ES2633113T3 - Método para la producción y refinado electrolítico de silicio - Google Patents
Método para la producción y refinado electrolítico de silicio Download PDFInfo
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Abstract
Un método para producir y refinar un metal con un método electrolítico, caracterizado por que: se proporciona a una primera célula electrolítica una capa superior de electrolito fundido que comprende un primer electrolito basado en óxido que contiene óxido de silicio, en donde el primer electrolito se encuentra fundido y tiene un punto de fusión por debajo de la temperatura de funcionamiento del proceso, un ánodo posicionado en la capa electrolítica fundida superior y una capa de aleación fundida inferior que comprende una aleación de silicio y al menos un metal más noble que el silicio, constituyendo dicha aleación un cátodo en la primera célula electrolítica, teniendo dicho primer electrólito una densidad menor que la densidad de la aleación; se añade una materia prima a dicha capa de electrólito fundido superior, comprendiendo la materia prima un óxido metálico de silicio; se hace pasar una corriente continua a través del ánodo al cátodo para reducir el óxido metálico para producir una aleación con una concentración más alta de silicio; se transfiere la aleación de la capa de aleación fundida inferior de la primera célula electrolítica a una segunda célula electrolítica de manera que proporcione una capa de aleación fundida inferior que comprende la aleación a una segunda célula electrolítica, constituyendo dicha aleación un ánodo en la segunda célula electrolítica; se proporciona a la segunda célula electrolítica una capa superior de metal fundido de silicio, constituyendo dicha capa superior de metal fundido un cátodo y una capa intermedia de electrolito fundido que comprende un segundo electrolito basado en óxido que contiene un óxido de silicio, donde el segundo electrolito está en un fundido y tiene un punto de fusión por debajo de la temperatura de funcionamiento del proceso, teniendo dicho segundo electrólito una densidad entre la densidad de la capa superior de silicio fundido y la capa inferior de aleación fundida; y se hace pasar una corriente eléctrica continua a través del ánodo al cátodo de la segunda célula electrolítica, por lo que el silicio se mueve de la aleación del ánodo a la capa superior de silicio fundido.
Description
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DESCRIPCION
Metodo para la produccion y refinado electrolftico de silicio Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para la produccion y refinado electrolftico de metales que tienen un punto de fusion alto, por encima de aproximadamente 1000°C, particularmente silicio.
Antecedentes de la tecnica
Existe una creciente demanda de metales de alta pureza, particularmente silicio de alta pureza de grado solar y grado electronico. La materia prima de silicio de grado solar para celulas solares se ha basado en
desechos/devoluciones de silicio de grado electronico de la industria de semiconductores. El silicio de grado
electronico se produce mediante la produccion de silano a partir de silicio metalurgico y la reduccion en fase gaseosa de silano a silicio. Sin embargo, este proceso es muy costoso. Ademas, la disponibilidad de desechos/devoluciones de la industria de los semiconductores es ahora demasiado pequena para abastecer el mercado de celulas solares en rapido crecimiento.
A partir de la patente de Estados Unidos numero 3.219.561 se conoce un metodo para producir silicio y germanio refinados haciendo pasar una corriente continua entre un anodo en contacto con un bano de sal fundida que
contiene un fluoruro y un oxido de silicio o germanio y un catodo en contacto con otro bano de sal fundida que
contiene fluoruro, donde los banos estan separados por una aleacion fundida de silicio o germanio y otro metal para reducir el oxido de silicio o germanio a silicio o germanio y depositarlo sobre el catodo. En este proceso electrolftico el silicio o el germanio se depositan como un solido sobre el catodo. El metal solido tiene que ser retirado del catodo y tiene que ser triturado y tratado con acidos para eliminar las impurezas atrapadas en el metal depositado sobre el catodo.
En la patente de EE.UU. N° 3.254.010 se describe otro metodo para refinar silicio o germanio impuro donde se hace pasar una corriente entre un catodo y un anodo a traves de un electrolito de sal fundida que contiene un fluoruro, donde el anodo esta hecho a partir de silicio o germanio impuro o aleaciones de silicio o germanio impuro con metales mas nobles que el silicio o el germanio para expulsar sobre el catodo silicio o germanio refinado. En este proceso tambien se depositan en el catodo silicio refinado solido o germanio refinado solido. El electrolito es preferiblemente criolita. El proceso de la patente de EE.UU. N° 3.254.010 tiene, por lo tanto, los mismos inconvenientes que el metodo de la patente de EE.UU. N° 3.219.561.
Por ultimo, para metales que tienen puntos de fusion relativamente bajos, tales como aluminio, el refinado electrolftico es un proceso convencional y se describe en la Patente de EE.UU. N° 1.534.318. En esta patente se describe un proceso para el refinado electrolftico de aluminio donde se establece una capa inferior de metal fundido que contiene aluminio como anodo, una capa superior o de aluminio fundido como catodo y una capa intermedia de electrolito fundido de mayor densidad que el aluminio fundido, cuyo electrolito es esencialmente fluoruros y esta sustancialmente libre de cloruro. Se pasa corriente desde el metal del anodo a traves del electrolito hasta el catodo de aluminio, donde el aluminio se retira del anodo metalico y se deposita en estado fundido en el catodo. El electrolito fundido contiene fluoruros de aluminio y de sodio y entre 20 y 60% de fluoruro de un metal alcalinoterreo con un peso atomico mayor de 80, por ejemplo fluoruro de bario.
Sin embargo, el proceso anterior descrito en la Patente de EE.UU. N° 1534318 no se puede usar para el refinado electrolftico de metales que tienen un punto de fusion alto, por encima de 1000°C, ya que se formana una gran cantidad de vapor de fluoruro en el electrolito fundido basado en fluoruro que a tan altas temperaturas destruina las propiedades del electrolito.
Por lo tanto, existe la necesidad de un proceso mediante el cual, los metales de alta pureza, de alto punto de fusion, tales como el silicio, puedan refinarse mediante un proceso de refinado electrolftico.
Descripcion de la invencion
Es un objeto de la presente invencion proporcionar un metodo electrolftico para la produccion y refinado de metales de puntos de fusion elevados por encima de los aproximadamente 1000°C, particularmente silicio, donde el metal refinado esta en estado fundido.
Por lo tanto, la presente invencion se refiere a un metodo electrolftico para la produccion y refinado de metales que tienen un punto de fusion por encima de aproximadamente 1000°C, particularmente silicio, estando dicho metodo caracterizado por que:
(a) proporciona a una primera celula electrolftica, una capa de electrolito fundido superior que comprende un primer electrolito basado en oxido que contiene un oxido de silicio, en el que el primer electrolito esta en estado fundido y tiene un punto de fusion por debajo de la temperatura de funcionamiento del proceso, un anodo situado en la capa electrolftica superior fundida y una capa de aleacion fundida inferior que comprende una aleacion de silicio y al
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menos un metal mas noble que el silicio, constituyendo dicha aleacion un catodo en la primera celula electrolftica, teniendo dicho primer electrolito una densidad menor que la densidad de la aleacion;
(b) anade una materia prima a dicha capa de electrolito fundido superior, comprendiendo la materia prima un oxido metalico de silicio;
(c) hace pasar una corriente continua a traves del anodo al catodo para reducir el oxido metalico para producir una aleacion con una concentracion mas alta de silicio;
(d) transfiere la aleacion de la capa de aleacion fundida inferior de la primera celula electrolftica a una segunda celula electrolftica de manera que proporcione una capa de aleacion fundida inferior que comprende la aleacion a una segunda celula electrolftica, constituyendo dicha aleacion un anodo en la segunda celula electrolftica ;
(e) proporciona a la segunda celula electrolftica una capa superior de silicio fundido que constituye un catodo y una capa intermedia de electrolito fundido que comprende un segundo electrolito a base de oxido que contiene un oxido de silicio, donde el segundo electrolito esta en estado fundido y tiene un punto de fusion por debajo de la temperatura de funcionamiento del proceso, teniendo dicho segundo electrolito una densidad entre la densidad de la capa superior de silicio fundido y la capa inferior de aleacion fundida; y
(f) hace pasar una corriente electrica continua a traves del anodo al catodo de la segunda celula electrolftica, por lo que el silicio se mueve de la aleacion del anodo a la capa superior de silicio fundido.
Usando las dos celulas electrolfticas de la presente invencion, la primera celula produce una aleacion a partir de la materia prima y la segunda celula refina la aleacion para producir un metal.
En la primera celula, la corriente continua pasa a traves del anodo, el primer electrolito y la aleacion del catodo para producir una aleacion que tiene una concentracion mas alta de silicio en la capa de aleacion de la materia prima.
En la segunda celula, la corriente continua pasa a traves de la aleacion del anodo, el segundo electrolito y el metal para refinar la aleacion al metal.
Las dos celulas tambien pueden funcionar independientemente la una de la otra. De este modo, el metodo de la presente invencion se puede definir como un proceso de dos etapas. La primera etapa es producir una aleacion a partir de materia prima en una celula electrolftica; y la segunda etapa es refinar una aleacion para obtener un metal.
Preferiblemente, la aleacion se transfiere de la primera celula electrolftica a la segunda celula electrolftica en estado fluido, pero la aleacion tambien puede ser extrafda de la primera celula electrolftica, solidificada y suministrada a la segunda celula electrolftica en estado solido.
En terminos generales, el metodo para producir electrolfticamente una aleacion que comprende un primer y segundo metal, de acuerdo con la presente invencion, caracterizado por que:
(A) proporciona a una primera celula electrolftica una capa superior de electrolito fundido que comprende un primer electrolito basado en oxido que contiene un oxido del primer metal, en donde el primer electrolito se encuentra fundido y tiene un punto de fusion por debajo de la temperatura de funcionamiento del proceso, un anodo posicionado en la capa electrolftica fundida superior y una capa de aleacion fundida inferior que comprende una aleacion del primer metal y el segundo metal, en donde el segundo metal es mas noble que el primer metal, constituyendo dicha aleacion un catodo en la primera celula electrolftica, teniendo dicho primer electrolito una densidad menor que la densidad de la aleacion;
(B) anade una materia prima a dicha capa de electrolito fundido superior, comprendiendo la materia prima un oxido metalico del primer metal; y
(C) hace pasar una corriente continua desde el anodo a la aleacion del catodo hasta la primera celula electrolftica para producir una aleacion que tiene una concentracion mas alta del primer metal.
La materia prima es cualquier fuente convencional de oxido metalico que contiene silicio, o el primer metal, por ejemplo, cuarzo para silicio.
El metodo de refinado de la presente invencion puede usar aleacion obtenida a partir de un proceso diferente al de la primera etapa de la presente invencion.
En terminos generales, el metodo para refinar electrolfticamente la aleacion al metal de acuerdo con la presente invencion se caracteriza porque:
(A) proporciona a una segunda celula electrolftica una capa superior de metal fundido que comprende un metal del mismo metal que el silicio, constituyendo dicha capa superior de metal fundido un catodo, una capa inferior de aleacion fundida que comprende una aleacion de silicio y al menos un metal mas noble que el silicio, constituyendo dicha capa inferior un anodo y una capa intermedia de electrolito fundido que comprende un segundo electrolito
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basado en oxido que contiene un oxido de silicio donde el segundo electrolito esta en estado fundido y tiene un punto de fusion por debajo de la temperature de funcionamiento del proceso, teniendo dicho segundo electrolito una densidad entre la densidad de la capa de metal fundido superior y la capa de aleacion fundida inferior; y
(B) hace pasar una corriente electrica continua desde la aleacion del anodo a traves del segundo electrolito hasta el catodo por lo que el silicio se mueve de la aleacion y se deposita en estado fundido en el catodo.
En el proceso de refinado, tanto la aleacion como un metal menos puro de silicio se puede anadir a la capa de aleacion. Por ejemplo, puede anadirse a la capa de aleacion silicio de grado metalurgico, volviendose asf refinado.
Uno de los aspectos unicos de la presente invencion es que se pueden usar diferentes materias primas en la primera celula. La produccion carbotermica normal de metal impone limitaciones al tipo de materia prima utilizada y se introduce en las impurezas metalicas, especialmente a traves de la fuente de carbono. Cualquier forma en partfculas de materia prima se puede anadir a la primera celula y las impurezas de la fuente de carbono son eliminadas ya que no es necesaria una fuente de carbono. Esto significa que la aleacion puede ser mas pura que las aleaciones convencionales y ayuda en el proceso de refinado de la presente invencion.
Cuando se inicia el proceso por vez primera, la capa de aleacion puede comprender una aleacion de silicio y un metal o metales mas nobles que el silicio, llamado el segundo metal, o el segundo metal, solo. Durante el funcionamiento del proceso, la propia aleacion se formara como silicio o el primer metal se movera dentro de la capa de aleacion.
La capa de aleacion fundida inferior que comprende la aleacion de silicio o el primer metal y al menos un metal mas noble que el silicio o el segundo metal debe tener una composicion que cumpla los siguientes requisitos:
- una densidad mayor que la densidad del primer y segundo electrolitos fundidos; y
- un punto de fusion proximo o por debajo del punto de fusion del silicio, de modo que esta fundido y puede fluir a las temperaturas de funcionamiento del metodo de la invencion.
Para el refino de silicio, la capa de aleacion fundida inferior puede consistir, por ejemplo, en aleacion Si-Cu, aleacion FeSi o aleacion Cu-Fe-Si. Estas aleaciones tienen puntos de fusion muy por debajo del punto de fusion del silicio y por consiguiente tambien por debajo de la temperatura de fusion del primer y segundo electrolito.
El primer electrolito a base de oxido debe tener una composicion que cumpla los siguientes requisitos:
- debe tener una densidad a la temperatura de funcionamiento, que es menor que la densidad de la capa de aleacion inferior de la aleacion que contiene silicio;
- debe tener un punto de fusion por debajo de la temperatura de funcionamiento;
- debe tener solubilidad para iones de silicio;
- los constituyentes principales del electrolito a base de oxido deben ser menos nobles que el silicio; y
- debe contener un oxido de silicio, por ejemplo, SiO2
El segundo electrolito a base de oxido debe tener una composicion que cumpla con los requisitos del primer electrolito basado en oxido, y debe tener una densidad a la temperatura de funcionamiento que es mayor que la densidad de silicio.
Los electrolitos basados en oxido tienen ademas las ventajas de que los oxidos no son toxicos y tienen bajas presiones de vapor. Otra ventaja es que los electrolitos basados en oxidos usados no son toxicos y no tienen que ser depositados como residuos especiales. La naturaleza no toxica de los electrolitos es verdadera excepto para aquellos que contienen oxido de bario, porque el oxido de bario se considera toxico.
Para la presente invencion, son adecuados los siguientes electrolitos basados en oxidos:
- CaO-SiO2, que contiene preferiblemente 40-75% en peso de SiO2
- CaO-MgO-SiO2 con un contenido de MgO de hasta el 40%
- CaO-Al2O3-SiO2 con un contenido de Al2O3 de hasta el 50%
- AI2O3-CaO-SiO2-TiO2
- BaO-SiO2, que contiene preferiblemente 25-60% en peso de SiO2
- BaO-TiO2-SiO2, preferiblemente aproximadamente 10-50% en peso de BaO, aproximadamente 10-50% en peso de TiO2 y aproximadamente 10-50% en peso de SiO2
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- CaO-TiO2-SiO2, preferiblemente aproximadamente 10-50% en peso de CaO, aproximadamente 10-50% en peso de TiO2 y aproximadamente 10-50% en peso de SiO2
- MgO-TiO2-SiO2, preferiblemente aproximadamente 10-50% en peso de MgO, aproximadamente 10-50% en peso de TiO2 y aproximadamente 10-50% en peso de SiO2
- AI2O3-CaO-MgO-SiO2, y
- CaO-MgO-SiO2-TiO2
Ademas, se pueden anadir haluros, particularmente fluoruros alcalinos y alcalinoterreos, a los electrolitos basados en oxido para modificar la viscosidad, la densidad, el punto de fusion y la conductividad electrica de los electrolitos. La cantidad de haluros anadidos a los electrolitos basados en oxido esta preferiblemente por debajo del 20% en peso y mas preferiblemente por debajo del 7% en peso.
Los electrolitos a base de oxido debenan tener una densidad superior a aproximadamente 2,57 g/cm3, que es la densidad del silicio fundido en el punto de fusion del silicio, y por debajo de aproximadamente 3,37 g/cm3 si se usa FeSi al 75% se usa como aleacion y por debajo de aproximadamente 5,5 g/cm3 si se usa FeSi al 50% como aleacion. Para el silicio, los electrolitos a base de oxido deben tener un punto de fusion cercano o inferior al punto de fusion del silicio, que es 1414°C.
Un electrolito a base de oxido adecuado particular para el silicio es un electrolito de CaO-SiO2 que contiene 40-75% de SiO2. Este electrolito tiene una densidad entre aproximadamente 2,5 g/cm3 y aproximadamente 2,7 g/cm3 y tiene una alta solubilidad de iones Si, baja solubilidad de Si y baja volatilidad a una temperatura operativa por encima del punto de fusion del silicio.
El primer y el segundo electrolito pueden tener la misma composicion o pueden ser diferentes. El segundo electrolito debe tener una densidad en estado fundido tal que forme la capa intermedia de electrolito fundido y se posicione entre la capa de metal fundido superior y la capa de aleacion fundida inferior. El primer electrolito no esta tan limitado. El primer electrolito debe tener una densidad en estado fundido tal que flote sobre la parte superior de la capa de aleacion fundida inferior, es decir, tiene una densidad menor que la aleacion fundida. Sin embargo, el primer electrolito no necesita tener una densidad en estado fundido que sea mayor que el metal en estado fundido.
La produccion de la aleacion o el metodo de refinado de la presente invencion se pueden realizar en vasijas convencionales convenientes con un revestimiento refractario resistente al calor tal como alumina, magnesia, nitruro de silicio, carburo de silicio o grafito. Las paredes laterales de la vasija pueden proporcionarse favorablemente con sistemas de refrigeracion convencionales, tales como elementos enfriados por evaporacion con el fin de crear un revestimiento de congelacion en el interior de las paredes laterales de las vasijas.
En la presente invencion, cuando el metodo implica producir y refinar simultaneamente donde se emplean vasijas separadas, pueden estar en comunicacion fluida entre sf, como a traves de una tubena en la pared lateral de ambas vasijas. El puerto de la tubena en ambas paredes laterales debe estar situado por debajo del nivel de la capa de aleacion fundida inferior, es decir, la parte superior de la capa de aleacion fundida debena estar por encima del nivel de los puertos de la tubena, lo que proporciona comunicacion fluida entre las vasijas. En tal disposicion, una vasija actua como la primera celula electrolftica para producir la aleacion y la otra vasija actua como la segunda celula electrolftica para refinar.
Preferiblemente, se utiliza una sola vasija para obtener simultaneamente la aleacion y refinar el metal, en donde la vasija se ha dividido en la primera celula electrolftica y la segunda celula electrolftica y las dos celulas estan en comunicacion fluida entre sf a traves de la capa de aleacion. Dicha disposicion 5 se muestra en la patente de EE.UU. N° 3.219.561.
En las disposiciones para la obtencion simultanea de la aleacion y el refinado del metal, los dos electrolitos estan separados el uno del otro y no se contaminan entre sf.
En cualquier disposicion, los anodos y los catodos estan conectados a una fuente de corriente continua de una manera convencional con el fin de suministrar corriente continua para el metodo.
Cuando la corriente continua se hace pasar a traves de la celula o celulas electrolftica(s), el silicio en la aleacion entra en el segundo electrolito basado en oxido junto con iones de cualquier impureza en la aleacion que es electroqmmicamente menos noble que el silicio. Puesto que el silicio es el elemento mas noble del segundo electrolito, los iones de silicio se reduciran en el catodo y formaran silicio puro fundido, que se recoge en el catodo de silicio fundido. Asf, las impurezas mas nobles que el silicio quedan atrapadas en la capa de aleacion, mientras que las impurezas menos nobles que el silicio quedan atrapadas en el segundo electrolito.
El procedimiento de refinado de la presente invencion puede llevarse a cabo tanto como un proceso discontinuo como un proceso continuo.
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Cuando el metodo de refinado se lleva a cabo como un proceso discontinuo, se anade aleacion a la capa de aleacion continuamente o intermitentemente. Opcionalmente, los electrolitos y la aleacion tendran un contenido demasiado alto de impurezas. El proceso se detiene entonces y los electrolitos y la parte restante de la aleacion se retiran de la celula. La nueva aleacion y los nuevos electrolitos basados en oxido se anaden junto con un catodo de inicio de silicio, despues de lo cual la corriente electrica se hace pasar de nuevo a traves de la celula electrolftica.
Cuando se utilizan las dos celulas separadas, una primera para la produccion de la aleacion y una segunda para refinar, la aleacion de la segunda celula en la que se ha agotado el silicio, se saca de forma intermitente y se anade a la primera celula electrolftica.
Cuando el procedimiento de refinado de la presente invencion se lleva a cabo como un proceso continuo, hay medios dispuestos para suministro continuo o intermitente de aleacion, medios para la eliminacion continua o intermitente de electrolitos basados en oxido y medios para suministro continuo o intermitente de electrolitos basados en oxido. Finalmente, hay medios dispuestos para rotacion continua o intermitente de metal refinado desde la capa superior de metal fundido. La razon para la eliminacion de la aleacion es que la aleacion, durante la electrolisis, captara un contenido aumentado de elementos de impureza mas nobles que el silicio. Ademas, durante la electrolisis los electrolitos obtendran un contenido aumentado de elementos menos nobles que el silicio, y para reducir este contenido de elementos de impureza, se extrae parte de los electrolitos y pueden ser devueltos a las capas de electrolito en la celula o ser depositada despues de la purificacion.
De una manera similar, el procedimiento tanto para obtener la aleacion como para refinar el metal puede llevarse a cabo como un proceso discontinuo o continuo.
Mediante la presente invencion se proporciona, por lo tanto, un metodo sencillo y rentable para obtener una forma pura de metales, especialmente silicio. Se pueden utilizar aleaciones de silicio de bajo coste y un metal mas noble que el silicio como la aleacion. Para el silicio, pueden usarse aleaciones de silicio tales como aleaciones de FeSi y aleaciones de Cu-Si. Tales aleaciones se pueden producir de acuerdo con la presente invencion o de cualquier manera convencional usando cualquier medio convencional.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra una vista esquematica del metodo de refinado segun la invencion;
La figura 2 muestra una vista esquematica del metodo para obtener la aleacion y refinar el metal de acuerdo con la invencion; y
La figura 3 muestra un esquema de un metodo para producir la aleacion.
Descripcion detallada de la invencion
En la figura 1 se muestra una vista esquematica de una celula electrolftica para llevar a cabo el metodo de la presente invencion para refinar silicio. La celula electrolftica 5 comprende una vasija 1 que tiene una capa refractaria 2. En la celula electrolftica hay una capa inferior 3 de una aleacion de silicio y un metal mas noble que el silicio como una aleacion Cu-Si que actua como un anodo en la celula electrolftica. Por encima de la capa de anodo inferior 3 hay un electrolito 4 basado en oxido que tiene una densidad inferior a la densidad de la aleacion de anodo 3 y una densidad mas alta que el silicio fundido. Un electrolito 4 adecuado es una mezcla de 50% en peso de CaO y 50 % en peso de SiO2. En la parte superior de la capa de electrolito 4 hay una capa 5 de metal de silicio puro que actua como catodo. El anodo 4 y el catodo 5 estan conectados, a traves de contactos 6 y 7, respectivamente, a una fuente de corriente continua (no se muestra) para conducir corriente a la celula electrolftica. Cuando la corriente continua 15 se hace pasar a traves de la celula electrolftica, el silicio en el anodo 3 entra en el electrolito basado en oxido 4 junto con iones de cualquier impureza en la aleacion del anodo 3 que es electroqmmicamente menos noble que el silicio. Puesto que el silicio es el elemento mas noble del electrolito 4, los iones de silicio se reduciran en el catodo 5 y formaran silicio puro fundido, que se recoge en el catodo 5 de silicio fundido 20. Asf, las impurezas mas nobles que el silicio quedan atrapadas en la capa de anodo 3, mientras que las impurezas menos nobles que el silicio quedan atrapadas en el electrolito 4. El silicio refinado puro es de vez en cuando sacado de la capa de catodo fundido 5. Se suministra continua o intermitentemente 25 aleacion de anodo solido o fundido o un grado no refinado fundido o solido de silicio adicional a la capa de anodo fundido 3 a traves de un canal 8 de suministro de aleacion de anodo.
Despues de algun tiempo de funcionamiento de la celula electrolftica, la capa de anodo tendra un mayor contenido de impurezas de metales mas nobles que el silicio y el electrolito obtendra un mayor contenido de elementos menos nobles que el silicio. Por lo tanto, la celula electrolftica debe ser detenida y reiniciada con aleacion de anodo puro y nuevo electrolito no contaminado.
En la Figura 2, la vasija 10 tiene una capa refractaria 11. La capa de aleacion 12 comprende la aleacion y las capas de electrolito 13 contienen el segundo electrolito, y la capa de electrolito 14 contiene el primer electrolito. La capa 15 es un metal puro y actua como catodo. El anodo 16 y el catodo 17 a traves de contactos convencionales estan conectados 5 a una fuente de corriente continua, no mostrada. La pared 18 separa las dos celulas, la primera celula electrolftica 19 y la segunda celula electrolftica 20. La capa 12 de aleacion fluye entre las dos celulas bajo la pared
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18. En la primera celula electrolftica 19, la materia prima, p. ej. cuarzo, SiO2, se reduce electrolfticamente a estado metalico tal como silicio para aumentar la concentracion de silicio en la capa de aleacion 12 y luego en la segunda celula electrolftica 20, la aleacion de silicio se mueve de la capa de anodo a traves de la segunda capa de electrolito 13 a la capa de metal puro 15. La capa de aleacion 12 llena las celulas a un nivel por encima del borde inferior de la 5 pared 18 y, de este modo, separa los dos electrolitos de las dos celulas. El anodo 16 esta sumergido en la capa de electrolito 14 y el catodo 17 esta sumergido en la capa de metal 15, pero tampoco esta en contacto directo con la capa de aleacion 12. La capa de aleacion 12 actua como un electrodo comun.
El silicio y los elementos mas nobles que el silicio que estan en el primer electrolito de la capa de electrolito 14 se precipitan y se alean con la aleacion fundida.
10 El anodo 16 puede ser inerte o consumible, tal como carbon o grafito secado al horno.
En la figura 3, en la vasija 30, que era un crisol de grafito, la capa de electrolito 31 tema una composicion de 55% en peso de CaO y de 45% en peso de SiO2. La materia prima de SiO2, cuarzo, se anadio frecuentemente a la capa 31 para mantener la composicion electrolftica y proporcionar una fuente de materia prima al proceso. Se aplico una tension de 4,5 V entre el anodo de grafito 32 y el catodo 33, para proporcionar una densidad de corriente de catodo 15 de aproximadamente 1 A/cm2. La temperatura de la celula se mantuvo constante a 1650 °C. La celula comenzo con un catodo ftquido 34 de cobre. El primer metal es el silicio y el segundo metal es el cobre en esta celula.
A medida que la corriente fluye a traves de la celula, los iones de oxido de silicio son transportados al catodo donde se reducen a silicio. Despues de 12 horas de electrolisis, el catodo de cobre contema aproximadamente 20% en peso de Si, dando una eficiencia de corriente de aproximadamente 40%. Asf, la aleacion se produjo de SiCu.
20 Como puede verse, esta celula comenzo con un segundo metal puro en la capa de aleacion y a traves del funcionamiento de la celula la aleacion se forma en la capa de aleacion.
Claims (14)
- 51015202530354045REIVINDICACIONES1. Un metodo para producir y refinar un metal con un metodo electrolftico, caracterizado por que:se proporciona a una primera celula electrolftica una capa superior de electrolito fundido que comprende un primer electrolito basado en oxido que contiene oxido de silicio, en donde el primer electrolito se encuentra fundido y tiene un punto de fusion por debajo de la temperature de funcionamiento del proceso, un anodo posicionado en la capa electrolftica fundida superior y una capa de aleacion fundida inferior que comprende una aleacion de silicio y al menos un metal mas noble que el silicio, constituyendo dicha aleacion un catodo en la primera celula electrolftica, teniendo dicho primer electrolito una densidad menor que la densidad de la aleacion;se anade una materia prima a dicha capa de electrolito fundido superior, comprendiendo la materia prima un oxido metalico de silicio;se hace pasar una corriente continua a traves del anodo al catodo para reducir el oxido metalico para producir una aleacion con una concentracion mas alta de silicio;se transfiere la aleacion de la capa de aleacion fundida inferior de la primera celula electrolftica a una segunda celula electrolftica de manera que proporcione una capa de aleacion fundida inferior que comprende la aleacion a una segunda celula electrolftica, constituyendo dicha aleacion un anodo en la segunda celula electrolftica;se proporciona a la segunda celula electrolftica una capa superior de metal fundido de silicio, constituyendo dicha capa superior de metal fundido un catodo y una capa intermedia de electrolito fundido que comprende un segundo electrolito basado en oxido que contiene un oxido de silicio, donde el segundo electrolito esta en un fundido y tiene un punto de fusion por debajo de la temperatura de funcionamiento del proceso, teniendo dicho segundo electrolito una densidad entre la densidad de la capa superior de silicio fundido y la capa inferior de aleacion fundida; yse hace pasar una corriente electrica continua a traves del anodo al catodo de la segunda celula electrolftica, por lo que el silicio se mueve de la aleacion del anodo a la capa superior de silicio fundido.
- 2. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde la primera celula y la segunda celula son vasijas separadas que estan en comunicacion de fluidos por una tubena.
- 3. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde la primera celula y la segunda celula estan en la misma vasija y estan separadas por una pared y estan en comunicacion de fluidos a traves de un espacio bajo la pared.
- 4. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde el primer y segundo electrolitos son iguales.
- 5. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde el metal mas noble que el metal a refinar es cobre, hierro o plata.
- 6. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la capa de aleacion fundida inferior comprende una aleacion de silicio y al menos un metal mas noble que el silicio, tiene un punto de fusion por debajo del punto de fusion del silicio.
- 7. Metodo segun la reivindicacion 4, caracterizado porque el electrolito basado en oxido contiene hasta 20% en peso de un haluro.
- 8. Metodo segun la reivindicacion 7, caracterizado porque el electrolito basado en oxido contiene hasta 7% en peso de un haluro.
- 9. Metodo segun la reivindicacion 4 para refinar silicio, caracterizado porque el electrolito a base de oxido es CaO- SiO2.
- 10. Metodo segun la reivindicacion 9, caracterizado porque el electrolito basado en oxido contiene 40-75% en peso de SiO2.
- 11. Metodo segun la reivindicacion 1, Caracterizado porque el electrolito basado en oxido se selecciona entre CaO- AI2O3-SiO2 que contiene hasta el 50 % en peso de Al2O3, BaO-SiO2, BaO-TiO2-SiO2, CaO-TiO2-SiO2, MgO-TiO2- SiO2, AI2O3-CaO-MgO-SiO2, AI2O3-CaO-SiO2-TiO2 y CaO-MgO-SiO2 que contiene hasta 40% en peso de MgO.
- 12. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la aleacion del anodo es una aleacion Cu-Si.
- 13. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la aleacion del anodo es una aleacion de ferrosilicio.
- 14. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la aleacion del anodo es una aleacion Cu-Fe-Si.
imagen1 imagen2 Figura 2imagen3 Figura 3
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- 2008-09-17 NO NO20083970A patent/NO344829B1/no unknown
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