NO20092797A1

NO20092797A1 - Digel

Info

Publication number: NO20092797A1
Application number: NO20092797A
Authority: NO
Inventors: Oddvar Skardal
Original assignee: Nordic Ceramics As
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-01
Also published as: WO2011014077A1

Abstract

En gjenbrukbar digel samt fremstilling og bruk av denne er beskrevet. To materialgrupper beskrives, idet digelen kjennetegnes ved å omfatte et bærelag og et indre lag, eventuelt også et ytre lag. Den kan også kjennetegnes ved en digel med ett bærende kjernemateriale som er dekket helt eller delvis av de ytre flatene.

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Teknisk område

Oppfinnelsen angår digler generelt og nærmere bestemt digler for smelting og størkning av silisiumkrystaller.

Bakgrunnsteknikk

Det er et ønske om å smelte og størkne silisiumkrystaller på en rimelig måte og uten å forurense silisiumet med urenheter fra digel.

Kvarts er i dag det mest anvendte materialet for digler til bruk for multikrystallinsk silisiumsmelting innenfor PV - industrien (Photo Voltaic). Dette digelmateriale har imidlertid flere svakheter som i hovedtrekk er: • Bruk av kvartsdigler medfører et forurensningsproblem i prosesseringen av størknet silisium for PV-industrien. • Det er kun mulig å anvende en kvartsdigel en gang da den sprekker opp og blir ødelagt i prosessen for nedsmelting og størkning av silisium.

Fra den kjente teknikk skal det vises til en rekke patenter og søknader.

Patentet JP-59-162199 beskriver en digel med høy tetthet med dertil høy styrke, og er produsert i materialet RB SN (reaksjonsbundet silisiumnitrid) via en tørrpressing og deretter en sintring i to trinn, først med en oppvarming i en inert atmosfære og deretter en sintring ved en høyere temperatur. Denne digel fuktes av silisiumsmelten som da medfører at den størknede silisiumblokk fester seg til digelen. Resultatet av dette medfører at disse digler kun kan benyttes til en syklus.

Patentet NO 317 080 tilveiebringer en løsning på fukting av materialet ved bruk av materiale og prosess i fremstilling av en digel til bruk for smelting og størkning av silisiumkrystaller. Fremstiling av en digel gjøres ved at det anvendes en spesifikk korning på råstoffene, samt en gitt produksjonsprosess med påfølgende sintringen av digelmaterialet. Ved de gitte grenseverdier kan tetthet og til dels også porestørrelse for materialet styres. De definerte grenser for tetthet er gitt til å ligge mellom 40-60% av teoretisk verdi, og det er oppgitt at minst 50% av overflateporene må ha en større diameter enn middelverdien på Si3N4 partiklene (silisiumnitrid-pulver). Digelen i henhold til NO 317 080 er produsert som en komplett enhet, den er laget som en komplett digel ved at en form fylles med råstoff/ pulver og at pulveret deretter kompakteres ved hjelp av vibrasjon.

US søknad 2004-0211496 beskriver fremstilling av en RB SN (reaksjonsbundet silisiumnitrid) materiale eller en isostatpresset silisiumnitrid digel hvor begge variantene er gitt med en begrenset størrelse og med en relativ stor veggtykkelse.

Søknad PCT/NO2007/000220 har en resept basert på en liten andel Si (Silisium) med en tilhørende stor andel av Si3N4 pulver med henholdsvis maksimum 40% Si og minimum 60% Si3N4. I tillegg har de en fremstillingsmåte der digelen anordnes med huller i bunnplaten samt tapper i de fire sideplatene. Disse plater blir deretter nitridert og sintret til et NB SN (nitridbundet silisiumnitrid) materiale. Deretter sammenstilles platene til en komplett digel ved hjelp av et silisium lim/pasta. Den sammensatte digel blir deretter oppvarmet i nitrogenatmosfære inntil omvandling av lim/pastaen er foretatt til et NBSN materiale. Det er ikke satt begrensninger til kun denne fremstillingsmåten og patentet henviser til også å gjelde sammenstilling av grønn digel fremstilt med ulike metoder hvor nitrideringen foretas av en komplett digel.

Problemene

Det er komplisert å produsere store digler i materialet NBSN, og det er ikke i dag tilgjengelig noe digel i dette materialet til bruk innenfor PV-industrien. I bruk oppstår det temperaturspenninger, termosjokk og mekaniske belastninger på diglene, noe som kan medføre ukontrollerte brudd og sprekker i disse. Utvidelseskoeffisienten mellom digel og ferdig produkt må være tilpasset prosessen, resultatet ved ulik utvidelse/ sammentrekning av digelmaterialet vil kunne gi for store spenninger i materialet og derved vil det oppstå sprekker i diglene ved temperaturendringer. Forskjell i utvidelseskoeffisient er muligens den aller viktigste årsaken til at dagen kvartsdigler sprekker ved første gangs bruk. Kvartsmaterialet har som egenskap at det ved nedkjølingen får en omvandling av bindfasen fra en glassfase til en krystallinsk fase og denne omvandlingen forårsaker sprekkdannelse i kvartsmaterialet.

Andre årsaker til at en digel ødelegges eller ikke kan benyttes til flere sykluser er dersom det er heft mellom produsert enhet og digel, og det gjelder for alle digelmaterialer inkludert kvartsdigler som fuktes av smeiten til den produserte enhet. Formstabilitet ved høy temperatur er et absolutt krav for en gjenbruksdigel, for kvartsdigel er det behov for hjelpematerialer for å opprettholde formstabiliteten. Digelmaterialer som benyttes ved fremstilling av ren silisiumsmelte pr. dato er produsert av et kvartsmateriale som ikke er kjemisk inert sett i forhold til silisiumsmelten, dvs. det oppstår i løpet av temperatursyklusen, som har sitt maksimum på ca. 1500 °C, en vandring av forurensninger fra digel til den produserte enhet.

Det er derfor et behov for et produkt som løser de overnevnte problemer.

Formålet med oppfinnelsen

Målet med oppfinnelsen å stille til disposisjon en gjenbrukbar digel og en fremgangsmåte for fremstilling av denne, der digelen er formstabil og minimerer vandring av forurensninger fra digel til den produserte enhet.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Med oppfinnelsen tilveiebringes således en gjenbrukbar digel kjennetegnet ved at (selvstendige krav) og en fremgangsmåte for fremstilling av den gjenbrukbare digel kjennetegnet ved at (selvstendige krav)

Fordelaktige og foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Digelen ifølge den foreliggende oppfinnelse er produsert i et materiale som i liten grad forurenser produktet og ivaretar i sin konstruksjon og materialutførelse de påkjenninger og spenninger som oppstår ved bruk) og en fremgangsmåte for fremstilling av den gjenbrukbare digel kjennetegnet ved at digelen er produsert i et materiale bygget opp som en sandwich, hvor digelens innvendig materiale er et NBSN-materiale som i sin fremstillingsprosess er sintret sammen med et utvendige digelmateriale i NBSiC. Alternativ løsning er et NBSN-materiale med eller uten en kombinasjon av NBSiC-material.

Digelen i bruk vil tilføre et minimum av forurensninger til den produserte ingoten. Den vil kunne gjenbrukes samt at det vil bli lettere å håndtere og splitte digel og ingot fra hverandre.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser en typisk utførelse av oppfinnelsen med to lag,

fig. 2 viser en typisk utførelse av oppfinnelsen med tre lag.

Følgende henvisningstall og -tegn viser til tegningene:

Terminologi

I beskrivelsen benyttes følgende terminologi:

Nærmere beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningsfigurene som viser flere utførelseseksempler, og der fig. 1 skjematisk viser en typisk utførelse av en gjenbrukbar digel.

Materialvalg så vel som fremstillingsprosess er viktige, og man er kommet frem til 2 materialgrupper.

Detaljer materialgruppe 1

Digel produsert i materialet NBSN ved en blanding av Si, SiC og SN-pulver til en slikkerblanding med en egnet egenskap til bruk for støping av digelelementer i gipsformer. Egenskapen til slikkeren er ikke begrenset til kun anvendelse til utstøping i gipsformer, men også til trykkstøping i resinform, frysestøping ("freeze casting") eller ved anvendelse av annet tilpasset porøst materiale for evakuering av vannet ut fra det støpte produktet.

Standardmiksen for slikkerblandingen er >40% Si og <60% SN-pulver hvor SiC kan erstatte opp til 100% av SN-pulveret.

Den ferdige slikkeren benyttes så til støping av en komplett digel eller delelementer som deretter settes sammen til en digel hvor antall elementer varierer med design og har i tilvirkning få begrensninger. Ved anvendelse av slikkerstøping hvor antall elementer er to eller flere for et produkt vil en sammenstilling av elementene bli nødvendig. Etter at de enkelte delelementene er tørket og derav fått en nødvendig håndteringsstyrke kan en sammenstilling gjøres ved hjelp av et spesialtilpasset lim som har samme basisegenskapene og som er basert på de samme råstoffene som finnes i de fremstilte delelementene.

Ved trykkstøping, frysestøping eller tilsvarende mulige prosesser for produksjons av et komplett produkt via anvendelse av en slikker, vil det være mulig å produsere en digel i ett stykke, og en sammenstilling av delelementer vil ikke bli nødvendig.

Etter sammenstilling eller ved en produksjon av en komplett digel, vil neste prosesstrinn bli nitridering av digelen. Dette gjøres i en lukket ovn hvor man har en atmosfære bestående av en gassblanding av nitrogen og Argon, i tillegg har man en styrt temperaturkurve med maksimum temperatur på ca 1500 °C. Nitrogenet som del av gassblandingen vil reagere med silisiumet og danne produktet NBSN og omkranse og danne bindinger mellom/av tilsatsstoffet SN- pulveret, blandingen av SN og SiC pulver eller en 100% tilsetning av SiC-pulver.

Detaljer materialgruppe 2

Digel produsert i materialet NBSN ved anvendelse av en blanding av Si, SiC og SN-pulver kombinert til selvstendige kombinasjoner som deretter er anrettet til en lagdelt oppbygging av en digel. Standardmiksen for indre lag er >40% Si og <60% SN-pulver hvor SiC kan erstatte opp til 100% av SN-pulveret. Kjernematerialet som er den bærende delen av konstruksjonen er basert på et NB SiC materialet med en andel SiC > 60% og maksimum mengde andel Si på 40%. Produktet, den ferdige to lags sandwichen kan i tillegg kombineres med et lag nr.3 som kan dekke hele eller deler av dette to lags sandwich elementet. Påføring foretas etter at de to første lagene er prosessert sammen og lag nr 3 kan ha samme materialoppbygging som gitt for standermiksen for det indre lag 14, eller det kan baseres på ytterligere renere råmaterialer for derav skaffe ett absolutt rent overflatemateriale.

Oppbygging av sandwichen, med en bærende konstruksjon basert på et materialet av NBSiC, og hvor ytre flater er basert på materialet NBSN, foretas i en kombinert vibrasjon/ slag og trykkpresse. De enkelte lagene for sandwichen bygges opp separat, men i samme form, og selve sammenføyningen til den kompakte sandwichen foretas ved bruk av det spesialtilpassede presseutstyret.

Sandwichen kan også bygges opp ved at kjernematerialet NBSiC gjennomgår en sammenpressing og at man deretter påfører de ytre flatene med et NBSN materiale gitt for det indre lag 14 eller tilsvarende slikker basert på ytterligere renere råmaterialer. Metode for påføring av ytre flater kan da være ved bruk av glaseringsteknikk (ref. porselensproduksjon), mekanisk påføring (pensel, rulle, sparkling etc.) eller en påføring med sprøyting med lagoppbygging til riktig tykkelse. Det som er felles for disse fremgangsmåtene og som kjennetegner denne fremstillingsmåten av sandwichen er at produktet ferdigstilles i grønn tilstand før sintringen foretas ved brenning av produktet. Det vil på grunn av materialenes sammensetning og komposisjon forestå en kontrollert reaksjon via brennprosessen som ved riktig tilsetning av gassene nitrogen og argon gir en sammennitrert sandwich med en sammenhengende bindfase mellom de enkeltstående lagene.

En entydig brennsyklus finnes ikke, den er i stor grad avhengig av den ovnen som er tilgjengelig for nitrering. En standard prosedyre kan være at materialet varmes forsiktig opp til 1250 °C i en nitrogen eller kombinasjon av nitrogen og argon atmosfære. Ved videre temperaturøkning er det nødvendig med en kontrollert styring av temperaturen og med kontroll over reaksjonen som inntrer. Nitrogen genererer reaksjon og Argon reduserer eller bremser reaksjonen. Med en kombinasjon av disse gassene og med en forsiktig temperaturøkning opp til 1400-1500 gr.C vil et NBSN-materiale kunne produseres. Avhengig av ovnstype og materialet som er produsert vil en brennsyklus kunne være fra 2-3 døgn opp til 8-10 døgn.

Ved anvendelse av et presset sandwich element som delelement til en digel, vil en sammenstilling av elementene bli nødvendig for derav å skape den komplette digelen. En slik sammenstilling gjøres ved at elementene settes sammen ved hjelp av et spesialtilpasset lim, hvor limet er basert på de samme råstoffene som finnes i overflatematerialet på den eller de fremstilte sandwichene.

Antall elementer som kan benyttes ved fremstilling av en digel hvor materialet er basert på en sandwichløsning er ikke i antall gitt noen begrensning, en komplett som ikke er produsert som ett element kan sammenstilles fra to til n-elementer.

Selvsagt er ikke dette sandwichmaterialet kun egnet til bruk for digler eller annet brennhjelpemiddel i solarindustrien, men kan benyttes innenfor annen type industri hvor høytemperatur keramiske materialer er nødvendige eller som en keramisk konstruksjon innfor maskinkomponenter eller slitasjekomponenter med anvendelsesområde som belegg i renner, beholdere, møller, sykloner, som rør og rørbend, pumpehus og impellere, viftehus og vifter, dyser med mer. Dette med materialer innenfor industrier som kraftproduksjon via gass/ kull, kjemisk industri, metallurgisk industri, prosessering av mineraler, papirindustrien og olje og gassindustrien men selvsagt ikke avgrenset til kun disse som er ment som eksempler på anvendelsesområder.

Fig. 1 viser en typisk utførelse av oppfinneslen 10 i tverrsnitt, omfattende et bærelag 16 av materialgruppe 2. På innsiden av bærelaget er det påført et indre lag 14 av materialgruppe 1. Dette gjør at urenheter, typisk i form av karbonforbindelser, ikke kommer i kontakt med smeiten anbrakt i digelens hulrom 12.

Beste måter å utføre oppfinnelsen på

Fig. 2 viser en typisk utførelse av oppfinneslen 20 i tverrsnitt, omfattende et bærelag 16 av materialgruppe 2. På innsiden av bærelaget er det påført et indre lag 14 av materialgruppe 1.1 tillegg er det påført et ytre lag 22 av materialgruppe 1, med den fordelen at urenheter, typisk i form av karbonforbindelser i gassform, ikke kommer i kontakt med smeiten anbrakt i digelens hulrom 12.

Industriell anvendbarhet

Oppfinnelsen finner anvendelse ved fremstilling av gjenbrukbare digler og bruk av disse til smelting og størkning av silisiumkrystaller. Det vil også finnes anvendelser innenfor annen type industri hvor høytemperatur keramiske materialer er nødvendige, og kan også anvendes som en keramisk konstruksjon som maskinkomponent eller slitasjekomponent i abrasive prosesser. Industrier som kraftproduksjon via gass/ kull, kjemisk industri, metallurgisk industri, prosessering av mineraler, papirindustrien og olje og gassindustrien er eksempler på industrielle bruksområder.

Ved typisk bruk av en digel ifølge oppfinnelsen, fylles digelen 10, 20 med Si fulgt av smelting av Si i digelens hulrom 12.

Claims

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en gjenbrukbar digel (10, 20) ,karakterisert vedat den omfatter trinnene: oppbygging av et bærelag (16) av materialgruppe 2, og påføring av et indre lag (14) av materialgruppe 1.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedytterligere å omfatte påføring av et ytre lag (22) av materialgruppe 1.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedytterligere å omfatte sintring.

4. Gjenbrukbar digel (10, 20),karakterisert vedat den omfatter: et bærelag (16) av materialgruppe 2, og et indre lag (14) av materialgruppe 1.

5. Gjenbrukbar digel ifølge krav 4,karakterisert vedytterligere å omfatte et ytre lag (22) av materialgruppe 1.

6. Fremgangsmåte for smelting av Si,karakterisert vedat den omfatter trinnene: fylling av en digel (10, 20), omfattende et bærelag (16) av materialgruppe 2, og et indre lag (14) av materialgruppe 1, med Si, og smelting av Si i digelens hulrom (12).