO + 2C = SiC + CO. Hoveddelen av karbon i det karbonholdige reduksjonsmaterialet vil derved bli konvertert til SiC i sjakten. En del av SiO-gassen kan imidlertid kondensere i sjakten og danne Si02 og smeltet Si i henhold til reaksjonen 2SiO = Si02 + Si. En meget liten mengde av smeltet Si kan således dannes i sjakten.

De faste reaksjonsproduktene i sjakten, silisiumkarbid og Si02, blir kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig tilført fra bunnen av sjakten til høytemperaturreduksjonskaret i en mengde som samsvarer med varmeenergien som tilføres til høytemperaturreduksjonssonen gjennom elektrodene for derved å oppnå en stabil drift uten vesentlig akkumulering av ureagert materiale i bunnen av høytemperaturreduksjonskaret.

Mengden av faste reaksjonsprodukter som tilføres til høytemperaturreduksjonssonen fra sjakten blir nøye regulert ved å regulere rotasjonshastigheten av platen anordnet i bunnen av sjakten. På denne måten kan mengden av faste materialer som tilføres høytemperaturreduksjonssonen reguleres i henhold til den energi som tilføres til høytemperaturreduksjonssonen for å unngå akkumulering av ureagert materiale i høytemperaturreduksjonssonen. Videre, da reaksjonsproduktene i form av partikler eller agglomerater av SiC og S1O2 faller ved hjelp av tyngdekraften fra sjakten og ned gjennom høytemperaturreduksjonssonen, vil partiklene eller hvert agglomerat reagere i henhold til reaksjonen 2Si02 + SiC = 3SiO + CO når de kommer inn i høytemperaturreduksjonssonen. Gassene fra denne reduksjonsprosessen, SiO-gass og CO, vil ekspandere i alle retninger og skape et overtrykk i høytemperaturreduksjonssonen. Hovedmengden av SiO-gass vil reagere med SiC i henhold til reaksjonen SiO + SiC = 2Si + CO. Det produserte Si vil akkumuleres hovedsakelig som smeltet Si i bunnen av karet og toppes kontinuerlig eller diskontinuerlig, mens den gjenværende del av SiO gass og CO vil strømme fritt oppover og komme inn i sjakten hvor SiO-gass vil reagere med karbon i de karbonholdige reduksjonsmidlene og danne SiC, Videre vil det høye varmeinnholdet i gassene som kommer inn i sjakten forvarme råmaterialblandingen i sjakten.

SiO gassen vil forbrukes i sjakten, hvorved et nær 100 % Si-utbytte oppnås. Den relativt rene CO-gassen uttas ved toppen av sjakten og kan enten gjenvinnes som flytende CO, bli benyttet som en prosessgass for kjemiske formål eller den kan forbrennes for å produsere varme.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom smeltereaktoren i henhold til foreliggende oppfinnelse,

Figur 2 viser et horisontalt snitt tatt langs linjen A - A i figur 1, og hvor,

Figur 3 viser et horisontalt snitt tatt langs linjen B - B i figur 1.

Figur 4 viser en del av høytemperaturkaret i figur 1 med elektrodepar i to vertikale nivå.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

På figurene 1 til 3 er det vist en utførelsesform av smeltereaktoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Smeltereaktoren omfatter et kar 1 som definerer en høytemperaturreduksjonssone. Karet 1 består av en nedre del 2 omfattende et ytre stålskall 3 med en ildfast foring 4 på sideveggene og i bunnen. Et utløp 5 for fremstilt silisium er anordnet i sideveggen i den nedre del 2 av karet 1. En øvre del 6 av karet 1 omfatter kjølte paneler 7. Panelene 7 er fortrinnsvis kjølt ved sirkulasjon av en olje gjennom interne kanaler (ikke vist) i panelene 7, men panelene 7 kan også kjøles på en hvilken som helst konvensjonell måte, så som fordampningskjøling eller lignende. Panelene 7 er fortrinnsvis fremstilt av kobber, men andre metaller og metallegeringer kan også benyttes.

Den øvre del 6 har ved sin øvre ende en utoverragende horisontal flens 8 som definerer en i det vesentlige sirkulær åpning 9 i senter av toppen av den øvre del 6.

I den nedre ende av den øvre del 6 er det anordnet tre elektrodepar 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1>. Selv om tre elektrodepar er vist på utførelsesformen på figurene, har smeltereaktoren i henhold til oppfinnelsen minst ett elektrodepar, men kan også to elektrodepar eller mer enn tre elektrodepar, så som fire, fem eller seks elektrodepar.

I den utførelsesform som er vist på figur 3 er elektrodene anordnet med en lik avstand rundt periferien, men det ligger innenfor den foreliggende oppfinnelse å anordne elektrodene med ulik avstand rundt periferien.

Elektrodene 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> er anordnet rundt periferien av karet 1 og er idet vesentlige horisontale. Elektrodene 10, 10<1>,11,11<1> and 12,12<1> er fortrinnsvis fremstilt av grafitt, men forbakte karbonelektroder eller inerte, kjølte elektroder kan også anvendes. Elektrodene 10,10\ 11,11<1> and 12,12<1 >er innført i karet 1 gjennom åpninger i den øvre del 6 av karet 1. Elektrodetetninger 13 er anordnet både for å støtte elektrodene og for å sørge for gasstett tetning mellom elektrodene og åpningene i den øvre delen av karet 1. Elektrodene er via ledere tilknyttet en reguleringsenhet 15 og en elektrisk strømkilde (ikke vist). Tilførselen av elektrisk strøm til hvert elektrodepar reguleres ved hjelp av reguleringsenheten 15. Reguleringsenheten 15 virker slik at elektrisk strøm bare tilføres ett av elektrodeparene samtidig. Tilførselen av elektrisk strøm skiftes mellom elektrodeparene mer eller mindre kontinuerlig ved hjelp av reguleringsenheten 15. Dette kan gjøres basert på frekvensen av den elektriske strøm på en slik måte at reguleringsenheten 15 skifter strømmen fra et elektrodepar til et annet elektrodepar basert på frekvensen. Dersom den elektriske strøm som tilføres til elektrodene har en frekvens på 50 Hz, skifter reguleringsenheten 15 strømmen mellom elektrodeparene 50 ganger pr. sekund. Når strøm tilføres til et elektrodepar tennes det en elektrisk lysbue mellom de to elektrodene i elektrodeparet. Ved mer eller mindre kontinuerlig skifting av tilførsel av elektrisk energi mellom elektrodeparene oppnås det en meget høy temperatur over hele tverrsnittet av høytemperaturreduksjonssonen.

Minst en av elektrodene 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> kan være hul og være utstyrt med midler for tilførsel av faste materialer valgt blant silisiumkarbid, SiC*2 og karbonholdig reduksjonsmiddel gjennom den i det minste en hul elektrode for justering av forholdet mellom karbon og Si02 i høytemperatursonen.

Konvensjonelle midler (ikke vist) er anordnet for å bevege elektrodene innover for å kompensere for elektrodeforbruket.

På toppen av flensen 8 er det anordnet en sjakt 16. Sjakten 16 har et idet vesentlige sirkulært tverrsnitt og omfatter et ytre stålskall 17 med en ildfast foring 18 på sin innside.

Sjakten 16 har minst en åpning 19 på toppen av lufttett tilførsel av en blanding av kvarts og karbon. Ved sin øvre ende har sjakten også en utløpsåpning 20 for reaksjonsgasser.

Ved sin bunn har sjakten 16 en innoverragende flens 21 med en sentral åpning 22 som har en diameter lik eller mindre enn åpningen 9 i den øvre del 6 av karet 1. Flensen 21 rager fortrinnsvis nedover mot senter av sjakten for å tillate at eventuelt flytende reaksjonsprodukter i sjakten kan dryppe ned i høytemperaturreduksjonssonen.

En horisontal, sirkulær skive 23 ligger på flensen 21. Skiven 23 har en sentral polygonformet åpning med sidekanter 24 som vist på figur 3. Det er anordnet midler for kontinuerlig eller intermittent rotasjon eller oscillasjon av skiven 23. Sentralt i sjakten 16 er det anordnet en kon 25 med spissen pekende oppover. Konen 25 er opphengt fra toppen av sjakten 16 ved hjelp av en stang 26. Den nedre horisontale flate av konen 25 har en diameter som er litt større enn den sentrale åpningen definert ved flensen 21. Stangen 26 har fortrinnsvis indre kanaler for sirkulasjon av en kjølevæske for kjøling av den nedre ende av konen 25.

Midlene for rotasjon eller oscillering av platen 23 omfatter fortrinnsvis en eller flere tannstenger med tanndrev 27 med midler for drift av tannstengene. Tannstengene løper gjennom sideveggen i sjakten 26 gjennom kjølte, gasstette åpninger. Et synkronisert drivverk er anordnet på utsiden av sjakten 16. Drivverket kan være elektrisk, hydraulisk eller pneumatisk.

Figur 4 viser deler av figur 1 med elektrodene anordnet i to vertikale nivåer. Deler på figur 4 som tilsvarer deler på figur 1 har samme henvisningstall.

I den utførelsesform som er vist på figur 4 er ett elektrodepar 50, 50<1> anordnet på et lavere nivå enn elektrodeparet 10, 10<1>. Elektrisk strøm tilføres til elektrodeparet 50, 50<1> på samme måte som beskrevet ovenfor i forbindelse med figur 1-3. Med den elektrodekonfigurasjon som er vist på figur 4, blir den vertikale utstrekning av høytemperaturreduksjonssonen øket, hvorved oppholdstiden for strømmen av faste partikler tilført fra sjakten 16 blir økt. Dette vil sikre at de faste partiklene som kommer inn i høytemperaturreduksjonssonen vil oppholde seg ved høy temperatur inntil de er fullstendig reagert.

Smeltereaktoren beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 1-4 drives som følger: En blanding av karbonholdig reduksjonsmateriale og kvarts fylles i sjakten 16 gjennom åpningen 19 opp til et nivå indikert ved henvisningstallet 40 på figur 1. Blandingen av karbonholdig reduksjonsmateriale og kvarts er fortrinnsvis i form av briketter eller pellets. Blanding av karbon og kvarts har fortrinnsvis et molforhold mellom karbon og kvarts på ca. 2:1.

Råmaterialene som tilføres til sjakten 16 vil falle ned i rommet mellom den ytre omkrets av den nedre del av karet 25 og innsiden av åpningen i platen 23 som ligger på toppen av flensen 21.

Elektrisk strøm tilføres til elektrodeparene 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 121 og 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> som beskrevet ovenfor. For å oppnå en elektrisk lysbue mellom hvert elektrodepar når reduksjonssonen er kald, kan en plasmagass tilføres gjennom elektrodene dersom hule elektroder benyttes, eller alternativt blir elektrodene i hvert elektrodepar beveget mot hverandre slik at elektrodespissene i et elektrodepar kommer meget nær hverandre. Når en stabil lysbue er oppnådd mellom hvert elektrodepar roteres eller oscilleres platen 23. På grunn av den polygonformede sentrale åpning i platen 23 vil de faste materialene som ligger på flensen 21 bli skjøvet horisontalt innover mot senter av sjakten 16 og vil derved med hjelp av tyngdekraften falle ned gjennom åpningene 22 og 9 og vil passere gjennom området mellom elektrodene 10, 10<1>, 11, 11<1>, 12, 12<1> som en sky av separate partikler. Mengde av materiale tilført til høytemperaturreduksjonssonen blir nøye kontrollert i forhold til varmeenergien som tilføres via elektrodene ved kontroll av rotasjonen eller oscillasjonen av platen 23.

På grunn av den meget høye temperaturen som eksisterer i de elektriske lysbuene mellom hvert elektrodepar, vil de fritt fallende materialene bli redusert til Si, SiO og CO. Det fremstilte flytende Si vil sammen med eventuelle ureagerte råmaterialer, bli oppsamlet i bunnen av den nedre del av karet 1 mens den delen av SiO som ikke reagerer til Si vil, sammen med CO gass som dannes, bevege seg fritt oppover i karet 1 og inn i sjakten 16 hvor SiO-gass vil reagere med karbon i råmaterialene og danne SiC, mens CO gass vil strømme oppover gjennom sjakt 16 og ut gjennom gassutløpsåpningen 20. Gassen som forlater sjakten 16 gjennom gassutløpsåpningen 20 vil i det vesentlige være CO-gass som enten kan gjenvinnes som flytende CO, benyttes som en prosessgass for kjemiske formål eller brennes for å produsere varme. Enhver rest av ureagert SiO-gass vil kondensere til Si02 og Si i den relativt kalde øvre del av sjakten 16.

Ettersom karbon i råmaterialene blir konvertert til SiC ved reaksjon med Si-gass som kommer inn i sjakten fra høytemperaturreduksjonssonen, vil materialene som tilføres til karet 1 ved rotasjon av platen 23, idet alt vesentlige utgjøres av SiC og S1O2. Derved utnyttes varmeenergien i SiO-gassen som kommer inn i sjakten til å utføre den endoterme reaksjonen SiO + 2C = SiC + CO og til å forvarme råmaterialene. Dette reduserer vesentlig den energi som er nødvendig for å fremstille silisium i høytemperaturreduksjonssonen i karet 1. Videre vil, på grunn av elektrodekonfigurasjonen i smeltereaktoren, temperaturen i hele området mellom elektrodene være meget høy hvilket medfører en rask smelting og reaksjon av råmaterialpartiklene mens de på grunn av tyngdekraften faller som en sky av faste partikler inn i høytemperaturreduksjonssonen mellom elektrodene. Elektrodekonfigurasjonen i smeltereaktoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse gjør det videre mulig å tilføre store mengder energi til et meget lite volum. Dette vil vesentlig øke produksjonsmengden pr. enhet reaktorvolum og derved redusere varmetapet fra smeltereaktoren pr. tonn produsert silisium. Da SiO-gass benyttes til å forvarme råmaterialene tilført til sjakten og til å reagere karbon til SiC, vil ikke SiO gass forlate smeltereaktoren. Utbyttet av Si vil derved økes til nær 100 %.

Ved å regulere tilførselen av materialer fra sjakten til høytemperaturreduksjonssonen i samsvar med energien som tilføres til høytemperaturreduksjonssonen, oppnås det til enhver tid en balanse mellom tilførte råmaterialer og tilført energi.

Sammenlignet med konvensjonelle lysbueovner med neddykkede elektroder som i dag benyttes for fremstilling av metallurgisk silisium blir investeringskostnadene vesentlig redusert idet smelteovnen i forhold til foreliggende oppfinnelse trenger mye mindre plass enn en lysbueovn med neddykkede elektroder for å produsere samme mengde silisium.

Claims (21)

1. Smeltereaktor for karbotermisk fremstilling av silisium omfattende: (a) et kar (1) som definerer en høytemperaturreduksjonssone og hvor karet (1) har et utløp (5) for smeltet silisium i sin nedre del, (b) midler (10, 10\ 11, 11\ 12, 12<1>) for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen, (c) en gass/faststoff reaksjonssjakt (16) for et karbonholdig reduksjonsmateriale og Si02 råmaterialblanding, hvilken sjakt (16) er anordnet på toppen av karet (1), og hvor sjakten (16) har en åpning i sin bunn som kommuniserer med høytemperatur reduksjonssonen for å tillate reaksjonsgasser fra høytemperaturreduksjonssonen å komme inn i sjakten (16), karakterisert ved at smeltereaktoren videre omfatter: (d) midler (19) for kontinuerlig eller intermittent tilførsel av råmaterialblandingen bestående av karbonholdig reduksjonsmateriale og Si02 til toppen av sjakten (16) og midler (23, 25) for kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig og kontrollert tilførsel av faste reaksjonsprodukter fra bunnen av sjakten (16) og inn i høytemperaturreduksjonskaret, og, (e) hvor midlene for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen omfatter minst ett par i det vesentlige horisontalt anordnede elektroder anordnet rundt omkretsen i høytemperaturreduksjonskaret (1) ved et nivå over utløpet (5) for smeltet silisium.

2. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at reaktoren er lukket og innrettet til å drives ved et trykk over atmosfæretrykk.

3. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene (10, 10<1>, 11, 11\ 12, 12<1>) for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen omfatter tre eller flere par av i det vesentlige horisontalt anordnede elektroder anordnet rundt omkretsen av høytemperaturreduksjonskaret (1).

4. Reaktor ifølge krav 3, karakterisert ved at elektrodeparene er anordnet i samme vertikale nivå i høytemperaturreduksjonssonen.

5. Reaktor ifølge krav 3, karakterisert ved at elektrodene er anordnet på ulike vertikale nivåer i høytemperaturreduksjonssonen.

6. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene er fremstilt av grafitt.

7.. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene er forbakte karbonelektroder.

8. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene er inerte elektroder.

9. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en av elektrodene er hul og utstyrt med midler for tilførsel av faste materialer gjennom elektroden og inn i høytemperaturreduksjonssonen.

10. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at en lanse for prøvetaking og for kjemisk analyse av materialet i høytemperaturreduksjonssonen er innført i en eller flere hule elektroder (10, 10\ 11, 111, 12,12<1>).

11. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene (19) for kontinuerlig eller intermittent tilførsel av karbon og Si02 råmaterialblanding til toppen av sjakten (16) utgjøres av en lufttett dobbelklokke (28) utstyrt med midler (29) for spyling med inert gass.

12. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene for kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig tilførsel av faste reaksjonsprodukter fra bunnen av sjakten (16) til høytemperaturreduksjonssonen omfatter en sirkulær roterbar eller oscillerbar horisontal plate (23) som har en diameter tilsvarende til den indre diameter av sjakten (16), hvilken plate er anordnet på en flens (21) som strekker seg innover ved den nedre ende av sjakten (16), hvilken plate (23) har en sentral polygonformet åpning hvor den sentrale åpning i platen (23) er delvis dekket av en konformet anordning (25) som er opphengt i en vertikal stang (26) som strekker seg over toppen av sjakten (16).

13. Reaktor ifølge krav 12, karakterisert ved at flensen (21) heller nedover og innover mot senter av sjakten (16).

14. Reaktor ifølge krav 12, karakterisert ved at midlene for å rotere eller oscillere platen (23) omfatter en eller flere tannstenger med tanndrev hvor tannstengene strekker seg gjennom veggen av sjakten (16) gjennom gasstette, kjølte forseglinger.

15. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at sjakten (16) er utstyrt med midler (20) for uttak av ufortynnet CO gass fra toppen av sjakten (16) for videre prosessering.

16. Fremgangsmåte for karbotermisk fremstilling av silisium ved reduksjon av silisiumdioksid i smeltereaktoren ifølge krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter: kontinuerlig eller intermittent tilførsel av en råmaterialblanding bestående av et karbonholdig reduksjonsmateriale og silisiumdioksid til sjakten hvor det karbonholdige reduksjonsmaterialet i sjakten reagerer til SiC ved kontakt med SiO-gass som strømmer fra den nedenforliggende høytemperaturreduksjonssone og oppover i sjakten, kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig kontrollert tilførsel av faste reaksjonsprodukter fra bunnen av sjakten og inn i høytemperaturreduksjonssonen, tilførsel av de faste reaksjonsproduktene fra sjakten gjennom en eller flere elektriske lysbuer mellom i det minste ett par av i det vesentlige horisontalt anordnede elektroder for å produsere smeltet silisium i høytemperaturreduksjonssonen, hvilket smeltet silisium oppsamles på bunnen av høytemperaturreduksjonskaret samt SiO- og CO-gass som strømmer opp gjennom sjakten, og kontinuerlig eller intermittent tapping av smeltet silisium fra høytemperaturreduksjonskaret.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at råmaterialblandingen av karbonholdig reduksjonsmateriale og silisiumdioksid tilføres til sjakten i et molforhold mellom karbon og S1O2 mellom 1,8:1 og 2,2:1.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at råmaterialblandingen tilføres til sjakten i form av agglomerater av karbonholdig reduksjonsmiddelmateriale og silisiumdioksid.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at agglomeratene er pellets.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at agglomeratene er briketter.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at faste materialer valgt blant silisiumkarbid, Si02 og karbonholdig reduksjonsmateriale tilføres til høytemperaturreduksjonssonen gjennom en eller flere hule elektroder for å justere forholdet mellom karbon og Si02 i høytemperaturreduksjonssonen.