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KR20120075305A - A method for preparing silicone with methane - Google Patents

A method for preparing silicone with methane Download PDF

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KR20120075305A
KR20120075305A KR1020100137374A KR20100137374A KR20120075305A KR 20120075305 A KR20120075305 A KR 20120075305A KR 1020100137374 A KR1020100137374 A KR 1020100137374A KR 20100137374 A KR20100137374 A KR 20100137374A KR 20120075305 A KR20120075305 A KR 20120075305A
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KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
methane
weight
electric furnace
reducing agent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020100137374A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박태준
한무호
김태원
박준표
Original Assignee
주식회사 포스코
재단법인 포항산업과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 포스코, 재단법인 포항산업과학연구원 filed Critical 주식회사 포스코
Priority to KR1020100137374A priority Critical patent/KR20120075305A/en
Publication of KR20120075305A publication Critical patent/KR20120075305A/en
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/023Preparation by reduction of silica or free silica-containing material
    • C01B33/025Preparation by reduction of silica or free silica-containing material with carbon or a solid carbonaceous material, i.e. carbo-thermal process
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B3/08Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat

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Abstract

본 발명은 메탄을 환원제로 이용한 실리콘 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게 본 발명은 메탄을 환원제로서 실리콘 제조용 전기로의 하부면 및/또는 측면을 통해 전기로내로 투입하는 생산성이 향상된 실리콘 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 견지에 의하면, 환원제로 탄소 공급원 70 중량% 내지 100중량% 미만 및 메탄가스 30 중량% 내지 0중량% 초과가 되고, 규석광 55 중량% 내지 75중량% 및 환원제(탄소공급원과 메탄가스) 45 중량% 내지 25중량%가 사용되는 규석광, 탄소 및 메탄의 반응에 의한 실리콘 제조방법이 제공된다. 본 발명의 방법에 의하면 이산화규소의 실리콘으로의 환원에 의한 실리콘 생성 속도, 구체적으로는 실리콘으로의 환원속도가 빨라지며 따라서 실리콘의 생산성이 향상된다. The present invention relates to a method for producing silicon using methane as a reducing agent, and more particularly, to a method for producing silicon having improved productivity of introducing methane into the electric furnace through the bottom and / or side of an electric furnace for producing silicon as a reducing agent. . According to one aspect of the invention, the reducing agent may be from 70% to 100% by weight of carbon source and from 30% to 0% by weight of methane gas, from 55% to 75% by weight of quartzite and the reducing agent (carbon source and methane). Gas) A method for producing silicon by reaction of wollastonite, carbon and methane, wherein 45% to 25% by weight is used. According to the method of the present invention, the rate of silicon production by reduction of silicon dioxide to silicon, specifically, the rate of reduction to silicon, is increased, thus improving the productivity of silicon.

Description

메탄을 이용한 실리콘 제조방법{A Method for Preparing Silicone With Methane}A Method for Preparing Silicone With Methane

본 발명은 메탄을 환원제로 이용한 실리콘 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게 본 발명은 메탄을 환원제로서 실리콘 제조용 전기로의 하부면 및/또는 측면을 통해 전기로내로 투입하는 생산성이 향상된 실리콘 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing silicon using methane as a reducing agent, and more particularly, to a method for producing silicon having improved productivity of introducing methane into the electric furnace through the bottom and / or side of an electric furnace for producing silicon as a reducing agent. .

실리콘은 일렉트로닉스(electronics), 반도체 및 태양광 발전 (예를들어, 태양전지) 등에 이용되며, 이러한 실리콘이 사용되는 기술분야의 개발 및 활용 증대에 따라 실리콘의 수요 또한 증대되고 있다.
Silicon is used in electronics, semiconductors, and photovoltaic power generation (eg, solar cells), and the demand for silicon is increasing as the development and utilization of the technology field in which silicon is used.

태양광용 실리콘은 일반적으로 전기로법으로 생산된 금속실리콘을 재처리하여 순도를 높여서 사용한다. 이러한 실리콘의 제조비용을 절감하기 위해 전기로 공정 및 재처리 공정의 효율화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기로에 관한 연구로는 배열회수 부분 및 전기로의 노황 관리를 통한 생산성 증대가 집중적으로 연구되고 있다.
Solar silicon is generally used to increase the purity by reprocessing the metal silicon produced by the electric furnace method. In order to reduce the manufacturing cost of the silicon, research is being actively conducted for the efficiency of the electric furnace process and reprocessing process. As for the research on the electric furnace, the increase of productivity through the heat recovery part and the management of the yellowing of the electric furnace are intensively studied.

종래 전기로법을 이용한 실리콘 제조공정에서는 전기로의 아크에 의한 고온환경에서 규석광(SiO2)을 탄소를 사용하여 환원시켜서 실리콘을 제조하여 왔다. 또한, 종래 전기로법에서는 기본적으로 탄소-열 공정(Carbon-Thermic Process) 및 서브머지드 아크(Submerged Arc)공정이 이용된다. 그러나, 상기 공정들은 반응공정이 여러 단계에 걸쳐서 이루어지므로 공정에 장시간이 소요된다. 따라서, 보다 효율적인 실리콘 제조방법이 요구된다.
In the silicon manufacturing process using the conventional electric furnace method, silicon has been manufactured by reducing silica ore (SiO 2 ) using carbon in a high temperature environment by an arc of the electric furnace. In addition, in the conventional electric furnace method, a carbon-thermal process and a submerged arc process are basically used. However, the process takes a long time because the reaction process is carried out in several steps. Therefore, there is a need for a more efficient method for producing silicon.

본 발명의 일 구현에 의하면 실리콘의 생성속도 향상에 의한 생산성이 개선된 실리콘 제조방법이 제공된다.
According to one embodiment of the present invention, there is provided a silicon manufacturing method having improved productivity by improving the production rate of silicon.

본 발명의 또 다른 구현에 의하면 실리콘 제조용 전기로의 특정 지점에서 환원제를 첨가하는 환원반응의 최적화에 의한 생산성이 개선된 실리콘 제조방법이 제공된다.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing silicon having improved productivity by optimizing a reduction reaction in which a reducing agent is added at a specific point in an electric furnace for producing silicon.

본 발명의 일 견지에 의하면, According to one aspect of the invention,

환원제로 탄소 공급원 70 내지 100중량% 미만 및 메탄가스 30 내지 0중량% 초과로 그리고 규석광 55 내지 75중량% 및 환원제(탄소공급원과 메탄가스) 45내지 25중량%의 양으로 한 규석광, 탄소 공급원 및 메탄의 반응에 의한 실리콘 제조방법이 제공된다.
Quartzite, carbon with an amount of less than 70 to 100% by weight of carbon source and more than 30 to 0% by weight of methane gas and from 55 to 75% by weight of quartzite and 45 to 25% by weight of reducing agent (carbon source and methane) Provided is a method for producing silicon by reaction of a source and methane.

본 발명의 다른 견지에 의하면, According to another aspect of the present invention,

전기로에서 규석광과 탄소를 반응시켜 실리콘을 제조하는 방법에 있어서, In the method for producing silicon by reacting silica with carbon in an electric furnace,

환원제로 탄소 공급원 70 내지 100중량% 미만 및 메탄가스 30 내지 0중량% 초과가 되도록 그리고 규석광 55 내지 75중량% 및 환원제 45 내지 25중량%이 되도록, 상기 전기로의 하부면 및 측면 중 최소 한 부분을 통해 전기로내에 메탄가스가 투입되는, 상기 규석광, 탄소 공급원 및 투입된 메탄의 반응에 의한 실리콘 제조방법이 제공된다.
At least a portion of the bottom and side of the furnace such that there is less than 70-100% by weight of carbon source and more than 30-0% by weight of methane gas and 55-75% by weight of quartzite and 45-25% by weight of reducing agent Methane gas is introduced into the electric furnace through the silicon silica, a carbon source and a method for producing silicon by the reaction of the introduced methane is provided.

SiO2를 주성분으로 하는 실리콘 제조 원료인 규석광 중 이산화규소(SiO2)의 실리콘으로의 환원제로서 메탄을 추가적으로 사용하므로써 이산화규소의 실리콘으로의 환원에 의한 실리콘 생성 속도, 구체적으로는 실리콘으로의 환원속도가 빨라지며 따라서 실리콘의 생산성이 향상된다.
Silicon production rate by reduction of silicon to silicon dioxide By a reducing agent to the silicon of the silicon dioxide (SiO 2) of silicon produced raw material silica optical mainly composed of SiO 2 used in addition to methane, specifically, reduction of a silicon This speeds up and thus increases the productivity of the silicon.

나아가, 메탄을 전기로의 하부면 및/또는 측면으로부터 전기로 내로 투입하므로써 전기로 내에 형성된 가스에 의한 캐비티(cavity)의 내부 및/또는 캐비티 외부의 반응물에서의 SiO 및/또는 SiO2와 메탄의 직접적인 환원반응에 의해 규석광 중의 이산화규소의 실리콘으로의 환원속도 및 이에 따른 실리콘의 생산성이 현저하게 향상된다.
Furthermore, direct injection of SiO and / or SiO 2 and methane in the reactants inside and / or outside of the cavity by the gas formed in the furnace by introducing methane into the furnace from the bottom and / or side of the furnace By the reduction reaction, the rate of reduction of silicon dioxide into silicon and the productivity of silicon in the silica are markedly improved.

도 1은 일반적인 실리콘 제조용 전기로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 전기로내에서 실리콘이 제조되는 반응을 나타내는 도면이다.
1 is a view schematically showing an electric furnace for producing a general silicon.
2 is a view showing a reaction in which silicon is produced in an electric furnace.

일반적으로 실리콘은 규석광 중의 이산화규소를 실리콘으로 환원시켜서 제조된다. 일반적으로 규석광으로부터 실리콘의 제조는 전기로에서 행하여진다. 이러한 규석광을 이용한 실리콘의 제조에서, 규석광을 환원시키는 과정, 즉, 이산화규소에서 산소를 떼어내는 반응이 가장 중요하다. 종래에는 상기 이산화규소의 환원에 환원제로서 탄소가 일반적으로 사용되어 왔다. 또한, 탄소보다 산소와의 반응성이 좋은 수소를 환원제로 사용하는 것이 고려될 수 있으나, 수소를 별도로 제조하여 전기로에 투입하는 것은 현실적으로 곤란하다.
Generally, silicon is produced by reducing silicon dioxide in the silica ore into silicon. Generally, the production of silicon from quartzite is carried out in an electric furnace. In the production of silicon using the silica, the process of reducing the silica, that is, the reaction of removing oxygen from silicon dioxide is the most important. Conventionally, carbon has generally been used as a reducing agent for the reduction of silicon dioxide. In addition, although it may be considered to use hydrogen having a better reactivity with oxygen than carbon as a reducing agent, it is difficult to prepare hydrogen separately and input it into an electric furnace.

따라서, 본 발명의 일 구현에 의한 방법에서는 규석광 중의 이산화규소를 환원시켜서 실리콘을 얻는 실리콘 제조공정에 이산화규소의 환원제로서 메탄을 사용한다. 즉, 수소는 종래 사용되던 환원제인 탄소보다 산소와의 반응성이 좋으므로 이산화규소의 실리콘으로의 환원반응 속도가 빨라지며 따라서 실리콘의 생산성이 향상된다. 즉, 본 발명에 의한 방법에 의하면 규석광 중의 이산화규소는 탄소 및 메탄과 반응하여 실리콘으로 환원된다. 또한, 상기 반응은 무산소 분위기에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라, 수소 또는 일산화탄소가 임의로 추가될 수 있다.
Therefore, in the method according to one embodiment of the present invention, methane is used as a reducing agent of silicon dioxide in the silicon production process in which silicon dioxide in the silica is reduced to obtain silicon. That is, since hydrogen has better reactivity with oxygen than carbon, which is a reducing agent used in the related art, the rate of reduction of silicon dioxide to silicon is increased and thus the productivity of silicon is improved. That is, according to the method according to the present invention, silicon dioxide in the silica is reacted with carbon and methane and reduced to silicon. In addition, it is preferable to perform the said reaction in an oxygen free atmosphere. Also, if necessary, hydrogen or carbon monoxide may be optionally added.

구체적으로 상기 메탄가스 환원제는 실리콘 제조용 전기로의 하부면 및/또는 측면으로부터 전기로 내부에 투입될 수 있다. 바람직하게는 전기로의 하부면으로부터 투입된다. 전기로의 하부면으로 상부로 투입되는 메탄가스는 전기로 내부에 장입되어 있는 규석광 및 탄소 공급원 사이의 미세한 공극을 통해 상부로 이동한다. 이와 같이, 반응물 사이를 통과하여 상부로 이동하면서 상기 규광석과 메탄은 넓은 면적에서 접촉될 수 있으며 따라서, 환원반응이 극대화될 수 있다. 나아가, 하부면으로부터 투입되는 메탄가스는 별도의 압력인가 없이 상부로 이동하는 장점이 있다. 상대적으로 측면으로부터 유입되는 메탄가스는규석광 및 탄소 공급원까지 도달하기 어려우며, 이들이 전기로내에 잘 투입되도록 별도의 압력을 필요로 한다.
Specifically, the methane gas reducing agent may be introduced into the electric furnace from the bottom and / or side of the electric furnace for producing silicon. Preferably it is introduced from the lower surface of the electric furnace. Methane gas, which is introduced to the lower side of the furnace, moves upward through the fine pores between the silica and the carbon source charged in the furnace. As such, the silica ore and methane may be contacted in a large area while moving upwards through the reactants, thus reducing the reaction. Furthermore, the methane gas introduced from the lower surface has the advantage of moving to the upper side without applying a separate pressure. Relatively from the side, methane gas is difficult to reach to the quartzite and carbon sources, and requires extra pressure so that they can be introduced into the furnace.

한편, 전기로내의 전극봉에서 발생되는 아크 주변에는 고온, 구체적으로는 약 900℃ 내지 2000℃의 고온 분위기에서 규석광 중의 이산화규소가 일부 환원되어 SiO 및 CO 가스가 발생하며 이와 같이 규석광과 탄소의 반응으로 형성된 가스에 의해 전극 주위에 캐비티(cavity)가 형성된다.
On the other hand, in the vicinity of the arc generated from the electrode in the electric furnace, silicon dioxide in the silica is partially reduced in a high temperature atmosphere, specifically, a temperature of about 900 ° C. to 2000 ° C., and SiO and CO gas are generated. A cavity is formed around the electrode by the gas formed therein.

상기 전기로의 하부면 및/또는 측면으로부터 투입된 메탄가스는 상기 캐비티 내부 및 외부에서 SiO 및/또는 SiO2와 직접적으로 빠른 반응속도로 환원반응되며 이에 따라 실리콘의 생산성이 개선된다. 구체적으로 메탄은 캐비티 내부에서 주로 SiO와 반응하여 실리콘의 형성을 촉진하며 캐비티 외부에서는 주로 SiO2와 반응하여 SiO의 형성을 유도한다. 규석광 중 이산화규소의 실리콘으로의 환원반응은 단순 반응이 아니라 여러가지 중간 생성물을 거치는 반응으로 복합적인 반응의 명확한 메커니즘을 정의하기는 어렵지만, 다음과 같은 반응이 복합적으로 진행되는 것으로 여겨진다. 출발물질은 SiO2와 C이며 중간생성물은 SiC와 SiO(g)이고 최종생성물은 Si와 CO(g)이다.
Methane gas introduced from the bottom and / or side of the furnace is reduced and reacted directly with SiO and / or SiO 2 directly at the inside and outside of the cavity, thereby improving silicon productivity. Specifically, methane mainly reacts with SiO inside the cavity to promote the formation of silicon and outside of the cavity mainly reacts with SiO 2 to induce the formation of SiO. Reduction of silicon dioxide into silicon in the silica is not a simple reaction but a reaction through various intermediate products, but it is difficult to define a clear mechanism of the complex reaction. The starting materials are SiO 2 and C, the intermediates are SiC and SiO (g) and the final products are Si and CO (g).

최종반응식: SiO2 + 2C = Si + 2CO(g)Final reaction formula: SiO 2 + 2C = Si + 2CO (g)

중간생성물 반응식Intermediate Product Scheme

SiO2 + C = SiO(g) + CO(g)SiO 2 + C = SiO (g) + CO (g)

SiO2 + 3C = SiC + 2CO(g)SiO 2 + 3C = SiC + 2CO (g)

SiO(g) + SiC = 2Si + CO(g)SiO (g) + SiC = 2Si + CO (g)

SiO(g) + C = Si + CO(g)
SiO (g) + C = Si + CO (g)

메탄가스를 첨가하는 경우 중간반응식Intermediate reaction when methane is added

SiO2 + 3 CH4(g) = SiC + 2CO(g) + 6H2(g)SiO 2 + 3 CH 4 (g) = SiC + 2CO (g) + 6H 2 (g)

SiO2 + H2(g) = SiO(g) + H2O(g)
SiO 2 + H 2 (g) = SiO (g) + H 2 O (g)

상기 첨가되는 메탄가스의 양은 질량 및 열 밸런스(Mass & Heat Balance) 및 노황을 계측하여 제어될 수 있다. 예를들어, 규석광 중 실리콘의 생성에 관여하는 물질은 SiO2이지만, 규석광 중의 SiO2을 산정하기 곤란할 뿐만 아니라, 규석광의 전체 부분에서 균일하게 반응이 진행되지 못하므로 전기로에서 규석광의 환원반응에서 방출되는 미반응물의 양으로 부터 역으로 계산하여 필요로 하는 메탄을 양을 결정할 수 있다. 또한, 반응온도로부터 반응의 정도를 예측하여 메탄의 양을 결정할 수 있다.
The amount of methane gas added may be controlled by measuring mass and heat balance and sulfur. For example, the material involved in the production of silicon in the quartzite is SiO 2, but it is difficult to calculate SiO 2 in the quartzite, and the reaction does not proceed uniformly in the whole part of the silicate, so the reduction reaction of the silicate in the furnace The amount of methane needed can be determined by calculating the inverse of the amount of unreacted material released in. In addition, the amount of methane can be determined by predicting the degree of reaction from the reaction temperature.

본 발명의 일 구현에 의한 방법에서, 규석광과 탄소의 반응에 메탄 가스가 첨가되는 경우에, 환원제로 탄소 공급원과 메탄 가스는 탄소 공급원 70 중량% 내지 100중량% 미만(100중량% 제외) 및 메탄가스 30 중량% 내지 0 중량% 초과(메탄가스 함량이 0인 경우 제외), 바람직하게는 탄소 공급원 70 중량% 내지 90중량% 및 메탄가스 30 중량% 내지 10중량%로 사용될 수 있다. 적은 양이라도 메탄이 첨가되는 한, 실리콘의 생산성이 개선된다. 그러나, 메탄가스 첨가를 위한 전기로 개조 및 메탄가스 첨가에 의한 생산성 증대에 의한 비용효율 면에서 메탄가스가 종래 첨가되는 환원제, 즉, 탄소공급원의 10중량% 이상으로 첨가되는 것이 바람직하다. 한편 메탄가스 첨가시, 메탄 가스의 분해반응에는 열이 필요하며, 따라서, 전기로 내의 열량이 소모되며 이에 따라 전기로 내의 온도가 낮아진다. 따라서, 메탄가스가 다량 첨가되는 경우에는 메탄가스에 의한 흡열로 인하여 전기로내의 온도가 강하되며 이로 인하여 전기로내에서의 규석광의 환원반응율이 오히려 저하될 수 있다. 따라서, 메탄 가스가 종래 첨가되는 환원제, 즉, 탄소공급원의 30중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 한편, 현재 전기로에서 규석광과 환원제, 즉 탄소공급원은 규석광 55 중량% 내지 75중량%와 환원제 45 중량% 내지 25중량%로 투입되어 반응된다. 따라서, 메탄가스가 추가되는 경우에는 규석광 55 중량% 내지 75중량%와 환원제(탄소 공급원과 메탄의 합) 45 중량% 내지 25중량% 투입될 수 있다.
In the method according to one embodiment of the present invention, when methane gas is added to the reaction of wollastonite and carbon, the carbon source and the methane gas as the reducing agent are 70% to 100% by weight of the carbon source (excluding 100% by weight) and Methane gas may be used in an amount of 30 wt% to more than 0 wt% (except when the methane gas content is 0), preferably 70 wt% to 90 wt% of a carbon source and 30 wt% to 10 wt% of methane gas. As long as small amounts of methane are added, the productivity of silicon is improved. However, methane gas is preferably added at least 10% by weight of the carbon source, in view of the cost efficiency by retrofitting the electric furnace for methane addition and increasing productivity by adding methane gas. On the other hand, when the methane gas is added, heat is required for the decomposition reaction of the methane gas, and therefore, the amount of heat in the electric furnace is consumed, thereby lowering the temperature in the electric furnace. Therefore, when a large amount of methane gas is added, the temperature in the electric furnace is lowered due to the endotherm by the methane gas, and thus, the reduction reaction rate of the quartzite in the electric furnace may be lowered. Therefore, it is preferable that methane gas is added at a conventionally added reducing agent, that is, at most 30% by weight of the carbon source. On the other hand, in the present electric furnace, the silica and the reducing agent, that is, the carbon source is reacted by adding 55 to 75% by weight of the silica ore and 45 to 25% by weight of the reducing agent. Therefore, when methane gas is added, 55 wt% to 75 wt% of silica may be added and 45 wt% to 25 wt% of a reducing agent (a sum of a carbon source and methane).

이때 탄소공급원으로는 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 어떠한 물질이 사용될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 탄소공급원으로는 예를들어, 석탄, 코크스, 목탄, 탄소전극봉 등이 사용될 수 있다.
At this time, any material generally known in the art may be used as the carbon source, but is not limited thereto. For example, coal, coke, charcoal, carbon electrode, etc. may be used as the carbon source.

한편, 메탄가스는 전기로에서 C와 H2로 분해가 되며, 메탄의 분해로 형성된 C는 반응성이 높은 카본 형태이며 H2도 반응에 관여하여 전체적으로 이산화규소의 실리콘으로의 환원 속도를 향상시키는 것으로 기대된다. 이러한 메탄의 분해반응은 1600℃ 이상의 온도에서 활발하게 진행되므로 바람직하게는 메탄을 전기로의 내부 영역 중 온도가 1600℃ 이상인 영역으로 투입하는 것이 바람직하다.
On the other hand, methane gas is decomposed into C and H 2 in an electric furnace, and C formed by the decomposition of methane is a highly reactive carbon form, and H 2 is also involved in the reaction to improve the rate of reduction of silicon dioxide to silicon as a whole. do. Since the decomposition reaction of methane proceeds vigorously at a temperature of 1600 ° C. or higher, it is preferable to inject methane into an area in which the temperature is 1600 ° C. or higher.

SiO2를 주성분으로 하는 실리콘 제조 원료인 규석광 중 이산화규소(SiO2)의 실리콘으로의 환원제로서 메탄가스를 추가적으로 사용하므로써 이산화규소의 실리콘으로의 생성속도, 구체적으로는 환원속도가 향상되며 따라서 실리콘의 생산성이 향상될 수 있다. 또한, 메탄가스를 사용하므로써 종래 첨가되던 탄소 공급원의 사용 양이 감소될 수 있다. 탄소공급원의 사용량이 감소되더라도 실리콘의 생산성은 향상될 수 있다.
SiO production rate of silicon to the silicon dioxide By 2, the main component in addition to methane as the reducing agent to the silicon of the silicon manufacturing raw material for silica dioxide (SiO 2) of the light used for, specifically, and enhance the reduction rate according silicon The productivity of can be improved. In addition, the use of methane gas can reduce the amount of carbon source added conventionally. Even if the amount of carbon source used is reduced, the productivity of silicon can be improved.

이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 구현에 대하여 상세히 설명한다. 도 1에는 일반적인 실리콘 제조용 전기로를 개략적으로 도시하였다. 도 2에는 전기로 내의 반응을 나타내었다.
Hereinafter, with reference to the drawings will be described in detail an embodiment of the present invention. 1 schematically shows an electric furnace for producing a general silicon. 2 shows the reaction in the electric furnace.

전기로(10)의 내부에는 반응물(11)인 규석광 및 탄소 공급원이 장입된다. 탄소공급원으로는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 석탄, 코크스, 목탄, 탄소전극봉 등이 사용될 수 있다. 메탄가스는 전극봉(12)이 위치하는 하부의 다공성 플러그(porosity plug) (13)를 통해 전기로의 하부면으로 부터 및/또는 측벽 랜스(14)를 통해 전기로의 측면으로부터 전기로 (10)의 내부로 투입될 수 있다.
Inside the electric furnace 10 is charged with a silica ore and a carbon source, which is a reactant 11. As the carbon source, but not limited thereto, for example, coal, coke, charcoal, a carbon electrode, or the like can be used. Methane gas is from the bottom of the furnace via the lower porosity plug 13 on which the electrode 12 is located and / or from the side of the furnace via the side wall lance 14 to the interior of the furnace 10. It can be put into.

전극봉 (12)에서 발생되는 아크에 의해 전기로 내부는 고온, 예를들어, 약 900℃ 내지 2000℃의 고온 분위기가 되며, 이러한 고온에서 규석광 중의 이산화규소와 탄소공급원에 의한 탄소 및 메탄의 반응으로 이산화규소가 환원되어 실리콘이 형성된다. 전기로 내부는 또한 무산소 분위기이다.
The arc generated in the electrode 12 causes the interior of the furnace to be heated to a high temperature, for example, between about 900 ° C. and 2000 ° C., at which temperature the reaction of silicon dioxide in the quartzite with carbon and methane by a carbon source As a result, silicon dioxide is reduced to form silicon. The furnace interior is also oxygen free.

이 때, 상기한 바와 같이 환원제로 사용되는 탄소공급원 및 메탄가스는 탄소 공급원 70 중량% 내지 100중량% 미만(100중량% 제외) 및 메탄가스 30 중량% 내지 0 중량% 초과(메탄가스 함량이 0인 경우 제외), 바람직하게는 탄소 공급원 70 중량% 내지 90중량% 및 메탄가스 30 중량% 내지 10중량%로 사용될 수 있다. 또한, 규석광 및 환원제는 규석광 55 중량% 내지 75중량%와 환원제(탄소 공급원과 메탄의 합) 45 중량% 내지 25중량%로 사용될 수 있다.
At this time, the carbon source and methane gas used as the reducing agent as described above are 70% to 100% by weight (excluding 100% by weight) of carbon source and 30% to 0% by weight of methane gas (methane gas content is 0 ), Preferably from 70% to 90% by weight of carbon source and from 30% to 10% by weight of methane gas. In addition, silica ore and reducing agent may be used in the range of 55% to 75% by weight of quartzite and 45% to 25% by weight of the reducing agent (sum of carbon source and methane).

상기 이산화규소의 환원반응에서 SiC, SiO, CO, 및 Si 등이 형성된다. 이중 SiO 및 CO 가스에 의해 도 2에 나타낸 바와 같이 전극봉 (12) 주위에 캐비티가 형성된다. 한편, 상기 전기로 하부의 다공성 플러그(13)을 통해 전기로 내부로 투입된 메탄은 전기로 내부에 장입되어 있는 규석광 및 탄소 공급원 사이의 미세가 공극을 통해 상부로 이동하며, 캐비티 내부 및/또는 캐비티 외부에서 SiO 및/또는 SiO2와 반응하여 이들을 실리콘으로 환원시킨다. 전기로의 측면 랜스(14)에서 유입되는 메탄은 대부분 캐비티 내부의 반응까지 도달하지 않은 채로 전기로내의 높은 분위기 온도에서 SiO2와의 환원반응에 의해 SiO의 형성을 촉진하는 작용을 한다. 그러나, 측면 랜스(14)로 유입된 메탄 또한, 캐비티 내부에 도달하여 SiO 및/또는 SiO2와 반응할 수도 있다.
In the reduction reaction of the silicon dioxide, SiC, SiO, CO, Si and the like are formed. Among them, a cavity is formed around the electrode 12 as shown in FIG. 2 by SiO and CO gas. On the other hand, the methane introduced into the electric furnace through the porous plug 13 in the lower part of the electric furnace moves finely between the silica ore and the carbon source charged in the electric furnace through the pores, and inside the cavity and / or Reacts with SiO and / or SiO 2 outside the cavity to reduce them to silicon. Methane introduced from the side lance 14 of the electric furnace serves to promote the formation of SiO by a reduction reaction with SiO 2 at a high ambient temperature in the electric furnace without reaching most of the reaction inside the cavity. However, the methane introduced into the side lance 14 may also reach inside the cavity and react with SiO and / or SiO 2 .

환원제로서 메탄을 사용하므로써, 구체적으로는 전기로의 하부면 및/또는 측면에서 메탄을 전기로에 투입하여 규석광, 탄소 및 메탄을 반응시키므로써 실리콘의 생성속도, 구체적으로는 규석광중 이산화규소의 환원속도가 빨라지고 실리콘의 생산성이 증대된다. 또한, 탄소 공급원의 사용양을 줄일 수 있다.
By using methane as the reducing agent, specifically, the rate of silicon production, specifically the rate of reduction of silicon dioxide in the silica, is achieved by adding methane to the furnace at the bottom and / or side of the furnace to react the silica, carbon and methane. Is faster and the productivity of silicon is increased. In addition, the amount of carbon source used can be reduced.

본 발명에 의한 방법은 종래 규석광과 탄소의 반응에 의한 실리콘 생성에 환원제로서 메탄가스를 함께 사용하는 것으로 본 명세서에서 달리 언급하지 않는 한, 일반적으로 알려져 있는 규석광과 탄소의 반응에 의한 실리콘 제조 조업 공정변수에 따라 본 발명에 의한 방법을 행할 수 있으며, 이러한 일반적인 사항을 특히 한정하는 것은 아니다.
The method according to the present invention uses methane gas as a reducing agent in the production of silicon by the reaction of conventional silica with ore, unless otherwise mentioned in the present specification. The process according to the invention can be carried out depending on the operating process variables, and this general matter is not particularly limited.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

실시예 1Example 1

전기로에 규석광 3톤, 목탄 0.7톤, 코크스 1.2톤, 탄소전극봉 0.1 톤, 메탄가스 0.35톤, 산소 5㎥으로 장입하고 13kWh/kg으로 전극에 전기를 가하여 조업하였다. 이에 따라, 규석광 중의 이산화규소가 탄소 공급원인 목탄, 코크스 및 탄소전극봉 및 메탄 가스에 실리콘으로 환원되어 실리콘을 얻었다.
The furnace was charged with 3 tonnes of silica ore, 0.7 tonnes of charcoal, 1.2 tonnes of coke, 0.1 tonnes of carbon electrode, 0.35 tonnes of methane gas and 5 ㎥ of oxygen, and operated by applying electricity to the electrode at 13 kWh / kg. Accordingly, silicon dioxide in the silica was reduced to silicon in charcoal, coke and carbon electrode and methane gas as a carbon source to obtain silicon.

비교예 1Comparative Example 1

전기로에 규석광 3톤, 목탄 0.7톤, 코크스 1.5톤, 탄소전극봉 0.1 톤, 메탄가스 0.35톤, 산소 5㎥으로 장입하고 13kWh/kg으로 전극에 전기를 가하여 조업하였다. 이에 따라, 규석광 중의 이산화규소가 탄소 공급원인 목탄, 코크스 및 탄소전극봉에 의해 실리콘으로 환원되어 실리콘을 얻었다.
The furnace was charged with 3 tonnes of silica, 0.7 tonnes of charcoal, 1.5 tonnes of coke, 0.1 tonnes of carbon electrode, 0.35 tonnes of methane gas and 5 ㎥ of oxygen, and operated by applying electricity to the electrode at 13 kWh / kg. Accordingly, silicon dioxide in the silica was reduced to silicon by charcoal, coke and carbon electrode rods as carbon sources to obtain silicon.

상기한 바와 같이, 규석광을 이용한 실리콘 제조에 탄소 공급원뿐만 아니라, 메탄가스를 함께 사용하므로써 탄소 공급원의 사용양이 감소되고 또한, 실리콘이 효율적으로 얻어졌다.
As described above, by using not only a carbon source but also methane gas for silicon production using silica ore, the use amount of the carbon source was reduced, and silicon was obtained efficiently.

10... 전기로 11... 반응물 (규석광 및 탄소 공급원)
12... 전극봉 13... 다공성 플러그
14... 랜스 (메탄가스 투입)
10 ... Furnace 11 ... Reactant (silicite and carbon source)
12 ... electrode 13 ... porous plug
14 ... Lance

Claims (4)

환원제로 탄소 공급원 70 중량% 내지 100중량% 미만 및 메탄가스 30 중량% 내지 0중량% 초과로 그리고, 규석광 55 중량% 내지 75중량% 및 환원제(탄소공급원과 메탄가스) 45 중량% 내지 25중량%의 양으로 한 규석광, 탄소 공급원 및 메탄의 반응에 의한 실리콘 제조방법.70% to less than 100% by weight of carbon source and 30% to 0% by weight of methane gas, and 55% to 75% by weight of quartzite and 45% to 25% by weight of reducing agent (carbon source and methane gas) as reducing agent Process for the production of silicon by the reaction of quartzite, carbon source and methane in the amount of%. 전기로에서 규석광과 탄소를 반응시켜 실리콘을 제조하는 방법에 있어서,
환원제로 탄소 공급원 70 중량% 내지 100중량% 미만 및 메탄가스 30 중량% 내지 0중량% 초과로 사용되고, 규석광 55 중량% 내지 75중량% 및 환원제(탄소공급원과 메탄가스) 45 중량% 내지 25중량%이 되도록, 상기 전기로의 하부면 및 측면 중 최소 한 부분을 통해 전기로내에 메탄가스가 투입되는, 상기 규석광, 탄소 공급원 및 투입된 메탄의 반응에 의한 실리콘 제조방법.
In the method for producing silicon by reacting silica with carbon in an electric furnace,
Used as a reducing agent in a carbon source of less than 70% to 100% by weight and methane gas 30% to more than 0% by weight, 55% to 75% by weight of quartzite and 45% to 25% by weight of reducing agent (carbon source and methane gas) And methane gas is introduced into the electric furnace through at least one of the lower and side surfaces of the electric furnace so as to be%.
제 1 항 또는 2항에 있어서, 수소 및 일산화탄소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 일종의 가스가 추가로 도입되는 실리콘 제조방법. The method of claim 1 or 2, wherein at least one gas selected from the group consisting of hydrogen and carbon monoxide is further introduced. 제 1 항 또는 2항에 있어서, 상기 반응은 900℃ 내지 2000℃의 온도에서 행하여지는 실리콘 제조방법. The method of claim 1, wherein the reaction is performed at a temperature of 900 ° C. to 2000 ° C. 4.
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