NO318956B1

NO318956B1 - Process and reactor for the production of silicon

Info

Publication number: NO318956B1
Application number: NO20015596A
Authority: NO
Inventors: Jan Arthur Aune; Jon Christian Brinch
Original assignee: Elkem Materials
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2005-05-30
Also published as: NO20015596D0; WO2003042100A1; NO20015596L

Description

Teknisk område Technical area

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en reaktor for fremstilling av silisium ved karbotermisk reduksjon av silisiumdioksid. The present invention relates to a method and a reactor for the production of silicon by carbothermic reduction of silicon dioxide.

Teknikkens stilling The position of the technique

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: Silicon is usually produced in electric arc furnaces with submerged electrodes by carbothermic reduction of silicon dioxide (SiC>2). The carbonaceous reducing agent is typically charcoal, coal, coke, wood chips etc. The total reaction for the reduction reaction can be represented by the equation:

Det er generelt akseptert at sumreaksjonen involverer en rekke reaksjoner hvor de viktigste er som følger: It is generally accepted that the total reaction involves a number of reactions, the most important of which are as follows:

Reaksjon 1 er endotermisk og det er estimert at den forbruker opp til 50 % av energiene som er nødvendig for sumreaksjonen. Reaction 1 is endothermic and it is estimated that it consumes up to 50% of the energy required for the total reaction.

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. The method of adding SiO 2 and a solid carbonaceous reducing agent to a low shaft arc furnace with submerged electrodes has a number of disadvantages. Thus, controlled mass transport is difficult when managing the complex reaction system of solid, molten and gaseous reactants, intermediates and products. The conventional design of low shaft electric arc furnaces with submerged electrodes does not allow the necessary control of the reaction system to optimize the high temperature zone, gas/solid reactions and heat transfer in the reactor. This results in losses in the form of gaseous silicon monoxide (SiO) together with the CO gas that is formed. Only part of the SiO gas produced according to reactions (2) and (4) is consumed in reactions (3) and (5). A further part of the SiO gas dissociates in the upper part of the furnace charge into SiO2 and Si, while the remaining part of the SiO leaves the furnace and reoxidizes to S1O2 in the atmosphere above the furnace charge and is lost from the process. The reoxidized Si02 particles have a very small particle size and follow the exhaust gases from the furnace and must be recovered in bag filters.

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. In EP-A-0357395 a cyclic two-stage batch method is proposed in which S1O2 and SiC are reacted to form fused silicon, SiO and CO and in which SiO is contacted with a layer of carbon to regenerate SiC. In the method according to EP-A 0357395, a furnace space comprises a closed vessel which defines a reaction zone for solid reactants and molten silicon, and where the vessel has an energy source which extends into the furnace space. A shaft containing solid particles of carbon through which gases from the furnace room flow is placed at the top of the furnace. The shaft has a bottom plate with openings that allow the gas from the furnace to pass up through the shaft.

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. The method according to EP-A-0357395 is carried out as a batch process. A mixture of silicon carbide and silicon dioxide is placed in the furnace and the shaft is filled with carbon material. Energy is then supplied to the reaction zone to carry out a conversion of silicon carbide and silicon dioxide. Silicon monoxide and carbon monoxide produced by reaction flow into the shaft filled with carbon particles where silicon monoxide reacts with carbon to form silicon carbide and where carbon monoxide passes unreacted through the shaft. The silicon produced is drained from the furnace. The supply of energy is stopped and silicon carbide produced in the shaft is supplied to the furnace together with additional silicon dioxide, after which the shaft is again filled with carbon particles and energy is again supplied to the reaction zone, after which the above steps are repeated.

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. The method according to EP-A-0357395 has the advantage that the SiO gas is used to produce silicon carbide in the shaft, whereby the silicon yield is increased. However, the method according to EP-A-0357395 has some significant disadvantages which make it unsuitable as a method for the commercial production of silicon. Firstly, the process is a batch process where a batch of silicon carbide and silicon dioxide are reacted to form silicon in the furnace. The operation of the furnace must therefore be stopped when the mixture of raw materials has been converted to silicon. The need to stop the furnace for each batch results in large losses of heat energy that make it impossible to compete with conventional arc furnaces with submerged electrodes. Furthermore, one must crush the plate at the bottom of the shaft to add silicon carbide produced in the shaft to the furnace. This means that a new bottom plate must be fitted for each batch. This increases both the loss of heat energy and the time between each batch produced in the oven. Although silicon monoxide is used to convert carbon to silicon carbide in the shaft and thus increases the yield of silicon, the high energy consumption makes the process according to EP-A-0357395 uneconomical compared to the conventional continuous arc furnace process. The method according to EP-A-0357395 also does not solve the problems of controlling mass and heat transport in the reaction zone as the reaction zone is operated with submerged electrodes.

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. From JP A 63170208, a method for the production of Si is known in which carbonaceous reducing material is supplied to a shaft which extends downwards in an arc furnace to the area just above the electrodes. In the side wall of the part of the shaft which is introduced into the electric arc furnace, holes are arranged where reaction gas included in SiO gas can flow into the shaft where the SiO gas can react with carbon in the shaft to form SiC. Quartz or Si02 for the process is supplied to the arc furnace separately from the carbon supply through a lance. The shaft for carbon is open at its lower end so that a standing column of carbon/SiC is formed which will sink into the furnace as it is consumed. This method has the disadvantage that the amount of carbon/SiC cannot be controlled because the shaft is open at its lower end, so that there will always be an excess of carbon in the arc furnace itself.

Beskrivelse av oppfinnelsen Description of the invention

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. According to the present invention, a method and a reactor for carbothermic production of silicon have been provided which enable continuous production of silicon with close to 100% Si yield and with an energy consumption close to the theoretical value. Furthermore, the method and the reactor according to the invention enable full control of mass and heat transport in the reactor.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en smeltereaktor for karbotermisk fremstilling av silisium omfattende The present invention thus relates to a melting reactor for the carbothermic production of silicon comprehensively

(a) et kar som definerer en høytemperaturreduksjonssone og hvor karet har (a) a vessel defining a high temperature reduction zone and wherein the vessel has

et utløp for smeltet silisium i sin nedre del, an outlet for molten silicon in its lower part,

(b) midler for å tilføre energi til høytemperaturreduksjonssonen, (b) means for supplying energy to the high temperature reduction zone;

(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. (c) a gas/solid reaction shaft for a carbonaceous reducing material and SiC>2 raw material mixture, said shaft being disposed at the top of the vessel, and wherein the shaft has an opening in its bottom communicating with the high temperature reduction zone to allow reaction gases from the high temperature reduction zone to enter in the shaft, (d) means for continuous or intermittent supply of the raw material mixture consisting of carbonaceous reducing material and SiO2 to the top of the shaft and means for continuous or nearly continuous and controlled supply of solid reaction products from the bottom of the shaft into the high-temperature reduction vessel, and, (e ) where the means for supplying energy to the high temperature reduction zone comprises at least one pair of substantially horizontally arranged electrodes arranged around the circumference of the high temperature reduction vessel at a level above the outlet for molten silicon.

I henhold til en foretrukket utførelsesform er reaktoren lukket og innrettet til å drives ved et trykk over atmosfæretrykk. According to a preferred embodiment, the reactor is closed and arranged to be operated at a pressure above atmospheric pressure.

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. According to another preferred embodiment, the means for supplying energy to the high temperature reduction zone comprises three or more pairs of substantially horizontally arranged electrodes arranged around the circumference of the high temperature reduction vessel. According to a further preferred embodiment, the electrodes are arranged at equal distances around the circumference of the vessel.

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. When more than one electrode pair is used, the electrode pairs are preferably arranged in the same vertical level in the high-temperature reduction zone, but the electrode pairs can also be arranged in different vertical levels.

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. When more than one electrode pair is used, a control unit is arranged for the supply of electric current to the electrode pairs. The regulating units switch the supply of electric current between the electrode pairs more or less continuously in such a way that only one electrode pair is supplied with current at the same time. The regulating unit can switch the current supply from one electrode pair to another electrode pair based on the frequency of the supplied electric current. If the supplied electrical current has a frequency of 50 Hz, the control unit switches the current between the electrode pairs 50 times per second. In this way, the area for the high-temperature reduction zone is heated to an approximately equal temperature over the entire cross-section of the high-temperature reduction zone.

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. Alternatively, when more than one electrode pair is used, each electrode pair can be equipped with a separate power supply to ensure that the electric arc goes between the two electrodes in an electrode pair and not to an electrode in another electrode pair.

Elektrodene er fortrinnsvis grafittelektroder, men forbakte karbonelektroder eller inerte elektroder kan også benyttes. The electrodes are preferably graphite electrodes, but pre-baked carbon electrodes or inert electrodes can also be used.

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. According to another preferred embodiment, at least one of the electrodes is hollow and is equipped with means for supplying solid materials through the electrode and into the high-temperature reduction zone. The means for supplying solid materials through at least one hollow electrode are preferably constituted by injection agents based on inert gas and the solid materials which are supplied by means of the injection means are one or more of silicon carbide, SiCb and carbonaceous reducing agents. The solid materials are supplied through one or more hollow electrodes to adjust the ratio between carbon and SiC>2 in the high temperature reduction zone. Alternatively, a separate opening can be provided to supply the solid materials directly to the high temperature reduction zone.

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. The means for continuous or intermittent supply of carbon and SiO2 raw material mixture to the top of the shaft is preferably constituted by an airtight double bell equipped with means for flushing with inert gas to prevent air from entering the shaft. Other conventional means of supply where the raw materials can be supplied without air penetrating the shaft can also be used.

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. One of the most important aspects of the present invention is constituted by the flow of gas from the high-temperature reduction zone into the particulate solid materials in the shaft, the flow of particulate solid material downwards into the high-temperature reduction zone and the flow of molten phase that can form in the shaft downwards into the high-temperature zone.

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. The means for controlled supply of solid particulate materials downward while allowing gas to flow upward is designed to allow free or unobstructed flow of gas upward from the high temperature reduction zone into the particulate solid materials in the shaft. These feed means are also designed to allow a flow of solid particulate materials from the shaft to the high temperature reduction zone in a controlled amount and a free or unimpeded flow of any liquid phases from the shaft downward into the high temperature reduction zone. The amount or volume of liquid phases flowing downward from the shaft to the reduction zone is small compared to the amount or volume of solid materials flowing downward.

Tilførselsmidlene må være i stand til å motstå høy temperatur da de er anordnet rett over høytemperaturreduksjonssonen. The supply means must be able to withstand high temperature as they are arranged directly above the high temperature reduction zone.

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. One embodiment of the supply means comprises a circular rotatable or oscillating horizontal plate having a diameter corresponding to the inner diameter of the shaft, which plate is arranged on a flange extending inwards at the lower end of the shaft. The plate has a central polygon-shaped opening and where the central opening in the plate is partially covered by a conformal device which is suspended from a vertical rod which extends over the top of the shaft. The conformal plate prevents the free flow of particulate solid material from the shaft into the high-temperature zone.

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. The conformal device has the tip of the cone pointing upwards and inwards into the chute to guide the solid particles towards the sides of the chute. During rotation or oscillation of the plate, an inward force will push the particulate solid materials inwards so that the materials flow towards the opening in the flange and down into the high-temperature reduction zone. This simultaneously allows gas to flow freely upwards and the liquid phase to flow freely downwards.

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. The means for rotating or oscillating the plate preferably comprise one or more toothed racks with toothed drives where the racks extend through the wall of the shaft through gas-tight, cooled seals. A synchronized drive device is arranged outside the shaft. The drive device can be electric, hydraulic or pneumatic.

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. The inwardly extending flange at the lower end of the shaft preferably extends downwardly and inwardly toward the center of the shaft to allow liquid reaction products formed in the shaft to drip into the high temperature reduction zone.

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. Other mechanical devices for the controlled movement of solid particles can be used provided they can withstand the high temperatures and provide the required flow characteristics. For example, one or more rotatable, corrugated rollers can be used together with a funnel-shaped flange used where the roller blocks the free flow of particulate solid materials from the shaft to the high-temperature reduction zone, but allows controlled supply of the particles downwards, free flow of liquid phases downwards and free flow of gas upwards. One or more corrugated rolls are arranged horizontally to block the opening in the hopper while one or more rolls are rotated to control the supply of solid particles to the high temperature reduction zone. The rolls are conventionally cooled to withstand the high temperatures.

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. As will be understood by one skilled in the art, any supply device which can withstand heat and which provides a desired flow characteristic between the shaft and the high temperature reduction zone will be used in the present invention.

I henhold til en ytterligere utførelsesform er sjakten utstyrt med midler for uttak av ufortynnet CO gass fra toppen av sjakten for videre prosessering. According to a further embodiment, the shaft is equipped with means for withdrawing undiluted CO gas from the top of the shaft for further processing.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører videre en fremgangsmåte for karbotermisk fremstilling av silisium ved reduksjon av silisiumdioksid i smeltereaktoren ifølge oppfinnelsen, hvilken fremgangsmåte omfatter; The present invention further relates to a method for carbothermic production of silicon by reduction of silicon dioxide in the melting reactor according to the invention, which method comprises;

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, continuous or intermittent supply of a carbonaceous reducing material and silicon dioxide raw material mixture to a shaft where the carbonaceous reducing material in the shaft reacts to SiC on contact with SiO gas flowing from a lower high-temperature reduction zone and upwards in the shaft,

kontinuerlig eller tilnærmet kontinuerlig kontrollert tilførsel av faste reaksjonsprodukter fra bunnen av sjakten og inn i høytemperaturreduksjonssonen, continuous or nearly continuous controlled supply of solid reaction products from the bottom of the shaft into the high-temperature reduction zone,

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, supplying the solid reaction products from the shaft through one or more electric arcs between at least one pair of substantially horizontal electrodes to produce molten silicon in the high temperature reduction zone, which molten silicon is collected at the bottom of the high temperature reduction vessel and SiO and CO gas flowing up through the shaft,

kontinuerlig eller intermittent tapping av smeltet silisium fra continuous or intermittent tapping of molten silicon from

høytemperaturreduksjonskaret.. the high temperature reduction vessel..

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. The raw material mixture of carbonaceous reducing material and silicon dioxide is preferably supplied to the shaft in a molar ratio between carbon and SiO2 between 1.8:1 and 2.2:1, and most preferably in a molar ratio between carbon and SiO2 of 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. The raw material mixture is preferably supplied to the shaft in the form of agglomerates of carbonaceous reducing agent material and silicon dioxide. The agglomerates are preferably pellets or briquettes and are produced in a conventional manner using conventional binders.

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. According to another preferred embodiment, solid materials selected from silicon carbide, SiC-2 and carbonaceous reducing material are supplied to the high temperature reduction zone through one or more hollow electrodes to adjust the ratio of carbon to SiO 2 in the high temperature reduction zone. Alternatively, silicon carbide, SiO2 and carbonaceous reducing agent for adjusting the ratio between carbon and SiC>2 can be supplied to the high-temperature reduction zone through separate openings in the reactor.

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. To further control the reduction process, a lance for sampling and chemical analysis from the high temperature reduction zone is preferably introduced through one or more hollow electrodes or through separate openings in the reactor.

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. The method and reactor according to the invention for carbothermic production of silicon make it possible to fully control both mass and heat transport in the reactor. The raw material mixture of carbonaceous reducing material and a SiO 2 source is supplied to the shaft. In the shaft, the raw material mixture will be preheated and the carbon material will react with SiO gas flowing into the shaft from the high temperature reduction zone and form SiC according to the reaction SiO + 2C = SiC + CO. The main part of carbon in the carbonaceous reducing material will thereby be converted to SiC in the shaft. However, part of the SiO gas can condense in the shaft and form SiO2 and molten Si according to the reaction 2SiO = SiO2 + Si. A very small amount of molten Si can thus be formed in the shaft.

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. The solid reaction products in the shaft, silicon carbide and SiO2, are continuously or nearly continuously supplied from the bottom of the shaft to the high-temperature reduction vessel in an amount that corresponds to the heat energy supplied to the high-temperature reduction zone through the electrodes in order to achieve a stable operation without significant accumulation of unreacted material in the bottom of the high-temperature reduction vessel.

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. The amount of solid reaction products supplied to the high temperature reduction zone from the shaft is carefully regulated by regulating the rotation speed of the plate arranged at the bottom of the shaft. In this way, the amount of solid materials supplied to the high-temperature reduction zone can be regulated according to the energy supplied to the high-temperature reduction zone in order to avoid the accumulation of unreacted material in the high-temperature reduction zone. Furthermore, as the reaction products in the form of particles or agglomerates of SiC and S1O2 fall by gravity from the shaft down through the high-temperature reduction zone, the particles or each agglomerate will react according to the reaction 2Si02 + SiC = 3SiO + CO when they enter the high-temperature reduction zone. The gases from this reduction process, SiO gas and CO, will expand in all directions and create an overpressure in the high-temperature reduction zone. The main amount of SiO gas will react with SiC according to the reaction SiO + SiC = 2Si + CO. The produced Si will accumulate mainly as molten Si at the bottom of the vessel and be topped continuously or discontinuously, while the remaining part of SiO gas and CO will flow freely upwards and enter the shaft where SiO gas will react with carbon in the carbonaceous reducing agents and form SiC, Furthermore, the high heat content of the gases entering the shaft will preheat the raw material mixture in the shaft.

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. The SiO gas will be consumed in the shaft, whereby a close to 100% Si yield is achieved. The relatively clean CO gas is withdrawn at the top of the shaft and can either be recovered as liquid CO, be used as a process gas for chemical purposes or it can be burned to produce heat.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom smeltereaktoren i henhold til foreliggende oppfinnelse, Figure 1 shows a vertical section through the fusion reactor according to the present invention,

Figur 2 viser et horisontalt snitt tatt langs linjen A - A i figur 1, og hvor, Figure 2 shows a horizontal section taken along the line A - A in Figure 1, and where,

Figur 3 viser et horisontalt snitt tatt langs linjen B - B i figur 1. Figure 3 shows a horizontal section taken along the line B - B in Figure 1.

Figur 4 viser en del av høytemperaturkaret i figur 1 med elektrodepar i to vertikale nivå. Figure 4 shows part of the high-temperature vessel in Figure 1 with electrode pairs in two vertical levels.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen Detailed description of the invention

På figurene 1 til 3 er det vist en utførelsesform av smeltereaktoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figures 1 to 3 show an embodiment of the melting reactor according to the present invention.

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. The melting reactor comprises a vessel 1 which defines a high-temperature reduction zone. The vessel 1 consists of a lower part 2 comprising an outer steel shell 3 with a refractory lining 4 on the side walls and in the bottom. An outlet 5 for produced silicon is arranged in the side wall in the lower part 2 of the vessel 1. An upper part 6 of the vessel 1 comprises cooled panels 7. The panels 7 are preferably cooled by circulation of an oil through internal channels (not shown) in the panels 7, but the panels 7 can also be cooled in any conventional way, such as evaporative cooling or the like. The panels 7 are preferably made of copper, but other metals and metal alloys can also be used.

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. The upper part 6 has at its upper end a projecting horizontal flange 8 which defines an essentially circular opening 9 in the center of the top of the upper part 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. At the lower end of the upper part 6, three electrode pairs 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> are arranged. Although three electrode pairs are shown in the embodiment in the figures, the melting reactor according to the invention has at least one electrode pair, but can also have two electrode pairs or more than three electrode pairs, such as four, five or six electrode pairs.

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. In the embodiment shown in Figure 3, the electrodes are arranged at an equal distance around the periphery, but it is within the scope of the present invention to arrange the electrodes at different distances around the periphery.

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. The electrodes 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> are arranged around the periphery of the vessel 1 and are thus essentially horizontal. The electrodes 10, 10<1>,11,11<1> and 12,12<1> are preferably made of graphite, but pre-baked carbon electrodes or inert, cooled electrodes can also be used. The electrodes 10,10\ 11,11<1> and 12,12<1> are introduced into the vessel 1 through openings in the upper part 6 of the vessel 1. Electrode seals 13 are arranged both to support the electrodes and to ensure a gas-tight seal between the electrodes and the openings in the upper part of the vessel 1. The electrodes are connected via conductors to a regulation unit 15 and an electric current source (not shown). The supply of electric current to each pair of electrodes is regulated by means of the control unit 15. The control unit 15 works so that electric current is only supplied to one of the electrode pairs at a time. The supply of electric current is switched between the electrode pairs more or less continuously by means of the control unit 15. This can be done based on the frequency of the electric current in such a way that the control unit 15 switches the current from one electrode pair to another electrode pair based on the frequency. If the electric current supplied to the electrodes has a frequency of 50 Hz, the control unit 15 switches the current between the electrode pairs 50 times per second. When current is supplied to an electrode pair, an electric arc is ignited between the two electrodes in the electrode pair. By more or less continuous switching of the supply of electrical energy between the electrode pairs, a very high temperature is achieved over the entire cross-section of the high-temperature reduction zone.

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. At least one of the electrodes 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> can be hollow and be equipped with means for supplying solid materials selected from silicon carbide, SiC*2 and carbonaceous reducing agent through it in at least a hollow electrode for adjusting the ratio between carbon and SiO2 in the high temperature zone.

Konvensjonelle midler (ikke vist) er anordnet for å bevege elektrodene innover for å kompensere for elektrodeforbruket. Conventional means (not shown) are provided to move the electrodes inwards to compensate for electrode consumption.

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. A shaft 16 is arranged on top of the flange 8. The shaft 16 has a substantially circular cross-section and comprises an outer steel shell 17 with a refractory lining 18 on its inside.

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. The shaft 16 has at least one opening 19 at the top for airtight supply of a mixture of quartz and carbon. At its upper end, the shaft also has an outlet opening 20 for reaction gases.

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. At its bottom, the shaft 16 has an inwardly projecting flange 21 with a central opening 22 having a diameter equal to or smaller than the opening 9 in the upper part 6 of the vessel 1. The flange 21 preferably projects downwards towards the center of the shaft to allow any liquid reaction products in the shaft can drip into the high-temperature reduction zone.

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. A horizontal, circular disc 23 lies on the flange 21. The disc 23 has a central polygon-shaped opening with side edges 24 as shown in figure 3. There are arranged means for continuous or intermittent rotation or oscillation of the disc 23. Centrally in the shaft 16 is arranged a cone 25 with the tip pointing upwards. The cone 25 is suspended from the top of the shaft 16 by means of a rod 26. The lower horizontal surface of the cone 25 has a diameter slightly larger than the central opening defined by the flange 21. The rod 26 preferably has internal channels for the circulation of a cooling liquid for cooling the lower end of the cone 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. The means for rotating or oscillating the plate 23 preferably comprise one or more racks with gear 27 with means for operating the racks. The racks run through the side wall of the shaft 26 through cooled, gas-tight openings. A synchronized drive unit is arranged on the outside of the shaft 16. The drive unit can be electric, hydraulic or pneumatic.

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. Figure 4 shows parts of Figure 1 with the electrodes arranged in two vertical levels. Parts on Figure 4 that correspond to parts on Figure 1 have the same reference number.

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. In the embodiment shown in Figure 4, one electrode pair 50, 50<1> is arranged at a lower level than the electrode pair 10, 10<1>. Electric current is supplied to the electrode pair 50, 50<1> in the same way as described above in connection with Figures 1-3. With the electrode configuration shown in figure 4, the vertical extent of the high temperature reduction zone is increased, whereby the residence time of the flow of solid particles supplied from the shaft 16 is increased. This will ensure that the solid particles that enter the high temperature reduction zone will stay at a high temperature until they are completely reacted.

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. The melting reactor described above in connection with Figures 1-4 is operated as follows: A mixture of carbonaceous reducing material and quartz is filled in the shaft 16 through the opening 19 up to a level indicated by reference number 40 in Figure 1. The mixture of carbonaceous reducing material and quartz is preferably in the form of briquettes or pellets. Mixture of carbon and quartz preferably has a molar ratio between carbon and quartz of approx. 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. The raw materials supplied to the shaft 16 will fall into the space between the outer circumference of the lower part of the vessel 25 and the inside of the opening in the plate 23 located on top of the flange 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. Electric current is supplied to the electrode pairs 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 121 and 10, 10<1>, 11, 11<1> and 12, 12<1> as described above. To achieve an electric arc between each electrode pair when the reduction zone is cold, a plasma gas can be supplied through the electrodes if hollow electrodes are used, or alternatively the electrodes in each electrode pair are moved towards each other so that the electrode tips in an electrode pair come very close to each other. When a stable arc is achieved between each pair of electrodes, the plate 23 is rotated or oscillated. Due to the polygon-shaped central opening in the plate 23, the solid materials lying on the flange 21 will be pushed horizontally inwards towards the center of the shaft 16 and thereby with the help of gravity fall through the openings 22 and 9 and will pass through the area between the electrodes 10, 10<1>, 11, 11<1>, 12, 12<1> as a cloud of separate particles. The amount of material supplied to the high temperature reduction zone is carefully controlled in relation to the heat energy supplied via the electrodes by controlling the rotation or oscillation of the plate 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. Due to the very high temperature that exists in the electric arcs between each pair of electrodes, the free-falling materials will be reduced to Si, SiO, and CO. The produced liquid Si, together with any unreacted raw materials, will be collected at the bottom of the lower part of the vessel 1, while the part of SiO that does not react to Si will, together with the CO gas that is formed, move freely upwards into the vessel 1 and into in the shaft 16 where SiO gas will react with carbon in the raw materials and form SiC, while CO gas will flow upwards through the shaft 16 and out through the gas outlet opening 20. The gas that leaves the shaft 16 through the gas outlet opening 20 will essentially be CO gas which either can be recovered as liquid CO, used as a process gas for chemical purposes or burned to produce heat. Any remaining unreacted SiO gas will condense to SiO2 and Si in the relatively cold upper part of shaft 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 %. As carbon in the raw materials is converted to SiC by reaction with Si gas that enters the shaft from the high-temperature reduction zone, the materials supplied to the vessel 1 by rotation of the plate 23, all essentially consisting of SiC and S1O2. Thereby, the heat energy in the SiO gas entering the shaft is used to carry out the endothermic reaction SiO + 2C = SiC + CO and to preheat the raw materials. This significantly reduces the energy required to produce silicon in the high-temperature reduction zone in vessel 1. Furthermore, due to the electrode configuration in the melting reactor, the temperature in the entire area between the electrodes will be very high, which results in a rapid melting and reaction of the raw material particles, while due to of gravity falls as a cloud of solid particles into the high-temperature reduction zone between the electrodes. The electrode configuration in the fusion reactor according to the present invention also makes it possible to add large amounts of energy to a very small volume. This will significantly increase the production quantity per unit reactor volume and thereby reduce the heat loss from the melting reactor per tonnes of silicon produced. As SiO gas is used to preheat the raw materials supplied to the shaft and to react carbon to SiC, SiO gas will not leave the melting reactor. The yield of Si will thereby be increased to close to 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. By regulating the supply of materials from the shaft to the high-temperature reduction zone in accordance with the energy supplied to the high-temperature reduction zone, a balance between supplied raw materials and supplied energy is achieved at all times.

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. Compared to conventional arc furnaces with submerged electrodes which are used today for the production of metallurgical silicon, the investment costs are significantly reduced as the melting furnace in relation to the present invention needs much less space than an arc furnace with submerged electrodes to produce the same amount of silicon.

Claims

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.1. Melting reactor for carbothermal production of silicon comprising: (a) a vessel (1) defining a high-temperature reduction zone and where the vessel (1) has an outlet (5) for molten silicon in its lower part, (b) means (10, 10 \ 11, 11\ 12, 12<1>) to supply energy to the high temperature reduction zone, (c) a gas/solid reaction shaft (16) for a carbonaceous reducing material and SiO 2 raw material mixture, which shaft (16) is arranged on top of the vessel ( 1), and wherein the shaft (16) has an opening in its bottom which communicates with the high-temperature reduction zone to allow reaction gases from the high-temperature reduction zone to enter the shaft (16), characterized in that the melting reactor further comprises: (d) means (19) for continuous or intermittent supply of the raw material mixture consisting of carbonaceous reducing material and Si02 to the top of the shaft (16) and means (23, 25) for continuous or nearly continuous and controlled supply of solid reaction products from the bottom of the shaft (16) into the high temperature reduction vessel, and, (e) wherein the means for supplying energy to the high temperature reduction zone comprises at least one pair of substantially horizontally arranged electrodes arranged around the circumference of the high temperature reduction vessel (1) at a level above the outlet (5) for fused silicon.

2. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at reaktoren er lukket og innrettet til å drives ved et trykk over atmosfæretrykk.2. Reactor according to claim 1, characterized in that the reactor is closed and designed to be operated at a pressure above atmospheric pressure.

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).3. Reactor according to claim 1, characterized in that the means (10, 10<1>, 11, 11\ 12, 12<1>) for supplying energy to the high-temperature reduction zone comprise three or more pairs of essentially horizontally arranged electrodes arranged around the circumference of the high temperature reduction vessel (1).

4. Reaktor ifølge krav 3, karakterisert ved at elektrodeparene er anordnet i samme vertikale nivå i høytemperaturreduksjonssonen.4. Reactor according to claim 3, characterized in that the electrode pairs are arranged at the same vertical level in the high-temperature reduction zone.

5. Reaktor ifølge krav 3, karakterisert ved at elektrodene er anordnet på ulike vertikale nivåer i høytemperaturreduksjonssonen.5. Reactor according to claim 3, characterized in that the electrodes are arranged at different vertical levels in the high-temperature reduction zone.

6. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene er fremstilt av grafitt.6. Reactor according to claim 1, characterized in that the electrodes are made of graphite.

7.. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene er forbakte karbonelektroder.7.. Reactor according to claim 1, characterized in that the electrodes are pre-baked carbon electrodes.

8. Reaktor ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrodene er inerte elektroder.8. Reactor according to claim 1, characterized in that the electrodes are inert electrodes.

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.9. Reactor according to claim 1, characterized in that at least one of the electrodes is hollow and equipped with means for supplying solid materials through the electrode and into the high-temperature reduction zone.

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>).10. Reactor according to claim 1, characterized in that a lance for sampling and for chemical analysis of the material in the high-temperature reduction zone is introduced into one or more hollow electrodes (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.11. Reactor according to claim 1, characterized in that the means (19) for continuous or intermittent supply of carbon and SiO2 raw material mixture to the top of the shaft (16) is constituted by an airtight double bell (28) equipped with means (29) for flushing with inert gas .

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).12. Reactor according to claim 1, characterized in that the means for continuous or nearly continuous supply of solid reaction products from the bottom of the shaft (16) to the high-temperature reduction zone comprise a circular rotatable or oscillating horizontal plate (23) which has a diameter corresponding to the inner diameter of the shaft (16), which plate is arranged on a flange (21) extending inwards at the lower end of the shaft (16), which plate (23) has a central polygonal opening where the central opening in the plate (23) is partly covered by a conformal device (25) which is suspended from a vertical rod (26) which extends over the top of the shaft (16).

13. Reaktor ifølge krav 12, karakterisert ved at flensen (21) heller nedover og innover mot senter av sjakten (16).13. Reactor according to claim 12, characterized in that the flange (21) slopes downwards and inwards towards the center of the shaft (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.14. Reactor according to claim 12, characterized in that the means for rotating or oscillating the plate (23) comprise one or more racks with toothed drives where the racks extend through the wall of the shaft (16) through gas-tight, cooled seals.

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.15. Reactor according to claim 1, characterized in that the shaft (16) is equipped with means (20) for withdrawing undiluted CO gas from the top of the shaft (16) for further processing.

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.16. Method for carbothermic production of silicon by reduction of silicon dioxide in the melting reactor according to claim 1, characterized in that the method comprises: continuous or intermittent supply of a raw material mixture consisting of a carbonaceous reducing material and silicon dioxide to the shaft where the carbonaceous reducing material in the shaft reacts to SiC on contact with SiO gas flowing from the underlying high-temperature reduction zone and upwards in the shaft, continuous or nearly continuously controlled supply of solid reaction products from the bottom of the shaft into the high-temperature reduction zone, supply of the solid reaction products from the shaft through one or multiple electric arcs between at least one pair of substantially horizontally arranged electrodes to produce molten silicon in the high-temperature reduction zone, which molten silicon is collected at the bottom of the high-temperature reduction vessel and SiO and CO gas flowing up through the shaft, and continuous or intermittent tapping of molten silicon from the high temperature reduction vessel.

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 2,2:1.17. Method according to claim 16, characterized in that the raw material mixture of carbonaceous reducing material and silicon dioxide is supplied to the shaft in a molar ratio between carbon and S1O2 between 1.8:1 and 2.2:1.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at råmaterialblandingen tilføres til sjakten i form av agglomerater av karbonholdig reduksjonsmiddelmateriale og silisiumdioksid.18. Method according to claim 16, characterized in that the raw material mixture is supplied to the shaft in the form of agglomerates of carbonaceous reducing agent material and silicon dioxide.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at agglomeratene er pellets.19. Method according to claim 18, characterized in that the agglomerates are pellets.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at agglomeratene er briketter.20. Method according to claim 18, characterized in that the agglomerates are briquettes.

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.21. Method according to claim 16, characterized in that solid materials selected from silicon carbide, Si02 and carbonaceous reducing material are supplied to the high-temperature reduction zone through one or more hollow electrodes to adjust the ratio between carbon and Si02 in the high-temperature reduction zone.