NO884194L - Hoeyren innvendig foring for en elektro-lavsjaktovn. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innvendig foring for et reaksjonskammer i en elektro-lavsjaktovn, spesielt til fremstilling av høyren silisium ved karbotermisk reduksjon, bestående av en grafittsmeltedigel og en termisk isolasjon.

Til fremstilling av høyren silisium benyttes i dag for det meste Siemens C-prosessen. Ved denne blir metallurgisk silisium fremstilt ved reduksjon av silisiumdioksid med kull overført til en flyktig silisiumhalogenforbindelse, raffinert over gassfasen og igjen redusert til silisium med hydrogen. Dette silisium tilfredsstiller de strenge renhetskrav til elektronisk silisium, men er imidlertid for kostbart for mange andre anvendelser, som f.eks. i fotoelektrisk teknikk.

En mulighet til kostnadsgunstig fremstilling av solcelle-silisium egnet for fotovoltaiske elementer er beskrevet i en artikkel av J. Grabmaier i Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichten, bind 15, 1986, side 157-162. Fremgangs-måten tar utgangspunkt i forraffinerte og høyrene råmaterialer. Fra glassfibre utlutet med varme mineralsyrer fås et silisiumdioksid med høy renhet. Til reduksjon benyttes rent karbon, som likeledes kan raffineres ved utluting. En frem-gangsmåte for dette er f.eks. beskrevet i DE-OS 32 15 981.

De forraffinerte råmaterialer blir innført i en lysbueovn

og bragt til reaksjon med hverandre ved hjelp av den såkalte ACR-prosess (Advanced Carbothermic Reduction).

Fig. 1 viser skjematisk i tverrsnitt den kjente utførelse av en elektro-lavsjaktovn. Denne har en i alt vesentlig av høyrent grafitt eller karbon bestående smeltedigel 1, en tilsvarende foret tappestikk 2, samt en varmebestandig varmeisolasjon 3 som vanligvis består av ildfast sten eller masser på silisiumdioksid- resp. aluminiumoksidbasis. Under smelte-digelen er det anordnet et ytterligere karbonsjikt 4 for varmeisolasjon. Ovnsmantelen dannes av en stålplate 5.

Det viser seg allikevel at selv ved bruk av en høyfortettet grafitt som digelmateriale 1 kan digelen på grunn av silisium-smeltens høye krypeevne ikke gjøres silisiumtett. Silisiumet filtrerer selv inn i de smaleste fuger og kommer der i kontakt med isolasjonsmaterialet 3. Dette materiale er sterkt fosfor-holdig, da det til dets fremstilling benyttes fosfatholdig bindemiddel. I kontakt med silisiumet, karbonet og CO i ovnen blir fosforet redusert fra sine forbindelser og tatt opp av det flytende silisium. Det på grunn av fosforinnholdet n-ledende silisium er imidlertid uegnet til fremstilling av solceller og må først befris for fosfor i en kostbar prosess. Samme problemer som ved fosfor opptrer med nesten alle elementer som kan reduseres av silisiumsmelten. Fremfor alt fås det særlig skadelige forurensninger med elementet bor, som finnes i nesten alle ildfaste materialer. Også den etter-følgende fjerning av bor fra det fremstilte silisium er særdeles kostbar.

Oksidkeramiske materialer til varmeisolasjon som har en tilstrekkelig renhet, gode isolasjonsegenskaper og en i den sterkt reduserende ovnsatmosfære tilstrekkelig stabilitet,

er ikke kommersielt tilgjengelig.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er derfor å angi en høyren foring for en elektroovn for ACR-prosessen, og som avbøter de ovenfor omtalte mangler og samtidig er kostnadsgunstig og godt varmeisolerende.

Denne hensikt oppnås i henhold til oppfinnelsen ved en elektro-lavsjaktovn av den i innledningen beskrevne art, og hvor i det minste bunnen av reaksjonskammeret har en innvendig foring av høyrent karbon.

I en videreutvikling av oppfinnelsen er det sørget for å kjøle sideveggen av ovnen og gi avkall på en varmeisolerende foring av denne sidevegg.

Videre utførelser av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

Høyrene karbonmaterialer som i henhold til oppfinnelsen kan erstatte de tidligere benyttede keramiske oksidmaterialer,

er f.eks. grafitt, grafittkorn eller sot. Disse materialer er svært forskjellige med hensyn til deres varmeledningsevne som avtar i den angitte rekkefølge. Følgelig foretrekkes en oppbygging av ovnsforingen i flere sjikt.

I det følgende skal oppfinnelsen forklares nærmere i tilknyt-ning til fig. 2 og 3. Disse viser et skjematisk tverrsnitt av to utførelsesformer av den i henhold til oppfinnelsen innvendige foring av en ovn.

De samme deler er i den forbindelse gitt de samme henvisnings-tall på samtlige tre figurer.

Fig. 2: Det innerste sjikt 1 skal være mest mulig tett overfor silisiumsmelten og består følgelig av elektrografitt-blokker som har en tilstrekkelig høy tetthet til at de ved kontakt med silisiumsmelten overtrekkes med en tett silisium-karbidhud. Velges et porøst grafittmateriale, fører dette til en dypere inntrengning av silisiumet i den porøse grafitt-struktur og på grunn av dette til en oppsplitting av denne struktur ved silisiumkarbid-dannelsen. Ved siden av høyere silisiumtap fører dette også til en kraftig grafitterosjon.

Som neste sjikt er det anordnet et grafittkornsjikt 6, mens et siste og ytterste sjikt 7 kan bestå av sot. De fremragende varmeisolasjonsegenskaper til sot står riktignok i motsetning til sotets lave mekaniske stabilitet, hvorfor sotsjiktet 7 kan være anordnet tilstrekkelig tynt eller også helt bort-falle. Grafittkorn 6 har derimot tilstrekkelig stabilitet til at det f.eks. som varmeisolasjon av smeltedigelbunnen kan bære vekten av en hel ovnsfylling, uten at de struktur-betingede gunstige varmeisolasjonsegenskaper går tapt. Tykkelsen til de enkelte veggsjikt 1, 6, 7 er justert tilsvarende den ønskede varmeisolasjon. På det innerste grafitt-sjikt 1 bør temperaturen dog avta til ca. 1350°C, altså

under smeltepunktet for silisium, for å forhindre en dypere inntrengning av silisiumsmelten i isolasjonssjiktene 6 og 7, og således opprettholde deres isolasjonseffekt og unngå

et uønsket materialtap av silisium.

De nevnte karbonmaterialer kan fås med såvidt høy renhet at det ved den allikevel tillatelige gehalt av maksimalt 0,05 ppmv av bor og fosfor og en totalforurensnings- eller askegehalt på maksimalt 10 ppmv ikke oppstår ytterligere forurensninger av det smeltede metall, f.eks. silisiumet ved ACR-prosessen.

Fig. 3: I en videreutvikling av oppfinnelsen kan det gis avkall på en innvendig foring av sideveggene til ovnen i varmeisolerende materiale når den stålkappe som danner den ytre sidevegg 8 til ovnen kan kjøles. Ved smelteprosessen blir digelveggen da dannet av de benyttede materialer 9, spesielt således av beskikningsblandingen SiC^og reduksjons-middel (f.eks. sotbriketter). Denne beskikningsblanding 9 forblir ved randen av digelen i fast tilstand og bakes også

i ACR-prosessen ved kondensasjon av den ved reduksjonsprosessen dannede og. ved disse temperaturer også flyktige silisiumoksid SiO og således ytterligere stabilisert. Ved denne anordning forekommer det i drift neppe høyere varmetap enn med sideveggisolasjon, da varmen overveiende avledes fra metallsmelten og således nedad. Digelbunnen er imidlertid ved denne anordning termisk godt isolert med sjiktene 1, 6

og 7 .

Det med elektro-lavsjaktovnen i henhold til oppfinnelsen

ved hjelp av ACR-prosessen utvunnede silisium har en i forhold til en ved vanlig forede ovner fremstilt silisium forbedret renhet. Resterende forurensninger er nå bare avhengig av nedbrytningsprodukter fra reduksjonsprosessen. I en sats utvunnet silisium has det f.eks. p-ledningsevne ved et bor-

innhold på tydelig under 1 ppmv og er ikke kompensert. Solceller fremstilt av denne oppnår virkningsgrader på over 11%.

I tillegg bevirker ovnsforingen en god varmeisolasjon, er bestandig og tillater kontinuerlig drift av ovnen over flere år. I den forbindelse er ovnen ikke bare utført for fremstilling av høyrent silisium, men kan derimot benyttes også til alle andre metallurgiske prosesser ved hvilke det skal fremstilles høyrene metaller ved reduksjon.

Claims (7)

1. Innvendig foring for et reaksjonskammer i en elektro-lavsjaktovn, spesielt til fremstilling av høyrent silisium fra silisiumoksid ved karbotermisk reduksjon, bestående av en grafittsmeltedigel og en termisk isolasjon, karakterisert ved at i det minste bunnen av reaksjonskammeret (5) har en innvendig foring (1, 6, 7) av hø yrent karbon.

2. Innvendig foring i henhold til krav 1, karakterisert ved at den termiske isolasjon (6, 7) består av grafitt, grafittkorn eller sot.

3. Innvendig foring i henhold til krav 1 og/eller 2, karakterisert ved at det høyrene karbon har et bor- eller fosforinnhold på henholdsvis maksimalt 0,05 ppmv og et totalt askeinnhold på maksimalt 10 ppmv.

4. Innvendig foring i henhold til et av kravene 1-3, karakterisert ved at den innvendige foring (1, 6, 7) bare er anbragt i bunnområdet av reaksjonskammeret og at de øvrige sidevegger (8) av ovnen kan kjø les.

5. Innvendig foring i henhold til et av kravene 1-4, karakterisert ved at den termiske isolasjon består av hø yrent karbon påført i flere forskjellige sjikt.

6. Innvendig foring i henhold til krav 5, karakterisert ved at den innvendige foring av ovnen består av tre sjikt (1, 6, 7), som innenfra og ut består av materialene grafitt (1), grafittkorn (6) og sot (7).

7. Innvendig foring i henhold til et av kravene 1-6, karakterisert ved at grafittsjiktet (1) er påført i en slik tykkelse at temperaturen i det ved drift av ovnen avtar fra den innvendige driftstemperatur av ovnen og utad til under smeltepunktet for silisium.