PT84948B - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SILICON BY FOUNDATION BY PLASMA - Google Patents

Abstract

A silicon prodn. process involves (i) generating a gas plasma in a reactor, using a transferred arc and a minimum of plasma-forming gas; (ii) feeding silicon dioxide and solid reductant directly into the plasma; (iii) passing the plasma gas and the feed into a reaction zone of the reactor; and (iv) recovering molten silicon and gaseous by-prods. from the reaction zone.

Description

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE SILÍCIO, POR FUNDIÇÃO POR MEIO DE PLASMAPROCESS FOR THE PRODUCTION OF SILICON, BY PLASMA CASTING

taçao de dióxido de silício e dum agente de redução sólido directamente ao reactor e ao plasma; c) a passagem do gás plasmático, do dióxido de silício e do agente da redução sólido para dentro da zona de reacçao do reactor; e d) a recolha do silício fundido e dos sub-produtos gasosos.transfer of silicon dioxide and a solid reducing agent directly to the reactor and plasma; c) the passage of plasma gas, silicon dioxide and the solid reducing agent into the reaction zone of the reactor; and d) the collection of molten silicon and gaseous by-products.

Este invento refere-se a um proce^ so para a fundição de silício utilizando-se um plasma com fonte de calor e está particularmente orientado para a preparação de silício com uma pureza adequada para utilização metalúrgica e para utilização em células solares.This invention relates to a process for the casting of silicon using a heat source plasma and is particularly oriented towards the preparation of silicon with a purity suitable for metallurgical use and for use in solar cells.

Presentemente, o silício é tipicamente produzido num forno de arco eléctrico submerso por meio duma redução carbotérmica de dióxido de silício (SiO₂) com um agente de redução carbonoso sólido. 0 dióxido de silício pode estar na forma de quartzo, sílica fundida ou micronizada, ou semelhante. 0 material carbonoso pode estar na forma de coque, carvao de pedra, aparas de madeira, e outras formas de materiais contendo carbono. A reacçao de redução global éAt present, silicon is typically produced in a submerged electric arc furnace by means of a carbothermic reduction of silicon dioxide (SiO ₂ ) with a solid carbon reducing agent. The silicon dioxide can be in the form of quartz, fused or micronized silica, or the like. The carbonaceous material may be in the form of coke, stone coal, wood chips, and other forms of carbon-containing materials. The overall reduction reaction is

SiO₂ + 2C = Si + 2C0SiO ₂ + 2C = Si + 2C0

Está reconhecido duma maneira geral que a reacçao anterior envolve na realidade reacçoes múltiplas, sendo as mais importantes indicadas a seguir:It is generally recognized that the previous reaction actually involves multiple reactions, the most important of which are indicated below:

SiO₂ +30= SiC + 2C0SiO ₂ + 30 = SiC + 2C0 (D (D s s SiO₂ + C = SiO + COSiO ₂ + C = SiO + CO (2) (2) SiO + 20 = SiC + CO SiO + 20 = SiC + CO (3) (3) 2SiO₂ + SiC = 3SiO + CO2SiO ₂ + SiC = 3SiO + CO (4) (4) , e , and SiO + SiC = 2Si + CO SiO + SiC = 2Si + CO (5) (5) « «

monóxido de silício (SiO) está no estado gasoso à tempeIsilicon monoxide (SiO) is in the gaseous state at tempeI

ratura da reacçao e pode-se perder como vapor se nao for completamente reagido. Muller et al., Scand. J. Metall., 1 (1972), pg. 145-155, descrevem e definem as condições de equilíbrio teóricas para o sistema químico Si-O-C da redução carbotérmica de dióxido de silício para formar silício. Um ensinamento fundamental de Muller et al., é a condição que se deve verificar para que a reacçao (5), anterior, se dê para que se forme silício, a qual consiste em que, sob condiçoes de equilíbrio, a pressão parcial de monóxido de silício deve ser igual ou maior do que 0,67 atmosferas à pressão atmosférica e a uma temperatura de 1819°C. Johannson e Eriksson, J. Electrochem. Soc.:SOLID STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, 131:2 (1984), pg. 365-370,desenvolveu ainda mais sobre a descrição e definição do sistema Si-O-C. Os ensinamentos de Johannson e Eriksson definem a influência da pressão sobre a reacçao. Ê demonstrado teoricamente que 5 atmosferas é uma pressão óptima para maximizar a aficiência da matéria prima para uma produção de silício oom um rendimento de praticamente 100.reaction and can be lost as vapor if not completely reacted. Muller et al., Scand. J. Metall., 1 (1972), pg. 145-155, describe and define the theoretical equilibrium conditions for the Si-O-C chemical system of the carbothermic reduction of silicon dioxide to form silicon. A fundamental teaching of Muller et al., Is the condition that must be verified for the reaction (5), above, to occur so that silicon is formed, which is that, under equilibrium conditions, the partial pressure of monoxide of silicon must be equal to or greater than 0.67 atmospheres at atmospheric pressure and at a temperature of 1819 ° C. Johannson and Eriksson, J. Electrochem. Soc.:SOLID STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, 131: 2 (1984), pg. 365-370, further developed the description and definition of the Si-O-C system. The teachings of Johannson and Eriksson define the influence of pressure on the reaction. It is theoretically demonstrated that 5 atmospheres is an optimal pressure to maximize the efficiency of the raw material for a silicon production with a yield of almost 100.

A utilização dum forno de arco ele£ trico submerso para a produção de silício tem sido adoptada durante muitos anos como base comercial. Está reconhecido na generalidade que existem muitas desvantagens inerentes na utilização dum tal sistema. Na utilização actual do forno de arco electrico submerso, o dióxido de silício e os sólidos de reacçao carbonosos sao alimentados ã parte superior do forno. Á medida que a reacçao evolui, forma-se uma cavidade no fundo do forno, na extremidade inferior do elec_ trodo submerso. 0 silício fundido junta-se no fundo da cavidade. No cimo da cavidade existe uma crosta de reagentes, intermediários e silício como produto. Por cima desta crosta estão variadas formas de reagentes sólidos e intermediários.The use of a submerged electric arc furnace for the production of silicon has been adopted for many years as a commercial base. It is generally recognized that there are many disadvantages inherent in the use of such a system. In the current use of the submerged electric arc furnace, silicon dioxide and carbonaceous reaction solids are fed to the upper part of the furnace. As the reaction progresses, a cavity is formed at the bottom of the oven, at the bottom end of the submerged electrode. The molten silicon joins at the bottom of the cavity. At the top of the cavity there is a crust of reagents, intermediates and silicon as a product. Above this crust are various forms of solid and intermediate reagents.

A fraca transferência de calor e de massa num forno de arco electrico submerso parece ser a causa duma pobre utilização da energia eléctrica fornecida e duma utilização reduzida da matéria prima. As unidades comerciais actuais consomem aproximadamente 3 vezes a quantidade teórica de energia requerida para estas reacçoes anteriores. Este alto nível de consumo de energia reflete a perda de energia introduzida pelos redutores carbonáceos como perdas de monóxido de carbono nos gases de saída residuais. Diversos factores contribuem para a fraca transferência de calor e de massa. As interacçoes de transferência de massa sólido-sólido e sólido-gás entre os reagentes e intermediários no forno limitam uma transferência eficaz de calor e de massa num forno de arco convencional. Uma desvan_ tagem adicional é a perda de material na forma de SiO volátil com os subprodutos gasosos da reacçao. Estima-se que nos actuais fornos de arco submerso, tanto como 10 a 20 porcento em peso do silício elementar produzido é perdido como SiO. 0 monóxido de silício reoxidiza para formar S1O2. Como consequência, o SiO poe problemas nao apenas de perda de material, mas também problemas de obstrução ao longo de todo o processo. Além disso, 0 S1O2 que escapa do sistema poe também um problema ambiental sob a forma de partículas transportadas pelo ar que devem ser recolhidas e deitadas fora, o que é feito com uma dificuldade considerável.The poor transfer of heat and mass in a submerged electric arc furnace appears to be the cause of a poor use of the electricity supplied and a reduced use of the raw material. The current commercial units consume approximately 3 times the theoretical amount of energy required for these previous reactions. This high level of energy consumption reflects the energy loss introduced by carbonaceous reducers as losses of carbon monoxide in the waste gases. Several factors contribute to poor heat and mass transfer. The solid-solid and solid-gas mass transfer interactions between the reactants and intermediates in the oven limit effective heat and mass transfer in a conventional arc furnace. An additional disadvantage is the loss of material in the form of volatile SiO with the gaseous by-products of the reaction. It is estimated that in current submerged arc furnaces, as much as 10 to 20 weight percent of the elemental silicon produced is lost as SiO. The silicon monoxide reoxidizes to form S1O2. As a consequence, SiO poses problems not only with material loss, but also with obstruction problems throughout the process. In addition, the S1O2 that escapes from the system also poses an environmental problem in the form of airborne particles that must be collected and disposed of, which is done with considerable difficulty.

A actual via para o de arco electrico meio dum forno ciada por problemas mecânicos, 0 no sentido descendente, gases que se move ascendentemente em direcção a movem em ao fluxo de mente o fluxo de sólido disso, os sólidos causado pela formaçao de crosta silício por submerso é também influênfluxo de solidos que se contra-corrente relativaínibe sao suspensos cavidade de reacçao. pelo efeito de ponte sobre a cavidade de reacçaoThe current path to the electric arc through a kiln caused by mechanical problems, 0 in a downward direction, gases that move upwards in direction to move in the mind flow the solid flow of it, the solids caused by the formation of silicon crust by submerged is also influenced by the flow of solids which, if relative counter current, is suspended in the reaction cavity. by the bridge effect on the reaction cavity

Alem que eBesides that

e pela proximidade dos sólidos dos eléctrodos verticais. 0 efeito de ponte é também causado pela formaçao de intermediários pegajosos na parte superior de arrefecimento do forno. Esta retenção de sólidos necessita que se incluam aberturas na parte superior do forno e que se efectue a abertura frequente do reactor e a desobstrução (empurrando com uma vareta) ou alimentaçao dos sólidos, para facilitar o movimen to descendente.and the proximity of the solids to the vertical electrodes. The bridging effect is also caused by the formation of sticky intermediates in the upper cooling part of the oven. This retention of solids requires that openings are included in the upper part of the oven and that the reactor is frequently opened and cleared (by pushing with a rod) or fed into the solids, to facilitate downward movement.

Os eléctrodos de carvão do forno por arco sao consumidos e contribuem nao só para as impurezas do produto final de silício, como também para os custos finais de produção. Os eléctrodos de carvao sao a maior fonte de impurezas na preparaçao de silício num forno conveii cional por arco. Além disso, estima-se que tanto como 10% de custo de produção do silício é atribuível à substituição de e a problemas associados aos eléctrodos, em vez dum forno acordo com o ção (1)The carbon electrodes of the arc furnace are consumed and contribute not only to the impurities of the final silicon product, but also to the final production costs. Coal electrodes are the largest source of impurities in the preparation of silicon in a conventional arc furnace. In addition, it is estimated that as much as 10% of the cost of silicon production is attributable to the replacement of and problems associated with the electrodes, instead of an oven according to tion (1)

DeIn

A utilização dum forno de plasma por arco eléctrico de reacçao esquema tem várias vantagens, descrito supra, a reacSiO₂ + 3C = SiC + 2C0 é endotérmica e para a reacçao de redução global consome tanto comoThe use of a plasma arc furnace with a schematic reaction arc has several advantages, described above, the reaction ₂ + 3C = SiC + 2C0 is endothermic and for the global reduction reaction it consumes as much as

50% da energia necessária A alimentaçao de SiO₂ e do material contendo carbono directamente para o plasma de alta energia maximiza a transferência de calor e de massa, de forma a facilitar çao eficiente de SiC esta reacçao para formar SiC. A formafacilita ainda a cadeia de reacçoes formar silício, representada pelas reacções subsequentes para (4) e (5), supra,50% of the energy required Feeding SiO ₂ and the carbon-containing material directly to high-energy plasma maximizes the transfer of heat and mass, in order to facilitate the efficient reaction of SiC to form SiC. reactions to form silicon, represented by the subsequent reactions for (4) and (5), supra,

2SiO₂ + SiC2SiO ₂ + SiC

3SiO +3SiO +

CO e SiC + SiO = 2Si a formaçao de SiO₂ vao melhorar de SiO₂ β massa. Alterações configuracionais do eliminar o efeito de ponte dos sólidos se abrir periodocamente o forno para se o forno poderá fecho do forno vaiCO and SiC + SiO = 2Si SiO ₂ formation will improve SiO ₂ β mass. Configurational changes to eliminate the bridging effect of the solids if the oven periodically opens so that the oven can close the oven

A fusão simultânea a transferência de reactor vao também e a necessidade de efectuar a alimentaçao como consequência, ser fechado e trabalhar sob pressão, facilitar a recolha e recuperação do conteúdo de energia dos sub-produtos gasosos, presentemente perdido como indicado, supra. A eliminação dos eléctrodos de forno de arco vai resultar no aumento do produto carvao utilizados num subsequente da pureza final de silício.The simultaneous fusion to the reactor transfer also goes and the need to carry out the feeding as a consequence, to be closed and to work under pressure, to facilitate the collection and recovery of the energy content of the gaseous by-products, presently lost as indicated above. The elimination of arc furnace electrodes will result in an increase in the carbon product used in a subsequent final silicon purity.

A utilização metálicos de um plasma para trja é divulgada por Foex na Patente Norte publicada em 21 de Junho de 1966. 0 Foex consiste na compressão do materireagentes sólidos. Os ensinamentos de Foex tar óxidosThe metallic use of a plasma for wheat is disclosed by Foex in the North Patent published on June 21, 1966. Foex consists of the compression of solid materials. The teachings of Foex tar oxides

Americana 3.257.196, método divulgado por al a tratar num recipiente que tem a possibilidade de rodar sobre o seu eixo central. Está dotado de uma cavidade axial através da qual o plasma pode penetrar. 0 plasma pode ser utilizado como veículo para transportar os reagentes para a zona dos sao desenvolvidos à volta da necessidade dum reactor rotati. vo que está óbviamente previsto para um esquema de funciona, mento descontínuo complicado, se comparado com o esquema coii tínuo do presente invento. Além disso, os ensinamentos de Foex sao orientados para a eliminação da necessidade de se manter uma alimentaçao de óxido metálico em pó ao jacto de plasma por compressão do referido pó dentro do referido reactor rotativo e utilização da força centrífuga para reter com os o pó dentro do reactor. A zona de reacçao de acordo ensinamentos de Foex está à superfície de um sólido compactado e denso, em vez de através dum leito poroso de sólidos, como divulgado no presente invento. 0 presente invento divujL ga uma alimentaçao contínua de reagentes em pó à zona de plasma. Estas diferenças têm um impacto importante sobre o presente invento do ponto de vista do aperfeiçoamento da eficiência da transferência de massa e de calor.Americana 3,257,196, method disclosed by al to be treated in a container that has the possibility to rotate on its central axis. It has an axial cavity through which the plasma can penetrate. The plasma can be used as a vehicle to transport the reagents to the plasma area around the need for a rotary reactor. which is obviously envisaged for a complicated batch operation scheme compared to the continuous scheme of the present invention. In addition, the teachings of Foex are aimed at eliminating the need to maintain a feed of powdered metal oxide to the plasma jet by compressing said powder into said rotating reactor and using the centrifugal force to retain the powder inside. the reactor. The reaction zone according to Foex's teachings is on the surface of a compacted and dense solid, rather than through a porous bed of solids, as disclosed in the present invention. The present invention provides a continuous supply of powdered reagents to the plasma zone. These differences have an important impact on the present invention from the point of view of improving the efficiency of mass and heat transfer.

Coldwell e Roques, J. Electrochemical Soc., 124 (11) (1977), pg. 1686-1689, descreve a reac çao duma vara de dióxido de silício comprimido com pó de carvao num plasma. Coldwell e Roques também descreve a utilização dum plasma induzido por radio-frequência. Como será analizado, infra, os elevados fluxos de gás associados a um plasma induzido poem uma série de limitações na reacçao de redução para formar silício. Além disso, Coldwell e Roques descreve as dificuldades provocadas pelos elevados flu xos de gás necessários para o plasma induzido. 0 produto de silício consistia num vapor que foi recolhido por temperamento (arrefecimento brusco). 0 silício nunca ultrapassou 33% do produto temperado. Esta baixa recolha de silício foi considerado por Coldwell e Roques ser o melhor atingível por causa da alta reactividade das espécies que se formaram no plasma sob as condiçoes dadas. 0 método de Coldwell e Roques e um processo descontínuo, se comparado com o processo contínuo do presente invento. Além disso, trabalharam obviamente sob um regime de temperaturas muito mais elevadas do que as do presente invento, dado que o silício deixa a zona de reacção como vapor. Este regime de temperaturas superior al. tera completamente o equilíbrio químico e térmico do sistema e torna qualquer comparação com o presente invento sem significado.Coldwell and Roques, J. Electrochemical Soc., 124 (11) (1977), pg. 1686-1689, describes the reaction of a stick of compressed silicon dioxide with coal powder in a plasma. Coldwell and Roques also describes the use of radio frequency-induced plasma. As will be analyzed below, the high gas flows associated with an induced plasma pose a number of limitations in the reduction reaction to form silicon. In addition, Coldwell and Roques describe the difficulties caused by the high gas flows required for induced plasma. The silicon product consisted of a vapor which was collected by temper (sudden cooling). The silicon never exceeded 33% of the tempered product. This low collection of silicon was considered by Coldwell and Roques to be the best attainable because of the high reactivity of the species that formed in the plasma under the given conditions. The Coldwell and Roques method is a batch process compared to the continuous process of the present invention. In addition, they obviously worked under a much higher temperature regime than those of the present invention, since the silicon leaves the reaction zone as steam. This temperature regime exceeds al. it will completely have the chemical and thermal balance of the system and render any comparison with the present invention meaningless.

Stramke et al., na Patente Alema 2.924.584, publicada em 15 de Janeiro de 1981, descreve a passagem de sílica ou silício através duma chama de plasma numa atmosfera redutora. 0 trabalho de Stramke et al., nao está orientado para a redução carbotérmica de dióxido de si lício, como o está o presente invento, mas sim para a redução de impurezas na sílica ou silício de modo que estas impurezas reduzidas podem ser volatilizadas e removidas do material de silício. Os gases redutores citados foram o hidrogénio (Η₂), metano, etano e etileno, e outros hidrocarbonetos saturados e insaturados.Stramke et al., In German Patent 2,924,584, published on January 15, 1981, describes the passage of silica or silicon through a plasma flame in a reducing atmosphere. The work by Stramke et al., Is not aimed at reducing carbothermic silicon dioxide, as is the present invention, but rather at reducing impurities in silica or silicon so that these reduced impurities can be volatilized and removed of silicon material. The reducing gases mentioned were hydrogen (Η ₂ ), methane, ethane and ethylene, and other saturated and unsaturated hydrocarbons.

Dallberg et al., na Patente Norte Americana 4.377.564, publicada em 22 de Março de 1983, descreve a preparaçao de silício num plasma utilizando-se dióxido de silício e um agente de redução. 0 silício é produzido num plasma sob a forma dum vapor e é recolhido da mistura de reacção em vapor por deposição sobre um substracto ou por condensação. Nao é feita referência a produçoes. Contudo, parece que esta teoria tem as mesmas deficiências que aquelas do método de Coldwell e Roques supra. Os agente de redução citados foram o carbono, hidrogénio, hidrocarbonetos, azoto, monóxido de carbono (CO), halogénios, e vapor de água,Dallberg et al., U.S. Patent 4,377,564, issued March 22, 1983, describes the preparation of silicon in a plasma using silicon dioxide and a reducing agent. The silicon is produced in a plasma in the form of a vapor and is collected from the vapor reaction mixture by deposition on a substrate or by condensation. No reference is made to productions. However, it appears that this theory has the same deficiencies as those of the Coldwell and Roques method above. The reducing agents mentioned were carbon, hydrogen, hydrocarbons, nitrogen, carbon monoxide (CO), halogens, and water vapor,

Santen e Edstrom na Patente Norte Americana 4.439.410, publicada em 27 de Março de 1984, divulga um processo para a preparaçao de silício, em que sílica e um agente de redução opcional sao injectados para dentro dum gás de plasma. A carga aquecida e o gás de plasma altamente energético sao introduzidos dentro de uma camara de reacçao onde existe um agente, de redução sólido. A sílica é a obrigada a fundir e é reduzida em silício. Os gase: de reacçao compreendem uma mistura de H₂ θ CO e podem ser recirculados e usados como um gás veículo para o plasma.Santen and Edstrom in U.S. Patent 4,439,410, issued March 27, 1984, discloses a process for the preparation of silicon, in which silica and an optional reducing agent are injected into a plasma gas. The heated charge and the highly energetic plasma gas are introduced into a reaction chamber where there is a solid reducing agent. Silica is required to melt and is reduced to silicon. The reaction gases comprise a mixture of H ₂ θ CO and can be recirculated and used as a carrier gas for plasma.

Santen e Edstrom descreve queSanten and Edstrom describes that

o plasma pode ser gerado por arco electrico ou por meios indutivos.the plasma can be generated by electric arc or by inductive means.

Os agentes de redução citados foram o hidrocarboneto (gás natural), mineral, pó de carvao vegetal, negro de fumo, pó de carvao coque de petró.The reduction agents mentioned were hydrocarbon (natural gas), mineral, charcoal powder, carbon black, petroleum coke coal powder.

leo, e outros.oil, and others.

Ao estudar a Patente de Santen eWhen studying the Santen Patent and

Edstrom observam-se várias contradições. Primeiro, a descri çao do invento divulga que o queimador de plasma utilizado é um queimador de plasma indutivo. Segundo, a descrição do invento nao fala na geraçao de um plasma por meio de arco electrico, a qual é contudo reivindicada. Santen e Edstrom reivindicam que o plasma é também gerado por passagem dum gás de plasma através de um arco electrico. Santen e Edstrom nao fazem referência ao facto do plasma ser ou nao ser gerja do segundo um modo por arco transferido ou nao-transferido, o que indica que eles nao apreciaram as diferenças significativas que conduzem aos benefícios derivados do presente invento. Esta distinção é muito importante. 0 modo por arco transferido utiliza uma quantidade miníma de gás, enquanto que o modo por arco nao-transferido utiliza um volume de gás que é aproximadamente 5 a 10 vezes superior, para trans ferir uma quantidade semelhante de energia.Edstrom observes several contradictions. First, the description of the invention discloses that the plasma burner used is an inductive plasma burner. Second, the description of the invention does not mention the generation of a plasma by means of an electric arc, which is however claimed. Santen and Edstrom claim that plasma is also generated by passing a plasma gas through an electric arc. Santen and Edstrom make no reference to whether or not the plasma is in the second mode in a transferred or non-transferred arc mode, which indicates that they did not appreciate the significant differences that lead to the benefits derived from the present invention. This distinction is very important. The transferred arc mode uses a minimal amount of gas, while the non-transferred arc mode uses a volume of gas that is approximately 5 to 10 times greater, to transfer a similar amount of energy.

Como exemplo da diferença entre o volume de gás necessário, para um plasma gerado porAs an example of the difference between the volume of gas required, for a plasma generated by

1000 quilowatts (KW) de energia uma configu9 raçao por arco transferido necessita de 304,8 a 762 centímetros cúbicos por minuto / 10 a 25 pés cúbicos standard por minuto (scfmV de gás, comparados com os 3048 a 4572 centímetros cúbicos por minuto, ou mais, para uma configura.1000 kilowatts (KW) of energy a configuration per transferred arc requires 304.8 to 762 cubic centimeters per minute / 10 to 25 standard cubic feet per minute (scfmV of gas, compared to 3048 to 4572 cubic centimeters per minute, or more, for a configuration.

ção por arco não transferido. No modo por arco transferido, os dois eléctrodos estão distanciados um do outro, tal como na parte superior e inferior do reactor. Os gases de plasmaarc transfer not transferred. In transferred arc mode, the two electrodes are spaced apart from each other, such as at the top and bottom of the reactor. Plasma gases

podem fluir ou do cátodo para o ânodo, ou vice versa. 0 volume de gás utilizado no modo por arco transferido é o volume necessário para formar o próprio plasma. No modo por arco nao-transferido, os dois eléctrodos estão no próprio gerador. 0 arco é activado no gerador, o plasma é formado e o plasma é consequentemente levado para dentro da zona de reacçao por um maior volume de gás. Numa configuração por arco transferido, estima-se que 10% do gás de alimentaçao é convertido num plasma, enquanto que 90% do gás de alimentaçao é utilizado para transportar o plasma para dentro da zona de reacçao. Um plasma induzido por radio frequência utiliza o mesmo volume relativo de gás por unidade de energia introduzida que o plasma por arco nao transferido. Com vista à utilização dum queimador de plasma inductor, outras referências na especialidade (po exemplo, Relatório No.1895 do National Institute for Metallurgy A Review of Plasma Technology with Particular Reference to Ferro-Alloy Production, 14 de Abril de 1977, pg, 3) refere que a aplicaçao ã escala industrial de plasmas induzidos por radio-frequência é difícil e cara e mantem-se essencialmente como um instrumento laboratorial. A diluição com um gás estranho po_ de reduzir fortemente a pressão parcial do intermediário de monóxido de silício e inibir a formaçao de silício, como indicado na referência de Muller et al., supra. Este fenóine no será discutido e mostrado nos exemplos, infra.can flow from the cathode to the anode, or vice versa. The volume of gas used in the transferred arc mode is the volume needed to form the plasma itself. In non-transferred arc mode, the two electrodes are on the generator itself. The arc is activated in the generator, the plasma is formed and the plasma is consequently carried into the reaction zone by a greater volume of gas. In a transferred arc configuration, it is estimated that 10% of the feed gas is converted into a plasma, while 90% of the feed gas is used to transport the plasma into the reaction zone. A radio frequency-induced plasma uses the same relative volume of gas per unit of energy introduced as non-transferred arc plasma. With a view to the use of a plasma inductor burner, other references in the specialty (for example, Report No.1895 of the National Institute for Metallurgy A Review of Plasma Technology with Particular Reference to Ferro-Alloy Production, 14 April 1977, pg, 3 ) states that the application on the industrial scale of plasmas induced by radio frequency is difficult and expensive and remains essentially as a laboratory instrument. Dilution with a foreign gas can greatly reduce the partial pressure of the silicon monoxide intermediate and inhibit the formation of silicon, as indicated in the reference by Muller et al., Supra. This phenomenon will not be discussed and shown in the examples, below.

Uma outra contradição é a de Santen e Edstrom preconizarem a utilização de H₂ reciclado e CO como gás de plasma. Descobriu-se durante o desenvolvimento do presente invento que a adiçao de CO à zona de reacçao inibia fortemente a formaçao de silício. A importância desta descoberta será discutida nos exemplos, infra.Another contradiction is that Santen and Edstrom advocate the use of recycled H ₂ and CO as plasma gas. During the development of the present invention, it was discovered that the addition of CO to the reaction zone strongly inhibited the formation of silicon. The importance of this discovery will be discussed in the examples, below.

Varias descobertas importantes foram encontradas durante o desenvolvimento do presente invento. Descobriu-se que a utilização de um plasma numa configuração por arco nao transferido, em que os gases de plasma e uma alimentaçao contínua de dióxico de silício e material carbonoso sólido foram passados através do leito de sólidos de reacçao, resultou na nao formaçao de silício. 0 elevado fluxo de gases de plasma vai ter um impacto impo tante sobre a diluição dos gases reaccionais. Esta descobe ta é compatível com os princípios, supra, que indicam que o silício nao se formará até se exceder uma pressão parcial crítica de monóxido de silício. Para ilustrar adicionalmente este fenómeno, uma modificação da configuração do reactor de plasma, em que os gases de plasma nao penetravam no leito de reacçao e subsequentemente nao diluiam os gases de re acçao, resultou na formaçao de silício. Esta modificação, analisada no exemplo, infra, aproxima o fluxo de gás na zona de reacçao da configuração de plasma por arco transferido .Several important discoveries were found during the development of the present invention. It was found that the use of a plasma in an untransferred arc configuration, in which the plasma gases and a continuous supply of silicon dioxide and solid carbonaceous material were passed through the reaction solids bed, resulted in the non-formation of silicon . The high flow of plasma gases will have an important impact on the dilution of the reaction gases. This finding is compatible with the principles, above, which indicate that silicon will not form until a critical partial pressure of silicon monoxide is exceeded. To further illustrate this phenomenon, a modification of the plasma reactor configuration, in which the plasma gases did not penetrate the reaction bed and subsequently did not dilute the reaction gases, resulted in the formation of silicon. This modification, analyzed in the example, below, approximates the gas flow in the reaction zone to the transferred arc plasma configuration.

Uma outra descoberta foi a demonstração de que a adiçao de monóxido de carbono à zona de reacçao dum reactor que estava a produzir silício parou a formação deste. Esta descoberta é ilustrada no exemplo, infra .Another discovery was the demonstration that the addition of carbon monoxide to the reaction zone of a reactor that was producing silicon stopped its formation. This finding is illustrated in the example, below.

presente invento tornar-se-a mais compreensível para os técnicos da especialidade se se tomar em consideração os desenhos anexos. As Figuras 1 e 2 sao diagramas esquemáticos, parcialmente em corte transversal, para ilustrar dois modelos de realizaçao preferidos do presente invento.the present invention will become more understandable to those skilled in the art if the attached drawings are taken into account. Figures 1 and 2 are schematic diagrams, partially in cross-section, to illustrate two preferred embodiments of the present invention.

A Figura 1 é um diagrama esquemático da configuração de um forno de silício em que o fluxo do gás de plasma e dos reagentes sólidos é introduzido no topo do reactor.Figure 1 is a schematic diagram of a silicon furnace configuration in which the flow of plasma gas and solid reagents is introduced at the top of the reactor.

A Figura 2 é um diagrama esquemático duma variaçao configuracional da Fig. 1 em que o fluxo do gás de plasma e dos reagentes sólidos é introduzido na metade inferior do reactor.Figure 2 is a schematic diagram of a configurational variation of Fig. 1 in which the flow of plasma gas and solid reagents is introduced into the lower half of the reactor.

A Fig. 1 é uma representação dum sistema de reactor utilizando um plasma para produzir silício. Começando pelo corpo do reactor (1), o corpo do reactor pode ser um recipiente do tipo reservatório revestido com material refractário, ou semelhante, conhecido na, especialidade de projecto de equipamentos de fundição de minérios. 0 gerador de plasma por arco transferido (2) é posicionado de modo que o primeiro eléctrodo (3) esteja colocado no topo do corpo do reactor (1) e que o segundo eléctrodo (4) esteja distanciado de (3) dentro do corpo do reactor, devendo compreender-se que a posição exacta e polaridade dos el£ trodos, conforme está representada, deve ser subentendida como ilustrativa e nao como uma limitaçao; o gerador de plasma por arco transferido pode ter uma concepção similar à dos conhecidos na especialidade. 0 gerador de plasma está associado a um dispositivo (5) de fornecimento dum gás redutor, ou dum gás inerte, ou duma sua mistura, ao gerador de plasma; 0 dispositivo de fornecimento do gás de plasma pode ser qualquer dispositivo convencional, tal como tubagens ou carros tanques de gás comercial comprimido e os acessórios de ligaçao apropriados; no gerador de plasma por arco transferido com esta configuração particular, o fluxo do gás de plasma move-se a partir do topo do reactor para a par.Fig. 1 is a representation of a reactor system using a plasma to produce silicon. Starting with the reactor body (1), the reactor body can be a reservoir-type vessel coated with refractory material, or the like, known in the ore smelting equipment design specialty. The transferred arc plasma generator (2) is positioned so that the first electrode (3) is placed on top of the reactor body (1) and the second electrode (4) is spaced from (3) inside the body of the reactor reactor, it being understood that the exact position and polarity of the electrodes, as shown, must be understood as illustrative and not as a limitation; the transferred arc plasma generator may have a design similar to those known in the art. The plasma generator is associated with a device (5) for supplying a reducing gas, or an inert gas, or a mixture thereof, to the plasma generator; The plasma gas delivery device can be any conventional device, such as pipes or tank cars of commercial compressed gas and the appropriate connection accessories; in the arc plasma generator transferred with this particular configuration, the plasma gas flow moves from the top of the reactor to the pair.

te inferior. Para dirigir o fluxo de reagentes sólidos para dentro do corpo do reactor (1) e para dentro do plasma, montou-se no cimo do corpo do reactor (1) um dispositivo (6) de alimentaçao duma mistura de dióxido de silício e dum ageii te de redução sólido. Também montado no cimo do corpo do reactor (1) está um dispositivo (7) de alimentaçao de dióxido de silício ao plasma; a mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido alimentada pelo dispositivo (6) e o dióxido de silício alimentado pelo dispositivo (7) sao introduzidos no corpo do reactor (1) e no plasma alternativamente; os meios (6) e os meios (7) de alimentaçao quer da mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido, quer do dióxido de silício isoladamente, podem ser quais^ quer meios tais como alimentaçao por gravidade ou gás sob pressão em combinação com uma válvula obturadora de gás, alimentadores de parafuso sem-fim, transportadores pneumáticos, etc. Para controlar as alimentações alternadas de (6) e (7), previu-se um dispositivo (8) para controlo das alimentações alternadas da mistura de dióxido de silício com um agente de redução sólido e do dióxido de silício; o dispositivo de controlo das alimentações alternadas pode ser qualquer dispositivo convencional, tal como controlo manual, controlo de alimentação automático, etc. No modelo da Fig. 1, o corpo do reactor (1) é um leito de reagentes sólidos antes parcialmente cheio com da produção se iniciar, sendo o leito de reagentes reagentes sólidos pode ser designado por (9); o leito de um agente de redução sólido iso lado, ou uma mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido. 0 produto de silício fundido junta-se no fundo do corpo do reactor (1) e é recolhido por um dispositivo (10) de recolha de silício fundido; este dispositivo (10) de recolha do silício fundido pode ser qualquer uma das técnicas conhecidas, tais como sangria descontínua ou contínua. Os sub-produtos gasosos deixam o corpo de reactorte inferior. To direct the flow of solid reagents into the reactor body (1) and into the plasma, a device (6) for feeding a mixture of silicon dioxide and an ageii was mounted on top of the reactor body (1). of solid reduction. Also mounted on top of the reactor body (1) is a device (7) for supplying plasma silicon dioxide; the mixture of silicon dioxide and a solid reducing agent fed by the device (6) and the silicon dioxide fed by the device (7) are introduced into the reactor body (1) and into the plasma alternatively; the means (6) and the means (7) for supplying either the mixture of silicon dioxide and a solid reducing agent, or silicon dioxide alone, can be any means such as gravity feed or gas under pressure in combination with a gas shut-off valve, screw feeders, pneumatic conveyors, etc. To control the alternate feeds of (6) and (7), a device (8) has been provided for controlling the alternate feeds of the mixture of silicon dioxide with a solid reducing agent and silicon dioxide; the control device for alternating feeds can be any conventional device, such as manual control, automatic feed control, etc. In the model of Fig. 1, the reactor body (1) is a bed of solid reagents before being partially filled with production, the bed of solid reagent reagents being designated (9); the bed of an isolated solid reducing agent, or a mixture of silicon dioxide and a solid reducing agent. The molten silicon product collects at the bottom of the reactor body (1) and is collected by a molten silicon collection device (10); this fused silicon collection device (10) can be any of the known techniques, such as batch or continuous bleeding. Gaseous by-products leave the reactor body

(1) na zona inferior; está previsto um dispositivo (11) de recolha dos sub-produtos gasosos do reactor; este dispositivo (11) de recolha dos sub-produtos gasosos pode ser qualquer dispositivo convencional, tal como queima para destruição ou para recolha de energia.(1) in the lower zone; a device (11) for collecting the gaseous by-products from the reactor is provided; this device (11) for collecting the gaseous by-products can be any conventional device, such as burning for destruction or for collecting energy.

reactor mostrado na Fig.reactor shown in Fig.

A Fig. 2 é uma variante do sistemaFig. 2 is a variant of the system

1. A designação numérica dos elemeii tos do sistema reactor é a mesma em ambas as Figs.1. The numerical designation of the elements of the reactor system is the same in both Figs.

e 2.and 2.

A diferença fundamental da Fig. 2 é o facto do fluxo dos gases de plasma e das alimentações dos reagentes sólidos serem introduzidas na metade inferior do corpo do reactor, devendo ficar bem claro que a posição execta representada do gerador de plasma (2) com os seus eléctrodos (3) e (4) é dada a título ilustrativo e nao é uma limitaçao. Na Fig. 2, o corpo do reactor (1) nao é cheio com reagentes sólidos antes de se dar o inicio da produção.The fundamental difference in Fig. 2 is the fact that the flow of plasma gases and the feeds of solid reagents are introduced in the lower half of the reactor body, and it should be clear that the right position represented by the plasma generator (2) with the its electrodes (3) and (4) is given by way of illustration and is not a limitation. In Fig. 2, the reactor body (1) is not filled with solid reagents before the start of production.

De acordo com o presente invento, apresenta-se um processo para produzir silício utilizando-se um plasma gasoso como fonte de energia, sob as condiçoes que serão aqui delineadas. 0 que se descreve, portanto, é um processo para a produção de silício utilizando-se um pla£ ma gasoso como fonte de energia, compreendendo o referido processo:In accordance with the present invention, a process for producing silicon using a gas plasma as an energy source is presented, under the conditions that will be outlined here. What is described, therefore, is a process for the production of silicon using a gaseous plate as an energy source, comprising said process:

(I) a produção dum plasma gasoso num reactor, utilizando-se uma configuração por arco transferido, em que se utiliza um rainímo de gás para formar o plasma;(I) the production of a gas plasma in a reactor, using a transferred arc configuration, in which a gas rain is used to form the plasma;

(II) a alimentaçao de dióxido de silício e dum agente(II) the feeding of silicon dioxide and an agent

de redução sólido directamente para o reactor e para o plasma;of solid reduction directly to the reactor and to the plasma;

(III) a passagem do gás de plasma, do dióxido de silício e do agente de redução solido para o interior duma zona de reacçao do reactor;(III) the passage of plasma gas, silicon dioxide and the solid reducing agent into a reaction zone of the reactor;

(IV) a recolha do silício fundido e dos sub-produtos gasosos da zona de reacçao.(IV) the collection of molten silicon and gaseous by-products from the reaction zone.

Configuração por arco transferido para um plasma gasoso significa que os dois eléctrodos do gerador de plasma estão distanciados um do outro. 0 fluxo de gás vai do cátodo para o ânodo, ou vice versa. As Figs.Arc-to-plasma configuration means that the two electrodes of the plasma generator are spaced apart. The gas flow goes from the cathode to the anode, or vice versa. Figs.

e 2 compreendem duas representações da configuração do gerador de plasma por arco transferido. Devido à natureza desta configuração de geraçao de plasma por arco transferido, o volume de gás necessário para formar o plasma é significativamente menor (dum factor de cerca de 10) do que o da ”configuraçao por arco nao-transferido, em que os dois eléctrodos estão contidos no gerador de plasma e em que o fluxo de gás move isoladamente o plasma para dentro da zona de reacçao. Estas diferenças foram analisadas em pormenor, supra. Uma quantidade mínima de gás significa apenas aquela quantidade de gás necessária para formar eficientemente um plasma que deve ser fornecida ao sistema. A manutenção da alimentação de gás num valor mínimo reduz as dificuldades criadas por diluição do meio de reacçao, como analisado supra. 0 gerador de plasma por arco transferido e os meios para produzirem um gás de plasma sao conhecidos na especialidade de concepção destes meios e sao descritos na descriçãoand 2 comprise two representations of the transferred arc plasma generator configuration. Due to the nature of this configuration of plasma generation by transferred arc, the volume of gas required to form the plasma is significantly less (by a factor of about 10) than that of the "non-transferred arc configuration, in which the two electrodes they are contained in the plasma generator and in which the gas flow alone moves the plasma into the reaction zone. These differences have been analyzed in detail, above. A minimum amount of gas means only that amount of gas needed to efficiently form a plasma that must be supplied to the system. Keeping the gas supply to a minimum reduces the difficulties created by diluting the reaction medium, as discussed above. The transferred arc plasma generator and the means for producing a plasma gas are known in the art of designing these means and are described in the description

dos desenhos.of the drawings.

Reagentes sólidos como utilizados neste invento, significam dióxido de silício e um agente de redução sólido, ambos nas suas muitas espécies e formas. A alimentaçao do dióxido de silício e do agente de redução sólido ao plasma pode ser efectuada por meios convencionais tais como alimentaçao por gravidade ou por pressão de gás em combinação com uma válvula obturadora de gás, alimentadores de parafuso sem-fim, transportadores pneumáticos, etc. 0 dióxido de silício e o agente de redução sólido podem ser alimentados alternativamente, primeiro como uma mistura de dióxido de silício e do agente de redução sólido, e depois como dióxido de silício isoladamente. As alimentações podem ser repetidas alternadamente, sendo a alimentaçao alternada efectuada por métodos conhecidos tais como comutações manual, controlo automatizado, etc. 0 dioxido de silicio e o ageii te de redução sólido pode também ser alimentado como uma mistura combinada.Solid reagents as used in this invention, mean silicon dioxide and a solid reducing agent, both in their many species and forms. The feeding of silicon dioxide and the solid reducing agent to plasma can be carried out by conventional means such as gravity or gas pressure feeding in combination with a gas shut-off valve, screw feeders, pneumatic conveyors, etc. . The silicon dioxide and the solid reducing agent can alternatively be fed, first as a mixture of silicon dioxide and the solid reducing agent, and then as silicon dioxide alone. The feeds can be repeated alternately, with alternating feeding performed by known methods such as manual switching, automated control, etc. The silicon dioxide and the solid reducing agent can also be fed as a combined mixture.

A reacçao de dióxido de silício com carbono no plasma de alta energia facilita a reacçao glq balThe reaction of silicon dioxide with carbon in high-energy plasma facilitates the glq bal reaction

SiO₂ + 2C = Si + 2C0.SiO ₂ + 2C = Si + 2C0.

Esta reacçao global pode ser representada pelo esquema de reacção sequencial delineado em baixo, tendo sido as reacçoes individuais apresentadas supra,This overall reaction can be represented by the sequential reaction scheme outlined below, with the individual reactions shown above,

SiO₂ + 3C = SiC + 2C0, (1)SiO ₂ + 3C = SiC + 2C0, (1)

2SiO₂ + SiC = 3SiO + CO, e (4)2SiO ₂ + SiC = 3SiO + CO, and (4)

SiC + SiO = 2Si + CO. (5) sequência reacçao é facilitade que o SiO₂ é eficazmente consumiSiO, que reageSiC + SiO = 2Si + CO. (5) reaction sequence makes it easier for SiO _{2 to} be effectively consumed, which reacts

A da se se forçar a formaçao de SiC através da reacçao (1).That of forcing SiC formation through reaction (1).

A presença de SiC assegura do para formar, de acordo com a reacçao (4), subsequentemente com SiC para formar silício e que nao é perdido para os sub-produtos gasosos. Uma solução para forçar a formaçao de SiC, de acordo com a reacçao (1), manter a quantidade estequiométrica de cerbono para de silício num excesso molar favorcendo o um excesso de 3 moles de carbono por mole de dióxido de silício. Por sua vez, da de modo que o dióxido de silício e o carbono sejam mantidos essencialmente na quantidade estequiométrica da reac é a de dióxido i . e. , carbono a alimentação total deve ser controlaçao global, sendo a quantidade estequiométrica 2 moles de carbono por mole de dióxido de silício. Essencialmente na quantidade estequiométrica da reacçao global significa que a proporção de carbono para dióxido de silício está a, ou vai até 1 a 2 porcento acima da quantidade estequiométrica. Subentende-se que, quer na reacçao global, quer na reacçao (1), se pode utilizar uma quantidade de carbono menor do que a estequiométrica, relativamente à de dióxido de silício, com a desvantegem da eficiência da matéria prima de dióxido de silício vir a ser reduzida por perda de SiO nao consumido. Deste modo, no caso de alimentaçao alternada primeiro duma mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido, e depois de dióxido de silício, na mistura de dióxido de silício com o agente de redução sólido a proporçãoThe presence of SiC ensured to form, according to reaction (4), subsequently with SiC to form silicon and which is not lost to the gaseous by-products. A solution to force the formation of SiC, according to reaction (1), keep the stoichiometric amount of cerbon to silicon in a molar excess favoring an excess of 3 moles of carbon per mole of silicon dioxide. In turn, so that silicon dioxide and carbon are kept essentially in the stoichiometric amount of the reaction is that of dioxide i. and. , carbon the total feed should be global control, the stoichiometric amount being 2 moles of carbon per mole of silicon dioxide. Essentially in the stoichiometric amount of the global reaction it means that the ratio of carbon to silicon dioxide is, or goes up to 1 to 2 percent above the stoichiometric amount. It is understood that, in the global reaction as well as in reaction (1), a smaller amount of carbon than stoichiometric can be used, compared to that of silicon dioxide, with the disadvantage of the efficiency of the raw material of silicon dioxide coming to be reduced by loss of SiO not consumed. Thus, in the case of alternate feeding first of a mixture of silicon dioxide and of a solid reducing agent, and then of silicon dioxide, in the mixture of silicon dioxide with the solid reducing agent in proportion

de dióxido de silício e do agente de redução sólido é controlada de modo que o carbono esteja num excesso molar relativamente ao dióxido de silício até 20% acima da quantidade estequiométrica, sendo a quantidade estequiométrica 3 moles de carbono por mole de dióxido de silício. Depois, a alimentaçao de dióxido de silício é controlada de modo que a proporção combinada de carbono e de dióxido de silício esteja essencialmente à quantidade estequiométrica da reacçao global, sendo a quantidade esteqiométrica 2 moles de carbono por mole de dióxido de silício. Esta consideração também se aplica quando a mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido sao alimentados ao reactor e ao plasma.of silicon dioxide and the solid reducing agent is controlled so that the carbon is in a molar excess over silicon dioxide up to 20% above the stoichiometric amount, the stoichiometric amount being 3 moles of carbon per mole of silicon dioxide. Then, the silicon dioxide feed is controlled so that the combined proportion of carbon and silicon dioxide is essentially the stoichiometric amount of the overall reaction, the stoichiometric amount being 2 moles of carbon per mole of silicon dioxide. This consideration also applies when the mixture of silicon dioxide and a solid reducing agent is fed to the reactor and plasma.

reactor pode ser parcialmente che io com reagentes sólidos, um agente de redução sólido isoladamente, ou uma mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido. Considera-se que o enchimento parcial do reactor deixa espaço adequado para acomodar a formaçao dos sólidos produzidos pela reacçao de dióxido de silício com o agente de redução sólido, alimentados directamente ao plasma. 0 agente de redução sólido, que é utilizado isoladamente ou em mistura com dióxido de silício para encher parcialmente o reactor, pode ser o mesmo ou diferente do agente de redução sólido que é alimentado directamente ao reactor e ao plasma. 0 dióxido de silício utilizado para encher parcialmente o reactor, igualmente, pode ser o mesmo ou difereii te do dióxido de silício alimentado directamente ao reactor e ao plasma.The reactor can be partially filled with solid reagents, a solid reducing agent alone, or a mixture of silicon dioxide and a solid reducing agent. It is considered that the partial filling of the reactor leaves adequate space to accommodate the formation of the solids produced by the reaction of silicon dioxide with the solid reducing agent, fed directly to the plasma. The solid reducing agent, which is used alone or in admixture with silicon dioxide to partially fill the reactor, can be the same or different from the solid reducing agent which is fed directly into the reactor and plasma. The silicon dioxide used to partially fill the reactor can also be the same or different from the silicon dioxide fed directly to the reactor and plasma.

A utilização de um plasma resulta na eliminação dos eléctrodos de carvao utilizados num forno de arco eléctrico convencional. Os eléctrodos de carvao sao a maior fonte de impurezas no processo de fundição. Por isso,The use of a plasma results in the elimination of the carbon electrodes used in a conventional electric arc furnace. Coal electrodes are the biggest source of impurities in the casting process. That is why,

a eliminação dos eléctrodos de carvao vai resultar num material de silício final com uma pureza de pelo menos 98 porceii to em peso, e possivelmente 99 porcento em peso, ou superior .the elimination of the carbon electrodes will result in a final silicon material with a purity of at least 98 weight percent, and possibly 99 weight percent, or higher.

| 0 sistema reactor pode ter uma configuração tal que o fluxo de plasma, o dióxido de silício e o agente de redução sólido sejam concorrentes segundo uma direcção descendente, sendo a descarga do silico fundido e dos sub-produtos gasosos efectuada pela metade inferior do reactor. Um exemplo desta configuração é mostrado na Fig.l.| The reactor system can be configured in such a way that the flow of plasma, silicon dioxide and the solid reducing agent are competing in a downward direction, with the discharge of molten silica and gaseous by-products being effected by the lower half of the reactor. An example of this configuration is shown in Fig.l.

sistema reactor pode alternativamente ter uma configuração em que o fluxo do plasma, do dióxido de silício e do agente de redução sólido pode ser introduzido pela metade inferior do reactor, sendo a descarga do silício fundido efectuada pelo fundo do reactor. A Fig. 2 é um exemplo desta configuração .The reactor system may alternatively have a configuration in which the flow of plasma, silicon dioxide and the solid reducing agent can be introduced through the lower half of the reactor, with the discharge of the molten silicon carried out from the bottom of the reactor. Fig. 2 is an example of this configuration.

sistema reactor é projectado de modo a se poderem manter pressões dentro duma gama que vai desde a pressão atmosférica até 6 atmosferas. Podem-se utilizar pressões superiores para maximizar a eficiência da utjl lização de energia e da matéria prima. 0 funcionamento dum sistema reactor fechado à pressão atmosférica, ou acima, facilita mais a recolha e a reutilização dos sub-produtos gasosos .reactor system is designed so that pressures can be maintained within a range ranging from atmospheric pressure to 6 atmospheres. Higher pressures can be used to maximize the efficiency of the use of energy and raw materials. The operation of a closed reactor system at atmospheric pressure, or above, further facilitates the collection and reuse of gaseous by-products.

gás de plasma pode ser um gás redutor escolhido dentro dum grupo constituído por hidrogénio, hidrocarbonetos saturados e hidrocarbonetos insaturados. 0 gás de plasma pode também ser um gás inerte escolhido dentro dum grupo constituído por argon e azoto. 0 gás utilizado para formar um plasma pode também ser uma mistura dum gasPlasma gas can be a reducing gas chosen from a group consisting of hydrogen, saturated hydrocarbons and unsaturated hydrocarbons. The plasma gas can also be an inert gas chosen from a group consisting of argon and nitrogen. The gas used to form a plasma can also be a mixture of a gas

de redução e dum gás inerte.reduction and an inert gas.

dióxido de silício que é alimentado ao plasma ou que pode, em mistura com o agente de redução sólido, ser utilizado para encher parcialmente o reactor, é escolhido dentro dum grupo que compreende quartzo nas suas variadas formas naturais e silica fundida ou gasosa nas suas diversas formas. A forma do dióxido de silício é seleccionada dentro dum grupo que compreende pós, grânulos, pedaços, cristais, peletes e briquetes.silicon dioxide which is fed to the plasma or which, in mixture with the solid reducing agent, can be used to partially fill the reactor, is chosen from a group comprising quartz in its various natural forms and fused or gaseous silica in its various forms. shapes. The form of silicon dioxide is selected from a group comprising powders, granules, pieces, crystals, pellets and briquettes.

agente de redução sólido que é alimentado ao plasma e o agente de redução sólido com o qual o reactor é cheio sao escolhidos dentro dum grupo que compre, ende negro de fumo, carvao vegetal, coque, carvao, aparas de madeira. A forma do agente de redução sólido é escolhida dentro dum grupo que compreende pós, grânulos, aparas, pedaços, peletes e briquetes.solid reducing agent that is fed to the plasma and the solid reducing agent with which the reactor is filled are chosen from a group that includes carbon black, charcoal, coke, coal, wood chips. The form of the solid reducing agent is chosen from a group comprising powders, granules, shavings, pieces, pellets and briquettes.

A mistura de dióxido de silício e dum agente de redução sólido que é alimentada ao plasma ou que pode ser utilizada para encher parcialmente o reactor pode estar na forma que é escolhida dentro dum grupo que com preende pós, grânulos, pedaços, peletes e briquetes.The mixture of silicon dioxide and a solid reducing agent that is fed to the plasma or that can be used to partially fill the reactor can be in the form that is chosen from a group comprising powders, granules, pieces, pellets and briquettes.

Recolha de silício fundido significa qualquer processo convencional de remoção do silício fundido da zona de reacçao, por exemplo por técnicas conhecidas tais como sangria descontínua ou contínua. Os sub-pr£ dutos gasosos provenientes da reacçao de formaçao de silício sao compostos essencialmente por mónoxido de carbono sub-produzido. Também incluídos nesta corrente de gás estão os gases de plasma e menores quantidades de gases tais comoCollection of molten silicon means any conventional process of removing molten silicon from the reaction zone, for example by known techniques such as batch or continuous bleeding. The gaseous by-products from the silicon formation reaction are essentially composed of underproduced carbon monoxide. Also included in this gas stream are plasma gases and smaller amounts of gases such as

vapor de água, dióxido de carbono, etc. Recolha dos sub-pro_ dutos gasosos significa o tratamento ou manuseamento dos gases por meios conhecidos de rejeição ou de recuperação de energia. Exemplos de recuperação de energia sao a utilização dos gases quentes para pré-aquecer o gás de plasma ou os reagentes, a queima dos gases combustíveis para geraçao de calor para a produção de vapor, a queima numa turbina a gás acoplada a um gerador eléctrico, etc.water vapor, carbon dioxide, etc. Collection of gaseous by-products means the treatment or handling of gases by known means of rejection or energy recovery. Examples of energy recovery are the use of hot gases to preheat plasma gas or reagents, the burning of combustible gases to generate heat for the production of steam, the burning in a gas turbine connected to an electric generator, etc.

modo preferido de realizar o presente invento consiste em configurar o sistema de modo que um dos eléctrodos do gerador de plasma por arco transferido, a fonte de gás de plasma e as alimentações de dióxido de silício e do agente de redução sólido estejam no cimo do reactor cheio com uma mistura de dióxido de silício com um agente de redução sólido. Esta disposição resulta num fluxo concorrente do gás de plasma, dos reagentes, do silício fundido final e dos sub-produtos gasosos.The preferred way of carrying out the present invention is to configure the system so that one of the electrodes of the transferred arc plasma generator, the plasma gas source and the silicon dioxide and solid reducing agent feeds are at the top of the reactor filled with a mixture of silicon dioxide with a solid reducing agent. This arrangement results in a concurrent flow of plasma gas, reagents, final molten silicon and gaseous by-products.

método preferido de alimentaçao do dióxido de silício e dum agente de redução sólido ao reactor e ao plasma consiste numa alimentaçao alternada, primeiro numa mistura de dióxido de silício com um agente de redução sólido e depois dióxido de silício, sendo as alimentações repetidas alternadamente. Para a mistura de dióxido de silício com o agente de redução sólido, a proporção de dióxido de silício e do agente de redução sólido é controlada de modo que o carbono esteja num excesso molar relativamente ao dióxido de silício dentro duma gama de 1 a 10 porcento acima da quantidade estequiométrica. Alternativamente, a alimentaçao de dióxido de silício é controlada de modo que a proporção molar de carbono para dióxido de silício seja essencialmente a quantidade esteqiométrica da reacçao total.preferred method of feeding silicon dioxide and a solid reducing agent to the reactor and plasma consists of alternating feeding, first of all a mixture of silicon dioxide with a solid reducing agent and then silicon dioxide, the feeds being repeated alternately. For the mixture of silicon dioxide with the solid reducing agent, the proportion of silicon dioxide and the solid reducing agent is controlled so that the carbon is in a molar excess relative to the silicon dioxide within a range of 1 to 10 percent above the stoichiometric amount. Alternatively, the silicon dioxide feed is controlled so that the molar ratio of carbon to silicon dioxide is essentially the stoichiometric amount of the total reaction.

ii

gás de plasma preferido é o metano ou uma mistura de argon e hidrogénio.preferred plasma gas is methane or a mixture of argon and hydrogen.

A pureza das matérias primas utilizadas é tal que o produto silício tem uma pureza de pelo menos 99%. 0 dióxido de silício alimentado é o quartzo ou a sílica na forma de um pó ou de grânulos. 0 agente de redução a alimentar conjuntamente com o dióxido de silício é o negro de fumo, carvao, carvao vegetal, ou o coque, na forma dum pó ou de grânulos. Os reagentes sólidos com os quais o reactor é cheio é uma mistura de quartzo ou sílica e carvao vegetal, carvao, coque ou madeira. A mistura de reagente sólido está na forma de pedaços aparas, ou briquetes.The purity of the raw materials used is such that the silicon product has a purity of at least 99%. The silicon dioxide fed is quartz or silica in the form of a powder or granules. The reducing agent to be fed together with silicon dioxide is carbon black, coal, charcoal, or coke, in the form of a powder or granules. The solid reagents with which the reactor is filled is a mixture of quartz or silica and charcoal, coal, coke or wood. The solid reagent mixture is in the form of shavings, or briquettes.

A pressão dentro do reactor deve ser mantida dentro da gama de 5 a 6 atmosferas para maximizar a utilização de energia e da matéria prima.The pressure inside the reactor must be kept within the range of 5 to 6 atmospheres to maximize the use of energy and raw materials.

sistema reactor para produzir silício é o sistema representado pela Fig. 1.reactor system to produce silicon is the system represented by Fig. 1.

Os seguintes exemplos sao apresentados com o fim de ilustrarem o presente invento e nao devem ser entendidos como limitativos ao presente invento delineado nas reivindicações.The following examples are presented for the purpose of illustrating the present invention and are not to be construed as limiting the present invention outlined in the claims.

EXEMPLO 1 (Nao está dentro do âmbito do presente invento)EXAMPLE 1 (Not within the scope of the present invention)

Um forno por arco submerso experi24 mental foi modificado para estudar o efeito da adiçao de gases segundo uma configuração de plasma simulada sobre a redução carbotérmica de dióxido de silício. 0 monóxido de carbono foi o gás analisado.An experimental submerged arc furnace was modified to study the effect of adding gases according to a simulated plasma configuration on the carbothermic reduction of silicon dioxide. The carbon monoxide was the gas analyzed.

As experiências de fusão do silício foram completadas num reactor de arco de 200KVA. 0 eléctrodo era oco para deixar passar um gás de forma a simular um plas^ ma. A reacçao carbotérmica de SiC^ com um agente de redução carbonoso foi iniciada. Depois de se terem atingido as condições de referência, o referido gás foi deixado fluir através do eléctrodo oco.The silicon fusion experiments were completed in a 200KVA arc reactor. The electrode was hollow to let a gas through in order to simulate a plasma. The carbothermic reaction of SiC ^ with a carbon reducing agent was initiated. After reaching the reference conditions, said gas was allowed to flow through the hollow electrode.

A carga de uma mole de SiC^ e de duas moles de carbono (6 kg de SiC^ como base de referência para a carga) foi alimentada ao reactor. Esta mistura de referência consistiu em SiC^ sob a forma de quartzo e numa mis. tura carbonosa de carvao em pedaços, coque de petróleo e apa. ras de madeira.The charge of one mole of SiC ^ and two moles of carbon (6 kg of SiC ^ as the reference base for the charge) was fed to the reactor. This reference mixture consisted of SiC ^ in the form of quartz and a powder. carbonaceous coal texture in pieces, petroleum coke and bread. wood ras.

reactor de arco foi deixado estabilizar por funcionamento durante um periodo de 24 horas. As condições estáveis e a produção de silício foram registadas. Injectou-se CO através do eléctrodo oco a um caudal de 1,524 m/min (5 scfm*). A injecçao de gás provocou o funcionamento irregular do forno com excesso de fumo (determinado ser excesso de SiO) e a paragem completa da produção de silício.arc reactor was allowed to stabilize by running for a period of 24 hours. Stable conditions and silicon production were recorded. CO was injected through the hollow electrode at a flow rate of 1.524 m / min (5 scfm *). The gas injection caused the oven to operate irregularly with excess smoke (determined to be excess SiO) and the complete stop of silicon production.

* N.T.: scfm = pé cúbico por minuto de caudal de gás às condições padrao especificadas de temperatura e pressão.* N.T .: scfm = cubic foot per minute of gas flow at the specified standard temperature and pressure conditions.

Estes resultados parecem demonstrar os efeitos prejudiciais de um gás nao-reagente ou diluente sobre a formaçao de silício e a teoria que a pressão parcial do intermediário SiO deve ter um valor mínimo para a formação de silício.These results seem to demonstrate the harmful effects of a non-reactive or diluent gas on the formation of silicon and the theory that the partial pressure of the intermediate SiO must have a minimum value for the formation of silicon.

EXEMPLO 2 (Nao está dentro do âmbito do presente invento)EXAMPLE 2 (Not within the scope of the present invention)

Um reactor de fusão potencial utilizando um plasma como fonte de energia foi instalado e analisado. Na configuração analisada, a fonte de plasma foi mon tada no cimo do reactor.A potential fusion reactor using a plasma as an energy source was installed and analyzed. In the analyzed configuration, the plasma source was mounted on top of the reactor.

A tocha de plasma foi uma tocha Westinghouse Marc 11D com uma potência máxima de 1,5 megawatt. 0 aquecimento do gás de processo foi completamente efectuado na tocha (plasma por arco de gás nao-transferido). Uma tremonha de alimentaçao foi montada sobre o reactor para alimentar os materiais continuamente.The plasma torch was a Westinghouse Marc 11D torch with a maximum power of 1.5 megawatt. The heating of the process gas was completely carried out in the torch (plasma by arc of non-transferred gas). A feed hopper was mounted on the reactor to feed the materials continuously.

Utilizou-se Argon como uma purga contínua durante a operação e para purgar o oxigénio e outros gases do sistema antes do início duma operaçao. 0 gás utilizado para o funcionamento da tocha foi uma mistura 8/1 (numa base de volume) de hidrogénio para Argon. 0 reactor tinha um orificio de respiração na sua parte inferior. 0 orifício de respiração passava através de um controlo de pressão para um filtro de água.Argon was used as a continuous purge during operation and to purge oxygen and other gases from the system before the start of an operation. The gas used for the operation of the torch was an 8/1 mixture (on a volume basis) of hydrogen for Argon. The reactor had a breathing hole at its bottom. The breathing hole was passed through a pressure control to a water filter.

ΛΛ

Carregou-se ο reactor antes da operação com sólidos na forma de carvao em pedaços e briquetes de misturas de materiais de dióxido de silício com um material carbonoso sólido. Durante a operaçao, o plasma foi alimentado com pequenos briquetes de material carbonoso e quartzo moído. No fim da operaçao, determinaram-se os pesos combinados dos sólidos dentro do reactor e dos sólidos alimentados. Este inventário de sólidos mostrou que se perdem durante o curso da reacçao um total de aproximadamente 34% em peso de sólidos.The reactor was charged before operation with coal solids in pieces and briquettes of mixtures of silicon dioxide materials with a solid carbonaceous material. During the operation, the plasma was fed with small briquettes of carbonaceous material and ground quartz. At the end of the operation, the combined weights of the solids within the reactor and the solids fed were determined. This inventory of solids showed that a total of approximately 34% by weight of solids is lost during the course of the reaction.

plasma da carga do sairam pelo carbonoso e plasma. Nao reactor, fundo do reactor do de da leito e material cauda do foi dirigido para o topo os gases fluíram atravésplasma from the charge left by carbonaceous and plasma. In the reactor, bottom of the bed reactor and tail material was directed to the top the gases flowed through

As alimentações de quartzo passaram pelo interior se encontrou silício no leito. A parte de cima do leito pareceu ável indicou que de SiC e a perda ser SiC poroso. A perda de material aprecia reacçao química teve lugar. A aparência de peso dos sólidos anteriormente observada indica que as reacçoes:Quartz feeds passed through the interior if silicon was found in the bed. The upper part of the bed seemed to be at ease, indicating that SiC and the loss were porous SiC. The loss of material appreciates chemical reaction has taken place. The weight appearance of the solids previously observed indicates that the reactions:

S1O2 + C = SiO + COS1O2 + C = SiO + CO

SiO + 2C = SiC + CO tiveram lugar.SiO + 2C = SiC + CO took place.

A ausência do silício indica que a reacçao:The absence of silicon indicates that the reaction:

SiO + SiC — 2Si + CO nao se deuSiO + SiC - 2Si + CO did not occur

Os resultados da operaçao anterior demonstraram que o silício nao se formou num esquema de reactor em que o gerador de plasma nao apresentava uma configuração por arco nao-transferido, em que se forneceu um grande volume de gás inerte ou de gás nao-reactivo.The results of the previous operation demonstrated that silicon was not formed in a reactor scheme in which the plasma generator did not have a non-transferred arc configuration, in which a large volume of inert gas or non-reactive gas was supplied.

EXEMPLO foi modificado na zona de reacçao, gás dum plasma sistema plasma/reactor para minimizar o volume de gases numa tentativa para simular o por arco transferido.EXAMPLE was modified in the reaction zone, gas from a plasma plasma / reactor system to minimize the volume of gases in an attempt to simulate the transferred arc.

do Exemplo diluentes fluxo deof the Sample flow diluents

Colocou-se um grande número de tubos de grafite no interior do reactor na periferia da parede do reactor. Com esta disposição, os gases de plasma penetraram na parte superior da carga do reactor, mas devido à resistência ao fluxo de gás do leito, aqueles foram obrigados a recuar em direcção ao cimo do reactor e depois a descer através dos tubos de grafite. Os gases transferiram o seu conteúdo de calor ao cimo da carga por contacto directo e depois através das paredes dos tubos por condução e convec çao. Desta maneira, o gás de plasma nao diluiu os gases de reacçao dentro da zona reaccional. Os gases de plasma e os gases da reacção foram subsequentemente combinados no fundo do reactor para serem extraídos.A large number of graphite tubes were placed inside the reactor on the periphery of the reactor wall. With this arrangement, the plasma gases penetrated the upper part of the reactor charge, but due to the resistance to the gas flow from the bed, they were forced to retreat towards the top of the reactor and then descend through the graphite tubes. The gases transferred their heat content to the top of the load by direct contact and then through the pipe walls by conduction and convection. In this way, the plasma gas did not dilute the reaction gases within the reaction zone. The plasma gases and the reaction gases were subsequently combined at the bottom of the reactor to be extracted.

Como no Exemplo 2, o reactor foi inicialmente carregado com reagentes sólidos. Os solidos, novamente, foram subsequentemente alimentados ao plasma durante o curso da reacçao. Os sólidos com os quais se alimentaram o reactor antes da operaçao foram carvao em pedaços, quartzo fragmentado e carvao vegetal. Os sólidos que foramAs in Example 2, the reactor was initially charged with solid reagents. The solids, again, were subsequently fed to the plasma during the course of the reaction. The solids with which the reactor was fed before the operation were cut coal, fragmented quartz and charcoal. The solids that were

alimentados ao plasma durante a operaçao foram cristais de S1O2 e carvao. Após a operaçao, os conteúdos do reactor e das alimentações de solidos foram inventariados. Este inventário indicou uma perda de peso líquido dos sólidos de aproximadamente 32%.fed to the plasma during the operation were crystals of S1O2 and coal. After the operation, the contents of the reactor and solid feeds were inventoried. This inventory indicated a net weight loss of solids of approximately 32%.

pressão do recipiente subiu acima de 2 atmosferas, foram combinados no rificador com pó de cio foram fite. Uma análise elemental e determinou-se ter um superior a 99,6 porcento emcontainer pressure rose above 2 atmospheres, were combined in the rectifier with heat powder were fite. An elemental analysis and it was determined to have a higher than 99.6 percent in

ATHE

Os gases de plasma e os gases da reacçao fundo do reactor e extraídos para o puOs tubos de grafite e de exaustao foram entupidos carvao e de carvao vegetal. Os depósitos de silíencontrados perto ou adjacentes aos tubos de graamostra do silício depositado foi analizada por conteúdo de silício peso.Plasma gases and reaction gases from the bottom of the reactor and extracted into the pu The graphite and exhaust tubes were clogged with coal and charcoal. The silicon deposits found near or adjacent to the deposited silicon sample tubes were analyzed for silicon weight content.

depósitos de de reacçao a pressão parcial de SiO silício indicam que uma temperatura el£ da ausência de gade silício, tendoatingir um nível mínidesse. formaçao de silício. Areaction deposits at partial pressure of SiO silicon indicate a temperature and l of the absence of silicon gage, having reached a minimum level. silicon formation. THE

Além disso, aIn addition

Os o silício se formou na zona vada. Este resultado dá suporte ao facto ses estranhos terem permitido a formaçao -se deixado a mo para que a formaçao de silício se pressão durante a reacçao auxiliou a diminuição da quantidade de gases diluentes na zona de reacção por alterações de disposição, aproximou 0 fluxo de de um dum gerador de plasma por arco transferido.Silicon formed in the vada zone. This result supports the fact that strangers have allowed the formation to be left at hand so that the silicon formation is pressed during the reaction helped to decrease the amount of diluent gases in the reaction zone due to changes in disposition, approaching the flow of of a transferred arc plasma generator.

resultado indicou que a reacçao:result indicated that the reaction:

gás da operaçao anteriorgas from the previous operation

SiO + SiC = 2Si + COSiO + SiC = 2Si + CO

se deu e que foi facilitada pelo fluxo de gás simulado duma configuração por arco transferido e pela utilização de prejs sao durante a reacçao.occurred and was facilitated by the simulated gas flow of a transferred arc configuration and by the use of healthy losses during the reaction.

Claims (4)

1-. - Processo para a produção de silício por utilização de plasma de gás como fonte de energia, caracterizado por compreender:1-. - Process for the production of silicon using gas plasma as an energy source, characterized by comprising: (I) a geraçao dum plasma de gás num reactor por utilização duma configuração de arco transferido em que se utiliza um minimo de gás para formar o plas_ ma;(I) the generation of a gas plasma in a reactor using a transferred arc configuration in which a minimum of gas is used to form the plasma; (II) a alimentaçao de dióxido de silício e dum agente de redução sólido directamente ao reactor e ao plasma;(II) feeding silicon dioxide and a solid reducing agent directly to the reactor and plasma; (III) a passagem do gás plasmático, do dióxido de sil£ cio e do agente de redução solido para dentro da zona de reacçao do reactor;(III) the passage of plasma gas, silicon dioxide and the solid reducing agent into the reaction zone of the reactor; (IV) a recolha do silício fundido e dos sub-produtos gasosos de dentro da zona de reacçao.(IV) the collection of molten silicon and gaseous by-products from within the reaction zone. 2³. - Processo de acordo cora a reivindicação 1, caracterizado por o dióxido de silício e o agente de redução sólido serem alimentados, alternativamente, primeiro como uma mistura de dióxido de silicio e de agente de redução sólido e depois dióxido de silício, sendo as alimentações repetidas alternativamente.2 ³ . Process according to claim 1, characterized in that the silicon dioxide and the solid reducing agent are alternatively fed first as a mixture of silicon dioxide and solid reducing agent and then silicon dioxide, the feeds being repeated alternatively. 3^a. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por na mistura de dióxido de silício e de agente de redução sólido, a proporção de dióxido de silício e de agente de redução sólido ser controlada de modo que o carbono esteja num excesso molar relativamente ao dióxido de silício de até 20 porcento acima da quantidade estequiométrica.3 ^a . Process according to claim 2, characterized in that in the mixture of silicon dioxide and solid reducing agent, the proportion of silicon dioxide and solid reducing agent is controlled so that the carbon is in a molar excess relative to the dioxide silicon up to 20 percent above the stoichiometric amount. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por na mistura de dióxido de silício e de agente de redução sólido, a proporção de dioxido de silício e de agente de redução sólido ser controlada de modo que o carbono esteja num excesso molar relativamente ao dióxido de silício dentro da gama de 1 a 10 por cento acima da quantidade estequiométrica.Process according to claim 2, characterized in that, in the mixture of silicon dioxide and solid reducing agent, the proportion of silicon dioxide and solid reducing agent is controlled so that the carbon is in a molar excess relative to the dioxide silicon within the range of 1 to 10 percent above the stoichiometric amount. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a alimentaçao de dióxido de silício ser controlada de modo que proporção combinada de carbono e reacçao total.Process according to claim 2, characterized in that the supply of silicon dioxide is controlled in such a way that the combined proportion of carbon and total reaction is achieved. 6³. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dióxido de silício e o agente de redução sólido serem alimentados como uma mistura combinada.6 ³ . Process according to claim 1, characterized in that the silicon dioxide and the solid reducing agent are fed as a combined mixture.