BRPI0708603A2 - métodos para produzir e refinar um metal em um método eletrolìtico, para refino eletrolìtico de metais, e para produzir eletroliticamente uma liga - Google Patents
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Abstract
MéTODOS PARA PRODUZIR E REFINAR UM METAL EM UM MéTODO ELETROLìTICO, PARA REFINO ELETROLìTICO DE METAIS, E PARA PRODUZIR ELETROLITICAMENTE UMA LIGA. A presente invenção diz respeito a um método para produção e refino eletrolítico de metais com um ponto de fusão acima de cerca de 1.00 <198>C, particularmente silício, onde é provida uma primeira célula eletrolítica com uma camada superior de eletrólito fundido de um primeiro eletrólito, uma camada inferior de liga fundida de uma liga do metal a ser refinado, e pelo menos um metal mais nobre que o metal a ser refinado. A camada de liga inferior é o catodo na primeira célula e um anodo é posicionado na camada superior de eletrólito fundido. Uma segunda célula eletrolítica é também provida com uma camada superior de metal fundido do mesmo metal que o metal a ser refinado, a dita camada constituindo um catodo, uma camada inferior de liga fundida, a dita camada inferior constituindo um anodo, a dita liga tendo uma maior densidade que ometal aserrefinado, e uma camada intermediária de eletrólito fundido com uma densidade entre a densidade das camadas fundidas superior e inferior. Ambos os eletrólitos são eletrólitos a base de óxido contendo óxido do metal a ser refinado, e o eletrólito está em um estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo da temperatura operacional do processo. Matéria-prima compreendendo um óxido do metal a ser refinado é adicionada à primeira célula e corrente elétrica continua é conduzida através do anodo para o catodo de maneira tal que o metal a ser refinado mova-se do anodo e seja depositado no estado fundido no catodo. As duas células podem ser operadas em duas etapas separadas. Uma para produzir uma liga e a outra para refinar metal da liga.
Description
"MÉTODOS PARA PRODUZIR E REFINAR UM METAL EM UMMÉTODO ELETROLÍTICO, PARA REFINO ELETROLÍTICO DEMETAIS, E PARA PRODUZIR ELETROLITICAMENTE UMA LIGA"
Campo Da Invenção
A presente invenção diz respeito a um método para produção erefino eletrolítico de metal com um alto ponto de fusão, acima de cerca de1.000 °C, particularmente silício.
Fundamentos Da Invenção
Existe uma demanda crescente de metais de alta pureza,particularmente silício de alta pureza de grau solar e grau eletrônico. Estoquede alimentação de silício grau solar para células solares tem sido baseado emsucatas/rejeitos de silício grau eletrônico da indústria de semicondutores.Silício grau eletrônico é produzido pela produção de silano a partir de silíciometalúrgico e redução da fase gasosa do silano a silício. Entretanto, esteprocesso é bastante caro. Além do mais, a disponibilidade de sucata/rejeitosda indústria de semicondutores é atualmente muito pequena para suprir omercado de células solares em rápido crescimento.
Pela patente US 3.219.561, é conhecido um método paraproduzir silício e germânio refinados pela passagem de uma corrente contínuaentre um anodo em contato com um banho de sal fundido contendo umfluoreto e um óxido de silício ou germânio e um catodo em contato com umoutro banho de sal fundido contendo um fluoreto, onde os banhos sãoseparados por uma liga fundida de silício ou germânio e um outro metal parareduzir o óxido de silício ou germânio a silício ou germânio e depositá-lo nocatodo. Neste processo eletrolítico, o silício ou germânico são depositadoscomo um sólido no catodo. O metal sólido tem que ser removido do catodo etem que ser triturado e tratado por ácidos a fim de remover impurezasaprisionadas no metal depositado no catodo.
Na patente US 3.254.010, é revelado um outro método pararefinar silício e germânio impuros onde uma corrente passa entre um catodo eum anodo através de um eletrólito de sal fundido contendo um fluoreto, ondeo anodo é feito de silício ou germânio impuro ou ligas de silício ou germânioimpuro com metais mais nobres que o silício ou germânio para depositar nocatodo silício ou germânio refinado. Também, neste processo, silício refinadosólido ou germânio refinado sólido são depositados no catodo. O eletrólito épreferivelmente criolita. O processo da patente US 3.254.010 assim tem osmesmos inconvenientes do método da patente US 3.219.561.
Finalmente, para metais com pontos de fusão relativamentebaixos, tal como alumínio, o refino eletrolítico é um processo convencional eestá descrito na patente US 1.534.318. Nesta patente, está descrito umprocesso para o refino eletrolítico de alumínio, onde é estabelecida umacamada inferior de metal fundido contendo alumínio como um anodo, umacamada superior de alumínio fundido como o catado, e uma camadaintermediária de eletrólito fundido de uma maior densidade do que o alumíniofundido, cujo eletrólito é essencialmente fluoretos e substancialmente isentade cloretos.
A corrente passa do metal do anodo através do eletrólito para ocatodo de alumínio, onde alumínio é removido do metal do anodo edepositado no estado fundido no catodo. O eletrólito fundido contém fluoretosde alumínio e sódio e entre 20 e 60 % de fluoreto de um metal alcalino terrosocom um peso atômico maior que 80, por exemplo, fluoreto de bário.
O processo citado revelado na patente US 1.534.318,entretanto, não pode ser usado para refino eletrolítico de metais com um altoponto de fusão, superior a 1.000 °C, uma vez que muito vapor de fluoreto seformaria no eletrólito fundido a base de fluoreto a tais altas temperaturas,destruindo as propriedades do eletrólito.
Existe portanto uma necessidade de um processo por meio doque metais de alto ponto de fusão e alta pureza tal como silício podem serrefinados por um processo de refino eletrolítico.Descrição Da Invenção
É um objetivo da presente invenção prover um métodoeletrolítico para a produção e refino de metais de altos pontos de fusão, acimade cerca de 1.000 °C, particularmente silício, onde o metal refinado está emum estado fundido.
A presente invenção assim diz respeito a um métodoeletrolítico para produção e refino de metais com um ponto de fusão acima decerca de 1.000 °C, particularmente silício, o dito método sendo caracterizadoem que ele:
(a) provê a uma primeira célula eletrolítica uma camadasuperior de eletrólito fundido compreendendo um primeiro eletrólito a base deóxido contendo um óxido do metal a ser refinado, em que o primeiro eletrólitoestá em um estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo da temperaturaoperacional do processo, um anodo posicionado na camada eletrolíticafundida superior, e uma camada de liga metálica fundida inferiorcompreendendo uma liga do metal a ser refinado, e pelo menos um metalmais nobre que o metal a ser refinado, a dita liga constituindo um catodo naprimeira célula eletrolítica, o dito primeiro eletrólito tendo uma densidademenor que a densidade da liga;
(b) adiciona uma matéria-prima à dita camada superior deeletrólito fundido, a matéria-prima compreendendo um óxido de metal dometal a ser refinado;
(c) passa uma corrente contínua pelo anodo até o catodo parareduzir o óxido de metal para produzir uma liga com uma maior concentraçãodo metal a ser refinado;
(d) transfere a liga para a camada inferior de liga fundida daprimeira célula eletrolítica para uma segunda célula eletrolítica de maneira aprover uma camada inferior de liga fundida compreendendo a liga para umasegunda célula eletrolítica, a dita liga constituindo um anodo na segundacélula eletrolítica;
(e) provê à segunda célula eletrolítica uma camada superior demetal fundido compreendendo um metal igual ao metal a ser refinado, a ditacamada superior de metal fundido constituindo um catodo, e uma camadaintermediária de eletrólito fundido compreendendo um segundo eletrólito abase de óxido contendo um óxido do metal a ser refinado, onde o segundoeletrólito está em um estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo datemperatura operacional do processo, o dito segundo eletrólito tendo umadensidade entre a densidade da camada superior de metal fundido e a camadainferior de liga fundida; e
(f) passa uma corrente elétrica contínua pelo anodo até ocatodo da segunda célula eletrolítica por meio do que o metal a ser refinadomove-se da liga do anodo para a camada superior de metal fundido.
Com uso das duas células eletrolíticas da presente invenção, aprimeira célula produz uma liga a partir da matéria-prima e a segunda célularefina a liga para produzir um metal.
Na primeira célula, corrente contínua passa pelo anodo, oprimeiro eletrólito e a liga do catodo para produzir uma liga com uma maiorconcentração do metal a ser refinado na camada da liga a partir da matéria-prima.
Na segunda célula, corrente contínua passa pela liga do anodo,o segundo eletrólito e o metal para refinar a liga no metal.
As duas células podem também ser operadasindependentemente uma da outra. Assim, o método da presente invenção podeser definido como um processo de duas etapas. A primeira etapa é a produçãode uma liga a partir da matéria-prima em uma célula eletrolítica; e a segundaetapa é o refino de uma liga para fazer um metal.
A liga é preferivelmente transferida da primeira célulaeletrolítica para a segunda célula eletrolítica em um estado fluido, mas a ligapode também ser vazada da primeira célula eletrolítica, solidificada e supridaà segunda célula eletrolítica no estado sólido.
No geral, o método para produzir eletroliticamente uma ligacompreendendo um primeiro e segundo metais, de acordo com a presenteinvenção, caracterizado em que:
(a) provê a uma primeira célula eletrolítica uma camadasuperior de eletrólito fundido compreendendo um primeiro eletrólito a base deóxido contendo um óxido do primeiro metal, em que o primeiro eletrólito estáem um estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo da temperaturaoperacional do processo, um anodo posicionado na camada superior deeletrólito fundido, e uma camada inferior de liga fundida compreendendo umaliga do primeiro metal e do segundo metal, em que o segundo metal é maisnobre que o primeiro metal, a dita liga constituindo um catodo na primeiracélula eletrolítica, o dito primeiro eletrólito tendo uma densidade menor que adensidade da liga;
(b) adiciona uma matéria-prima à dita camada superior deeletrólito fundido, a matéria-prima compreendendo um óxido de metal doprimeiro metal; e
(c) passa uma corrente contínua do anodo para a liga do catodona primeira célula eletrolítica para produzir uma liga com uma maiorconcentração do primeiro metal.
A matéria-prima é qualquer fonte convencional de óxido demetal contendo o metal a ser refinado, ou do primeiro metal, por exemplo,quartzo para silício, ou rutilo para titânio.
O método de refino da presente invenção pode usar liga feitade um processo diferente da primeira etapa da presente invenção.
No geral, o método para refinar eletroliticamente a liga nometal de acordo com a presente invenção é caracterizado em que:
(a) provê a uma segunda célula eletrolítica uma camadasuperior de metal fundido compreendendo um metal igual ao metal a serrefinado, a dita camada superior de metal fundido constituindo um catodo,uma camada inferior de liga fundida compreendendo uma liga do metal a serrefinado, e pelo menos um metal mais nobre que o metal a ser refinado, a ditacamada inferior constituindo um anodo, e uma camada intermediária deeletrólito fundido compreendendo um segundo eletrólito a base de óxidocontendo um óxido do metal a ser refinado, onde o segundo eletrólito está emum estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo da temperaturaoperacional do processo, o dito segundo eletrólito tendo uma densidade entrea densidade da camada superior de metal fundido e a camada inferior de ligafundida; e
(b) passar uma corrente elétrica contínua da liga do anodoatravés do segundo eletrólito para o catodo, por meio do que o metal a serrefinado move-se da liga e é depositado no estado fundido no catodo.
O metal a ser produzido e refinado é, além do silício, titânio eescândio.
No processo de refino, tanto a liga quanto um metal menospuro do metal a ser refinado podem ser adicionados à camada da liga. Porexemplo, silício grau metalúrgico pode ser adicionado à camada da liga,sendo assim refinado.
Um dos aspectos exclusivos da presente invenção é que umavariedade de matérias primas pode ser usada na primeira célula. A produçãocarbotérmica normal de metal coloca restrições a respeito do tipo de matéria-prima usada e introduz impurezas no metal, especialmente por meio da fontede carbono. Qualquer forma de particulado de matéria-prima pode seradicionada na primeira célula, e as impurezas da fonte de carbono sãoeliminadas, uma vez que não é necessária nenhuma fonte de carbono. Istosignifica que a liga pode ser mais pura que ligas convencionais, e assiste noprocesso de refino da presente invenção.Conforme montado, a liga usada no refino não precisa ser aliga feita de acordo com a presente invenção.
Quando o processo é primeiramente iniciado, a camada de ligapode compreender uma liga do metal a ser refinado e um metal ou metaismais nobres que o metal a ser refinado, denominado segundo metal, ou osegundo metal, sozinho. Durante o desenvolvimento do processo, a próprialiga formará à medida que o metal a ser refinado ou o primeiro metal mover-se para a camada de liga.
A camada inferior de liga fundida compreendendo a liga dometal a ser refinado ou o primeiro metal e pelo menos um metal mais nobreque o metal a ser refinado ou o segundo metal tem que ter uma composiçãoque atende as seguintes exigências:
- uma densidade maior que a densidade do primeiro e segundoeletrólito fundido; e
- um ponto de fusão próximo ou abaixo do ponto de fusão dometal a ser refinado, de forma que ele se funda e possa escoar nastemperaturas operacionais do método da invenção.
Particularmente, para o refino de silício, a camada da ligafundida inferior pode consistir, por exemplo, em liga de Si-Cu, liga FeSi ouliga Cu-Fe-Si. Essas ligas têm pontos de fusão bem abaixo do ponto de fusãodo silício e, correspondentemente, também abaixo da temperatura de fusão doprimeiro e segundo eletrólito.
O primeiro eletrólito a base de óxido tem que ter umacomposição que atende as seguintes exigências:
- tem que ter uma densidade na temperatura operacional que émenor que a densidade da camada de liga inferior da liga contendo o metal aser refinado;
- tem que ter um ponto de fusão abaixo da temperaturaoperacional;- tem que ter solubilidade para íons do metal a ser refinado;
- os constituintes principais do eletrólito a base de óxido têmque ser menos nobres que o metal a ser refinado; e
- tem que conter um óxido do metal a ser refinado, porexemplo, SiO2, para silício.
O segundo eletrólito a base de óxido tem que ter umacomposição que atende as exigências do primeiro eletrólito a base de óxido, etem que ter uma densidade na temperatura operacional que é maior que adensidade do metal a ser refinado.
Os eletrólitos a base de óxido têm adicionalmente as vantagensde que óxidos são não tóxicos e têm baixas pressões de vapor. Uma outravantagem é que eletrólitos a base de óxido usados são não tóxicos e não têmque ser depositados como resíduo especial. A natureza não tóxica doseletrólitos é verdadeira, exceto por aqueles que contêm óxido de bário, emvirtude de óxido de bário ser considerado tóxico.
Para a presente invenção, e especialmente para silício, oseletrólitos a base de óxido seguintes são adequados:
- CaO-SiO2, preferivelmente contendo 40-75 % em peso de SiO2;
- CaO-MgO-SiO2 com um teor de MgO de até 40 %;
- Cao-Al2O3-SiO2 com um teor de Al2O3 de até 50 %;
- Al2O3-CaO-SiO2-TiO2;
- BaO-SiO2, preferivelmente contendo 25-60 % em peso de SiO2;
- BaO-TiO2-SiO2, preferivelmente cerca de 10-50 % em pesode BaO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em peso deSiO2;
- CaO-TiO2-SiO2, preferivelmente cerca de 10-50 % em pesode CaO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em peso deSiO2;
- MgO-TiO2-SiO2, preferivelmente cerca de 10-50 % em pesode MgO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em peso deSiO2;
- Al2O3-CaO-MgO-SiO2; e
- CaO-MgO-SiO2-TiO2.
Além de haletos, fluoretos particularmente alcalinos ealcalinos terrosos, podem ser adicionados aos eletrólitos a base de óxido a fimde modificar a viscosidade, densidade, ponto de fusão e condutividade elétricados eletrólitos. A quantidade de haletos adicionada aos eletrólitos a base deóxido é preferivelmente abaixo de 20 % em peso e mais preferivelmenteabaixo de 7 % em peso.
Particularmente para silício, os eletrólitos a base de óxidodevem ter uma densidade acima de cerca de 2,57 g/cm3 que é a densidade do
o
silício fundido no ponto de fusão do silício, e abaixo de cerca de 3,37 g/cmse for usado FeSi 75 % como a liga e abaixo de cerca de 5,5 g/cm se forusado FeSi 50 % como liga. Para silício, os eletrólitos a base de óxido têmque ter um ponto de fusão próximo ou abaixo do ponto de fusão do silício queé 1.414 0C.
Um eletrólito a base de óxido adequado particular para silícioé um eletrólito de CaO-SiO2 contendo 40-75 % de SiO2. Este eletrólito temuma densidade entre cerca de 2,5 g/cm 3 e cerca de 2,7 g/cm3, e tem uma altasolubilidade de íons de Si, baixa solubilidade de Si e baixa volatilidade a umatemperatura operacional acima do ponto de fusão do silício.
O primeiro e segundo eletrólito podem ter a mesmacomposição, ou eles podem ser diferentes. O segundo eletrólito tem que teruma densidade no estado fundido tal que ele forme a camada intermediária deeletrólito fundido e se posicione entre a camada superior de metal fundido e acamada inferior de liga fundida. O primeiro eletrólito não fica assimimpedido. O primeiro eletrólito tem que ter uma densidade no estado fundidode maneira tal que ele flutue no topo da camada inferior de liga fundida, istoé, que tenha uma densidade menor que a da liga fundida. Entretanto, oprimeiro eletrólito não precisa ter uma densidade no estado fundido que émaior que o metal no estado fundido.
Tanto a produção da liga quanto o método de refino dapresente invenção podem ser realizados em vasos convencionais adequadosque têm um revestimento refratário resistente ao calor, tais como alumina,nitreto de magnésia e silício, carboneto de silício ou grafite. As paredeslaterais do vaso podem favoravelmente ser providas com sistemas deresfriamento convencionais, tais como elementos resinados por evaporação afim de criar um revestimento congelado no interior das paredes laterais dosvasos.
Na presente invenção, quando o método implicasimultaneamente produzir e refinar onde são empregados vasos separados,eles podem estar em comunicação fluida um com o outro, tal como através deum tubo na parede lateral de ambos os vasos. A porta do tubo em ambasparedes laterais tem que ser posicionada abaixo do nível da camada inferiorde liga fundida, em outras palavras, o topo da camada de liga fundida deveestar acima do nível das portas para o tubo que fornece comunicação fluidaentre os vasos. Em um arranjo como esse, um vaso age como a primeiracélula eletrolítica para produzir a liga e o outro vaso age como a segundacélula eletrolítica para refino.
Preferivelmente, um único vaso é usado para simultaneamentefazer a liga e refinar o metal, em que o vaso foi dividido na primeira célulaeletrolítica e na secunda célula eletrolítica, e as duas células ficam emcomunicação fluida uma com a outra por meio da camada de liga. Um arranjocomo esse está mostrado na patente US 3.219.561, publicada em 23 denovembro de 1965, cujos conteúdos estão aqui incorporados pela referência.Nos arranjos para produzir simultaneamente a liga e refinar ometal, os dois eletrólitos são separados um do outro e não se contaminam.
Em qualquer arranjo, os anodos e os catodos são conectados auma fonte de corrente contínua de uma maneira convencional a fim de suprircorrente contínua para o método.
Quando corrente contínua passa pela célula ou célulaseletrolíticas, o metal a ser refinado, por exemplo, silício na liga entra nosegundo eletrólito a base de óxido juntamente com íons de qualquer impurezana liga que seja eletroquimicamente menos nobre que o silício. Uma vez quesilício é o elemento menos nobre do segundo eletrólito, íons de silício serãoreduzidos no catodo e formarão silício puro fundido, que é coletado no catodode silício fundido. Assim, impurezas mais nobres que silício são aprisionadasna camada da liga, enquanto impurezas menos nobres que silício sãoaprisionadas no segundo eletrólito.
O método de refino da presente invenção pode ser realizadotanto como um processo em lotes quanto como um processo contínuo.
Quando o método de refino é realizado como um processo emlotes, liga é adicionada à camada de liga de forma contínua ou intermitente.Eventualmente, os eletrólitos e a liga se tornarão muito altas em impurezas. Oprocesso é então interrompido e os eletrólitos e a parte remanescente da ligasão removidos da célula. A nova liga e os novos eletrólitos a base de óxidosão adicionados juntamente com um catodo de partida do metal a ser refinado,após o que corrente elétrica passa novamente pela célula eletrolítica.
Quando são usadas duas células separadas, uma primeira paraa produção da liga e uma segunda para o refino, a liga da segunda célula que éesgotada no metal a ser refinado é aprisionada intermitentemente e adicionadana primeira célula eletrolítica.
Quando o método de refino da presente invenção é realizadocomo um processo contínuo, existem meios arranjados para suprimentocontínuo ou intermitente de liga, meios para remoção contínua ou intermitentede eletrólitos a base de óxido e meios para suprimento contínuo ouintermitente de eletrólitos a base de óxido frescos. Finalmente, são arranjadosmeios para vazamento contínuo ou intermitente de metal refinado da camadasuperior de metal fundido. O motivo para remoção de liga é que a liga,durante a eletrólise, conseguirá um maior teor de elementos impurezas maisnobres do que o metal a ser refinado. Também, durante eletrólise, oseletrólitos terão um maior teor de elementos menos nobres que o metal a serrefinados e, para reduzir este conteúdo de elementos impureza, parte doseletrólitos são removidos e podem, depois da purificação, ser retornados àscamadas de eletrólito na célula a ser depositada.
De uma maneira similar, o método tanto para fabricar a ligaquanto refinar o metal pode ser realizado tanto como um processo em lotequanto um processo contínuo.
Pela presente invenção, é assim provido um método simples ebarato para obter uma forma pura de metais, especialmente silício. Ligas debaixo custo do metal a ser refinado e de um metal mais nobre que o metal aser refinado podem ser usadas como a liga. Para silício, ligas de silício taiscomo ligas FeSi e ligas Cu-Si podem ser usadas como liga. Tais ligas podemser produzidas de acordo com a presente invenção ou de qualquer maneiraconvencional usando qualquer meio convencional.
Descrição Resumida Dos Desenhos
A figura 1 mostra uma vista esquemática do método de refinode acordo com a invenção;
A figura 2 mostra uma vista esquemática do método parafabricar a liga e refinar o metal de acordo com a invenção; e
A figura 3 mostra um esquema de um método para produzir aliga.
Descrição Detalhada Da InvençãoNa figura 1, está mostrada uma vista esquemática de umacélula eletrolítica para realizar o método da presente invenção para refino desilício. A célula eletrolítica compreende um vaso 1 com uma camada derefratário 2. Na célula eletrolítica existe uma camada inferior 3 de uma liga desilício e um metal mais nobre que silício, tal como uma liga Cu-Si, que agecomo um anodo na célula eletrolítica. Acima da camada inferior de anodo 3existe um eletrólito a base de óxido 4 com uma densidade menor que adensidade da liga do anodo 3 e uma densidade maior que o silício fundido.Um eletrólito adequado 4 é uma mistura de 50 % em peso de CaO e 50 % empeso de SiO2. Por cima da camada de eletrólito 4, existe uma camada 5 desilício metálico puro que age como um catodo. O anodo 4 e o catodo 5 são,por meio dos contatos 6 e 7, respectivamente, conectados a uma fonte decorrente contínua (não mostrada) para conduzir corrente para a célulaeletrolítica. Quando corrente contínua passa através da célula eletrolítica,silício na liga do anodo 3 entra no eletrólito a base de óxido 4 juntamente comíons de qualquer impureza na liga do anodo 3 que é eletroquimicamentemenos nobre que silício. Uma vez que silício é o elemento mais nobre doeletrólito 4, íons de silício serão reduzidos no catodo 5 e formarão silíciopuro, que é coletado no catodo de silício fundido 5. Assim, impurezas maisnobres que silício são aprisionadas na camada do anodo 3, enquantoimpurezas menos nobres que silício são aprisionadas no eletrólito 4. Silíciorefinado puro é de tempos em tempos vazado da camada de catodo fundido 5.Liga de anodo sólido ou fundido adicional ou grau não refinado de sólido oufundido do metal a ser refinado é suprido de forma contínua ou intermitente àcamada do anodo fundida 3 através de um canal de suprimento de liga doanodo 8.
Depois de algum tempo de operação da célula eletrolítica, acamada do anodo terá um maior teor de impurezas de metais mais nobres quesilício e o eletrólito terá um maior teor de elementos menos nobres que silício.A célula eletrolítica tem que por isso ser interrompida e reiniciada com liga deanodo puro e novo eletrólito não contaminado.
Na figura 2, o vaso 10 tem camada refratária 11. A camada deliga 12 compreende a liga e as camadas de eletrólito 13 contém o segundoeletrólito e a camada de eletrólito 14 contém o primeiro eletrólito. A camada15 é metal puro e age como catodo. O anodo 16 e o catodo 17 por meio decontatos convencionais são conectados a uma fonte de corrente contínua, nãomostrada. A parede 18 separa as duas células, a primeira célula eletrolítica 19e a segunda célula eletrolítica 20. A camada de liga 12 escoa entre as duascélulas sob a parede 18. Na primeira célula eletrolítica 19, matéria-prima, porexemplo, quartzo, S1O2, é reduzida eletroliticamente ao estado metálico, talcomo silício, para aumentar a concentração do metal a ser refinado na camadade liga 12 e em seguida na segunda célula eletrolítica 20, o metal a serrefinado, tal como liga de silício, move-se da camada de anodo através dasegunda camada de eletrólito 13 para a camada de metal puro 15. A camadade liga 12 enche as células a um nível acima da borda inferior da parede 18eassim separa os dois eletrólitos das duas células. O anodo 16 é imerso nacamada de eletrólito 14 e o catodo 17 é imerso na camada de metal 15, masnenhuma fica em contato direto com a camada de liga 12. A camada de liga12 age como um eletrodo comum.
O metal a ser refinado e os elementos mais nobres que o metala ser refinado que estão no primeiro eletrólito da camada de eletrólito 14precipitam e se ligam com a liga fundida.
O anodo 16 pode ser tanto inerte quando consumível, taiscomo carbono cozido ou grafite.
Na figura 3, no vaso 30, que foi um cadinho de grafite, acamada de eletrólito 31 teve uma composição de 55 % em peso de CaO e 45% em peso de S1O2. A matéria-prima de S1O2, quartzo, foi adicionadafreqüentemente à camada 31 para manter a composição do eletrólito e proveruma fonte de matéria-prima ao processo. Uma tensão de 4,5 V foi aplicadaentre o anodo de grafite 32 e o catodo 33, para dar uma densidade de correntedo catodo de aproximadamente 1 A/cm2. A temperatura da célula foi mantidaconstante a 1.650 °C. A célula começou com um catodo líquido 34 feito decobre. O primeiro metal é silício e o segundo metal é cobre nesta célula.
A medida que corrente passa pela célula, íons de óxido desilício são transportados para o catodo, onde eles são reduzidos a silício.Depois de 12 horas de eletrólise, o catodo de cobre continha cerca de 20 %em peso de Si, dando uma eficiência de corrente de cerca de 40 %. Assim, aliga foi produzida de SiCu.
Conforme pode-se ver, esta célula começou com segundometal puro na camada de liga e através da operação da célula a liga é formadana camada de liga.
Claims (44)
1. Método para produzir e refinar um metal em um métodoeletrolítico, caracterizado pelo fato de que compreende:prover a uma primeira célula eletrolítica uma camada superiorde eletrólito fundido compreendendo um primeiro eletrólito a base de óxidocontendo um óxido do metal a ser refinado, em que o primeiro eletrólito estáem um estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo da temperaturaoperacional do processo, um anodo posicionado na camada eletrolíticafundida superior, e uma camada de liga fundida inferior compreendendo umaliga do metal a ser refinado, e pelo menos um metal mais nobre que o metal aser refinado, a dita liga constituindo um catodo na primeira célula eletrolítica,a dita primeira célula eletrolítica tendo uma densidade menor que a densidadeda liga;adicionar uma matéria-prima à dita camada superior deeletrólito fundido, a matéria-prima compreendendo um óxido de metal dometal a ser refinado;passar uma corrente contínua pelo anodo até o catodo parareduzir o óxido de metal para produzir uma liga com uma maior concentraçãodo metal a ser refinado;transferir a liga para a camada inferior de liga fundida daprimeira célula eletrolítica para uma segunda célula eletrolítica de maneira aprover uma camada inferior de liga fundida compreendendo a liga para umasegunda célula eletrolítica, a dita liga constituindo um anodo na segundacélula eletrolítica;prover à segunda célula eletrolítica uma camada superior demetal fundido compreendendo um metal igual ao metal a ser refinado, a ditacamada superior de metal fundido constituindo um catodo, e uma camadaintermediária de eletrólito fundido compreendendo um segundo eletrólito abase de óxido contendo um óxido do metal a ser refinado, onde o segundoeletrólito está em um estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo datemperatura operacional do processo, o dito segundo eletrólito tendo umadensidade entre a densidade da camada superior de metal fundido e a camadainferior de liga fundida; epassar uma corrente elétrica contínua pelo anodo até o catododa segunda célula eletrolítica por meio do que o metal a ser refinado move-seda liga do anodo para a camada superior de metal fundido.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a primeira célula e a segunda célula são vasos separados queficam em comunicação fluida por meio de um tubo.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a primeira célula e a segunda célula estão no mesmo vaso esão separadas por uma parede, e estão em comunicação fluida por meio de umespaço sob a parede.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o metal a ser refinado é silício, titânio ou escândio.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o primeiro e segundo eletrólitos são os mesmos.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o metal mais nobre que o metal a ser refinado é cobre, ferroou prata.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a camada inferior de liga fundida compreende uma liga dometal a ser refinado, e pelo menos um metal mais nobre que o metal a serrefinado tem um ponto de fusão abaixo do ponto de fusão do metal a serrefinado.
8. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém até 20 % em peso de umhaleto.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém até 7 % em peso de umhaleto.
10. Método, de acordo com a reivindicação 5, para refino desilício, caracterizado pelo fato de que o eletrólito a base de óxido é o CaO-SiO2.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que os eletrólitos a base de óxido contêm 40-75 % em peso deSiO2.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido é selecionado entre CaO-Al2O3-SiO2 contendo até 50 % em peso de Al2O3, BaO-SiO2, BaO-TiO2-SiO2, CaO-TiO2-SiO2, MgO-TiO2-SiO2, Al2O3-CaO-MgO-SiO2, Al2O3-CaO-SiO2-TiO2contendo até 40 % em peso de MgO e CaO-MgO-SiO2-TiO2.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido é BaO-SiO2 contendo 25-60 %em peso de SiO2.
14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém cerca de 10-50 % empeso de BaO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em pesode SiO2.
15. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém cerca de 10-50 % empeso de CaO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em pesode SiO2.
16. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém cerca de 10-50 % empeso de MgO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em pesode SiO2.
17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a liga do anodo é uma liga Cu-Si.
18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a liga do anodo é uma liga de ferro-silício.
19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a liga do anodo é uma liga Cu-Fe-Si.
20. Método para refino eletrolítico de metais com um ponto defusão acima de cerca de 1.000 °C, particularmente silício, caracterizado pelofato de que compreende prover uma camada superior de metal fundidocompreendendo um metal igual ao metal a ser refinado, a dita camadasuperior de metal fundido constituindo um catodo, uma camada inferior deliga fundida compreendendo uma liga do metal a ser refinado, e pelo menosum metal mais nobre que o metal a ser refinado, a dita camada inferior de ligafundida constituindo um anodo, a dita liga tendo uma maior densidade que ometal a ser refinado, e uma camada intermediária de eletrólito fundidocompreendendo um segundo eletrólito a base de óxido contendo um óxido dometal a ser refinado, onde o primeiro eletrólito está no estado fundido e temum ponto de fusão abaixo da temperatura operacional do processo, o ditosegundo eletrólito tendo uma densidade entre a densidade da camada superiorde metal fundido e a camada inferior de liga fundida, e passando uma correnteelétrica contínua do anodo através do eletrólito para o catodo, por meio doque o metal a ser refinado move-se do anodo e é depositado no estado fundidono catodo.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que o metal a ser refinado é silício, titânio ou escândio.
22. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que a camada inferior de liga fundida compreende uma liga deuma liga do metal a ser refinado, e pelo menos um metal mais nobre que ometal a ser refinado, tem um ponto de fusão abaixo do ponto de fusão dometal a ser refinado.
23. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém até 20 % em peso de umhaleto.
24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém até 7 % em peso de umhaleto.
25. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido é o CaO-SiO2.
26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato de que o primeiro eletrólito a base de óxido contém 40-75 % empeso de SiO2.
27. Método, de acordo com a reivindicação 20, para refino desilício, caracterizado pelo fato de que o eletrólito a base de óxido éselecionado entre CaO-Al2O3-SiO2 contendo até 50 % em peso de Al2O3,BaO-SiO2, BaO-TiO2-SiO2, CaO-TiO2-SiO2, MgO-TiO2-SiO2, Al2O3-CaO-MgO-SiO2, Al2O3-CaO-SiO2-TiO2 contendo até 40 % em peso de MgO eCaO-MgO-SiO2-TiO2.
28. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido é BaO-SiO2 contendo 25-60 %em peso de SiO2.
29. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém cerca de 10-50 % empeso de BaO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em pesode SiO2.
30. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém cerca de 10-50 % empeso de CaO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em pesode SiO2.
31. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém cerca de 10-50 % empeso de MgO, cerca de 10-50 % em peso de TiO2 e cerca de 10-50 % em pesode SiO2.
32. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que a liga do anodo é uma liga Cu-Si.
33. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que a liga do anodo é uma liga de ferro-silício.
34. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de que a liga do anodo é uma liga Cu-Fe-Si.
35. Método para produzir eletroliticamente uma ligacompreendendo um primeiro e segundo metais, caracterizado pelo fato de quecompreende:prover a uma primeira célula eletrolítica uma camada superiorde eletrólito fundido compreendendo um primeiro eletrólito a base de óxidocontendo um óxido do primeiro metal, em que o primeiro eletrólito está emum estado fundido e tem um ponto de fusão abaixo da temperaturaoperacional do processo, um anodo posicionado na camada superior deeletrólito fundido, e uma camada inferior de liga fundida compreendendo umaliga do primeiro metal e do segundo metal, em que o segundo metal é maisnobre que o metal a ser refinado, a dita liga constituindo um catodo naprimeira célula eletrolítica, o dito primeiro eletrólito tendo uma densidademenor que a densidade da liga;adicionar uma matéria-prima à dita camada superior deeletrólito fundido, a matéria-prima compreendendo um óxido de metal doprimeiro metal; epassar uma corrente contínua do anodo para a liga do catodona primeira célula eletrolítica para produzir uma liga com uma maiorconcentração do primeiro metal.
36. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracterizadopelo fato de que o metal a ser refinado é silício, titânio ou escândio.
37. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracterizadopelo fato de que a camada inferior de liga fundida compreende uma liga deuma liga do metal a ser refinado, e pelo menos um metal mais nobre que ometal a ser refinado tem um ponto de fusão abaixo do ponto de fusão do metala ser refinado.
38. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém até 20 % em peso de umhaleto.
39. Método, de acordo com a reivindicação 38, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido contém até 7 % em peso de umhaleto.
40. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracterizadopelo fato de que o eletrólito a base de óxido é o CaO-SiO2.
41. Método, de acordo com a reivindicação 40, caracterizadopelo fato de que o primeiro eletrólito a base de óxido contém 40-75 % empeso de SiO2.
42. Método, de acordo com a reivindicação 35, para refino desilício, caracterizado pelo fato de que o eletrólito a base de óxido éselecionado entre CaO-Al2Os-SiO2 contendo até 50 % em peso de Al2Os,BaO-SiO2, BaO-TiO2-SiO2, CaO-TiO2-SiO2, MgO-TiO2-SiO2, Al2O3-CaO-MgO-SiO2, Al2O3-CaO-SiO2-TiO2 contendo até 40 % em peso de MgO eCaO-MgO-SiO2-TiO2.
43. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracterizadopelo fato de que a liga é uma liga Cu-Si.
44. Método, de acordo com a reivindicação 35, caracterizadopelo fato de que a liga é uma liga ferro-silício.
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