RU2841183C1 - Method of producing silicon metal - Google Patents
Method of producing silicon metal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2841183C1 RU2841183C1 RU2024112762A RU2024112762A RU2841183C1 RU 2841183 C1 RU2841183 C1 RU 2841183C1 RU 2024112762 A RU2024112762 A RU 2024112762A RU 2024112762 A RU2024112762 A RU 2024112762A RU 2841183 C1 RU2841183 C1 RU 2841183C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- hydrogen
- silicon dioxide
- mixture
- powder
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к производству неметаллических элементов, а именно к способам получения кремния восстановлением диоксида кремния или материала, содержащего диоксид кремния и может быть использовано в цветной металлургии для применения в фотоэлектронной промышленности, например, для изготовления солнечных батарей.The invention relates to the production of non-metallic elements, namely to methods for obtaining silicon by reducing silicon dioxide or a material containing silicon dioxide, and can be used in non-ferrous metallurgy for use in the photoelectronic industry, for example, for the manufacture of solar batteries.
Известен способ получения металлического кремния, представленный в п. №2160705 по кл. С01В 33/025, з. 11.02.1999 г., опубл. 20.12.2000 г. Известный способ характеризуется следующей формулой:A method for producing metallic silicon is known, presented in item No. 2160705 under class C01B 33/025, issue 11.02.1999, published 20.12.2000. The known method is characterized by the following formula:
1. Способ получения кремния, включающий карботермическое восстановление диоксида кремния, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют жидкую фенольную смолу, при этом процесс карботермического восстановления ведут в три приема: от комнатной температуры до 160°С при 0,1-0,7 МПа, далее до 800°С с выдержкой при этой температуре в течение 1 ч, до 1700°С - среде инертного газа в два этапа до 130-1400°С при 0,01 Па и с 1300-1400 до 1700°С при повышающемся давлении от 0,01 Па до 0,1 МПа.1. A method for producing silicon, including carbothermic reduction of silicon dioxide, characterized in that a liquid phenolic resin is used as a reducing agent, and the carbothermic reduction process is carried out in three stages: from room temperature to 160°C at 0.1-0.7 MPa, then to 800°C with holding at this temperature for 1 hour, to 1700°C - in an inert gas environment in two stages to 130-1400°C at 0.01 Pa and from 1300-1400 to 1700°C with increasing pressure from 0.01 Pa to 0.1 MPa.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют диоксид кремния с содержанием примесей не более 190 ppm.2. The method according to paragraph 1, characterized in that silicon dioxide with an impurity content of no more than 190 ppm is used.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что восстановитель содержит примесей не более 80 ppm.3. The method according to paragraph 1, characterized in that the reducing agent contains impurities of no more than 80 ppm.
Недостатком известного способа является его многоэтапность, а также использование в процессе производства фенольной смолы.The disadvantage of the known method is its multi-stage nature, as well as the use of phenolic resin in the production process.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому заявителям представляется описанный в этом же патенте способ получения кремния, известный из японского патента №61006112, класс МКИ С01В 33/02, выбранный в качестве прототипа.The closest in technical essence to the method claimed by the applicants is the method for producing silicon described in the same patent, known from Japanese patent No. 61006112, class MKI C01B 33/02, chosen as a prototype.
Согласно известному способу, порошок SiO2 вдувают в нагретую до 1300°С печь с помощью газа-носителя (аргона, водорода). Углеродсодержащим восстановителем является органическое соединение - газообразный углеводород. Для обеспечения максимально полного контакта между порошком диоксида кремния и газообразным углеводородом процесс науглероживания проводят в кипящем слое. Использование дисперсного порошка диоксида позволяет увеличить активность образующейся шихты для восстановления SiO2. При температуре 1300°С осажденный во время науглероживания на поверхность кварцевых частиц пироуглерод переходит в карбид кремния. Далее смесь SiO2-SiC поступает в плазменную плавильную печь, где при более высоких температурах происходит взаимодействие в расплаве между компонентами смеси с образованием расплава металлического кремния.According to the known method, SiO 2 powder is blown into a furnace heated to 1300°C using a carrier gas (argon, hydrogen). The carbon-containing reducing agent is an organic compound - a gaseous hydrocarbon. To ensure the most complete contact between the silicon dioxide powder and the gaseous hydrocarbon, the carburization process is carried out in a fluidized bed. The use of dispersed dioxide powder allows increasing the activity of the resulting charge for the reduction of SiO 2 . At a temperature of 1300°C, pyrocarbon deposited on the surface of quartz particles during carburization turns into silicon carbide. Then the SiO 2 -SiC mixture enters a plasma melting furnace, where at higher temperatures, interaction in the melt between the components of the mixture occurs with the formation of a melt of metallic silicon.
Недостатками данного способа является то, что со всех сторон покрывающий кварцевые частицы слой пироуглерода или сажи во время науглероживания не образует плотного, хорошо сцепленного с поверхностью диоксида кремния покрытия, что определяет низкий уровень межфазного взаимодействия на границе "SiO2-углерод". Это происходит потому, что стадии адсорбции углеводородного восстановителя на поверхности кварцевых частиц и его пиролиз с образованием слоя пироуглерода на частицах протекают практически одновременно. При этом углеводород не успевает проникнуть в самые малые поры и трещины порошка диоксида кремния из-за диффузионных затруднений, особенно нарастающих по мере образования слоя пироуглерода или сажи на частицах. Эти факторы не способствуют формированию выгодного для последующего восстановления SiO2 межфазного контакта. Кроме того, обычно используемые в пиролизе углеводороды - алканы, алкены или алкины - газы, неполярная природа которых не приводит к образованию на границе с поверхностью диоксида кремния слоя кокса, имеющего хорошую адгезию к подложке SiO2.The disadvantages of this method are that the layer of pyrocarbon or soot covering the quartz particles on all sides does not form a dense coating well bonded to the surface of silicon dioxide during carburization, which determines the low level of interphase interaction at the "SiO 2 -carbon" boundary. This occurs because the stages of adsorption of the hydrocarbon reducing agent on the surface of the quartz particles and its pyrolysis with the formation of a pyrocarbon layer on the particles occur almost simultaneously. In this case, the hydrocarbon does not have time to penetrate into the smallest pores and cracks of the silicon dioxide powder due to diffusion difficulties, especially increasing as the pyrocarbon or soot layer forms on the particles. These factors do not contribute to the formation of an interphase contact favorable for the subsequent reduction of SiO 2 . In addition, the hydrocarbons commonly used in pyrolysis - alkanes, alkenes or alkynes - are gases whose non-polar nature does not lead to the formation of a coke layer at the boundary with the silicon dioxide surface, which has good adhesion to the SiO 2 substrate.
Эта особенность шихты SiC-SiO2 сохраняется и после образования слоя SiC на поверхности кварцевых частиц за счет реакции:This feature of the SiC-SiO 2 mixture is retained even after the formation of the SiC layer on the surface of the quartz particles due to the reaction:
т.к. при карботермическом восстановлении образующийся карбид всегда наследует структуру своего углеродного предшественника. Поэтому шихта промежуточного состава SiC-SiO2 представляет собой рыхлый, осыпающийся брикет и не имеет достаточной технологической прочности.since during carbothermic reduction the resulting carbide always inherits the structure of its carbon precursor. Therefore, the charge of intermediate composition SiC-SiO 2 is a loose, crumbling briquette and does not have sufficient technological strength.
Если сказать проще, то металлический кремний оказывается загрязнен сажей.To put it simply, the metallic silicon becomes contaminated with soot.
Задачей заявляемого способ является получение химически чистого металлического кремния.The objective of the claimed method is to obtain chemically pure metallic silicon.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения металлического кремния, включающем измельчение исходного сырья в виде лиоксида кремния до получения его в порошкообразном состоянии, последующее вдувание с помощью газа-носителя в виде водорода полученного порошка SiO2 в устройство плазменной обработки, имеющее температуру не ниже 1300°С, последующее перемешивание порошка диоксида кремния и газообразного двухэлементного газообразного восстановителя в устройстве плазменной обработки, где при более высоких температурах и обеспечении контакта между собой названных компонентов смеси происходит их взаимодействие с образованием расплава металлического кремния, согласно изобретению, в качестве сырья используют песок с содержанием диоксида кремния не менее 98%, измельчение сырья производят до фракции не более 1-го микрона, контролируя процесс щелевым фильтром, полученный порошок вдувают в печь с использованием избытка водорода с помощью пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м3/час, в качестве двухэлементного газа - восстановителя используют смесь «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль O2 : 2 моль Н, для плазменной обработки используют устройство, в котором при взаимодействии компонентов смеси часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого расплава металлического кремния.The stated problem is solved in that in the method for producing metallic silicon, which includes grinding the initial raw material in the form of silicon dioxide until it is obtained in a powder state, then blowing the obtained SiO 2 powder into a plasma processing device with a temperature of at least 1300 °C using a carrier gas in the form of hydrogen, then mixing the silicon dioxide powder and the gaseous two-element gaseous reducing agent in the plasma processing device, where at higher temperatures and ensuring contact between the said components of the mixture, they interact to form a melt of metallic silicon, according to the invention, sand with a silicon dioxide content of at least 98% is used as the raw material, the raw material is ground to a fraction of no more than 1 micron, controlling the process with a slit filter, the obtained powder is blown into the furnace using excess hydrogen using a sandblasting unit at a feed rate of 1 to 2 m 3 /hour, a mixture of "pure oxygen" is used as the two-element reducing gas - hydrogen" in a ratio of 1 mol O2 : 2 mol H, for plasma treatment they use a device in which, when the components of the mixture interact, part of the oxygen burns, raising the heating temperature to 1400-1600°C, and part of the hydrogen goes to the reduction of silicon, taking oxygen from silicon dioxide with the formation of a chemically pure melt of metallic silicon.
Использование в качестве исходного сырья кварцевого песка с содержанием диоксида кремния не менее 98% в совокупности с последующим измельчением его до дисперсного состояния (не более 1 микрона) увеличивает активность шихты; вдувание его с помощью пескоструйной установки с достаточно большой скоростью с избытком водорода в плавильную печь обеспечивает высокую интенсивность перемешивания компонентов - порошка двуокиси кремния и двухэлементного газообразного восстановителя в устройстве плазменной обработки; использование для плазменной обработки устройства, обеспечивающего дальнейшее взаимодействие компонентов смеси между собой при их контакте, при котором часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого металлического кремния, т.е. позволяет достичь заданного результата.The use of quartz sand with a silicon dioxide content of at least 98% as a feedstock, together with its subsequent grinding to a dispersed state (no more than 1 micron), increases the activity of the batch; blowing it into the melting furnace with a sandblasting unit at a sufficiently high speed with excess hydrogen ensures high intensity of mixing of the components - silicon dioxide powder and a two-element gaseous reducing agent in the plasma processing device; using a device for plasma processing that ensures further interaction of the components of the mixture with each other upon their contact, during which part of the oxygen burns, raising the heating temperature to 1400-1600 ° C, and part of the hydrogen goes to reduce silicon, taking oxygen from silicon dioxide with the formation of chemically pure metallic silicon, i.e. allows achieving the desired result.
Технический результат - получение химически чистого металлического кремния.The technical result is the production of chemically pure metallic silicon.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как использование в качестве сырья песка с содержанием диоксида кремния не менее 98%, измельчение сырья до фракции не более 1-го микрона, контролируя процесс щелевым фильтром, вдувание полученного порошка в устройство плазменной обработки с использованием избытка водорода с помощью пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м3/час, использование в качестве двухэлементного газа - восстановителя смеси «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль О2 : 2 моль Н, использования для плазменной обработки устройства, в котором при взаимодействии компонентов смеси часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого расплава металлического кремния, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.The claimed method is novel in comparison with the prototype, differing from it in such essential features as the use of sand with a silicon dioxide content of at least 98% as raw material, grinding the raw material to a fraction of no more than 1 micron, controlling the process with a slit filter, blowing the resulting powder into a plasma processing device using excess hydrogen using a sandblasting unit at a feed rate of 1 to 2 m3 /hour, using a mixture of "pure oxygen - hydrogen" in a ratio of 1 mol O2 : 2 mol H as a two-element reducing gas, using a device for plasma processing in which, during the interaction of the components of the mixture, part of the oxygen burns, raising the heating temperature to 1400-1600 °C, and part of the hydrogen goes to the reduction of silicon, taking oxygen from silicon dioxide with the formation of a chemically pure melt of metallic silicon, ensuring the achievement of the specified result in aggregate.
Заявителям неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результата, поэтому они считают, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».The applicants are not aware of any technical solutions that possess the specified distinctive features that would, taken together, ensure the achievement of the specified result, and therefore they believe that the claimed method meets the criterion of “inventive step”.
Заявляемый способ получения металлического кремния может найти широкое применение в его производстве и потому соответствует критерию «промышленная применимость».The claimed method for obtaining metallic silicon can find wide application in its production and therefore meets the criterion of “industrial applicability”.
Заявляемый способ заключается в следующем.The claimed method is as follows.
Для получения металлического кремния в качестве сырья используют песок с содержанием диоксида кремния не менее 98%, который далее подвергают измельчению его до порошкообразного состояния в виде фракции не более 1 микрона, контролируя процесс измельчения с помощью щелевого фильтра. Затем полученный порошок SiO2 вдувают с помощью газа-носителя в виде водорода посредством пескоструйной установки со скоростью подачи от 1 до 2 м3/час в устройство плазменной обработки, имеющее температуру не ниже 1300°С. При этом для плазменной обработки используют устройство, которое выполнено с возможностью регулирования параметров процесса. В это же устройство подают двухэлементный газообразный восстановитель, в качестве которого используют смесь «чистый кислород - водород» в соотношении 1 моль О2: 2 моль Н. Здесь и происходит перемешивание названных компонентов. При взаимодействии компонентов смеси между собой в устройстве плазменной обработки часть кислорода сгорает, поднимая температуру нагрева до 1400-1600°С, а часть водорода идет на восстановление кремния, отнимая кислород у диоксида кремния с образованием химически чистого расплава металлического кремния.To obtain metallic silicon, sand with a silicon dioxide content of at least 98% is used as a raw material, which is then subjected to grinding to a powder state in the form of a fraction of no more than 1 micron, controlling the grinding process using a slit filter. Then the obtained SiO 2 powder is blown using a carrier gas in the form of hydrogen by means of a sandblasting unit at a feed rate of 1 to 2 m 3 /hour into a plasma processing device having a temperature of at least 1300 °C. In this case, a device that is designed with the ability to regulate the process parameters is used for plasma processing. A two-element gaseous reducing agent is fed into the same device, which is a mixture of "pure oxygen - hydrogen" in a ratio of 1 mol O 2 : 2 mol H. Here, the mixing of these components occurs. When the components of the mixture interact with each other in the plasma processing device, some of the oxygen burns, raising the heating temperature to 1400-1600°C, and some of the hydrogen goes to the reduction of silicon, taking oxygen from silicon dioxide with the formation of a chemically pure melt of metallic silicon.
На практике в качестве сырья используют, в частности, пески карьеров Челябинской области.In practice, sand from quarries in the Chelyabinsk region is used as raw material, in particular.
В сравнении с прототипом заявляемый способ обеспечивает получение химически чистого металлического кремния.In comparison with the prototype, the claimed method ensures the production of chemically pure metallic silicon.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2841183C1 true RU2841183C1 (en) | 2025-06-03 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0227023A1 (en) * | 1985-12-26 | 1987-07-01 | Dow Corning Corporation | A plasma smelting process for silicon |
| WO2007102745A1 (en) * | 2006-03-07 | 2007-09-13 | Kopperaa Miljöinvest As | Method for the manufacture of pure silicon metal and amorphous silica by reduction of quartz (sio2) |
| RU2367600C1 (en) * | 2008-04-16 | 2009-09-20 | Борис Георгиевич Грибов | Method for preparation of high-purity silicon |
| RU2385291C1 (en) * | 2008-06-24 | 2010-03-27 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской Академии Сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ) | Method of production of high purity crystal silicon (versions) |
| RU2542274C1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method for preparing silicon |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0227023A1 (en) * | 1985-12-26 | 1987-07-01 | Dow Corning Corporation | A plasma smelting process for silicon |
| WO2007102745A1 (en) * | 2006-03-07 | 2007-09-13 | Kopperaa Miljöinvest As | Method for the manufacture of pure silicon metal and amorphous silica by reduction of quartz (sio2) |
| RU2367600C1 (en) * | 2008-04-16 | 2009-09-20 | Борис Георгиевич Грибов | Method for preparation of high-purity silicon |
| RU2385291C1 (en) * | 2008-06-24 | 2010-03-27 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской Академии Сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ) | Method of production of high purity crystal silicon (versions) |
| RU2542274C1 (en) * | 2013-08-20 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" | Method for preparing silicon |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГРИШИН Ю.М. и др. Экспериментальное исследование плазмохимического метода прямого получения кремния из кварца, Теплофизика высоких температур, 2012, Т. 50, N4, сс. 491-495. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4248844A (en) | Production of SiC from rice hulls and silica | |
| US20090200512A1 (en) | Manufacture and Use of Engineered Carbide and Nitride Composites | |
| JP5552490B2 (en) | Method for producing high purity silicon nitride | |
| WO1983004188A1 (en) | Process for manufacturing metal carbides and their precursors | |
| EP1351891A1 (en) | Method for utilising a waste slurry from silicon wafer production | |
| TW201022143A (en) | Preparation of silicon by reaction of silicon oxide and silicon carbide, optionally in the presence of a second carbon source | |
| RU2841183C1 (en) | Method of producing silicon metal | |
| FR2545077A1 (en) | PREPARATION OF METALLIC DIBORIDE POWDERS | |
| JPS5913442B2 (en) | Manufacturing method of high purity type silicon nitride | |
| KR101549477B1 (en) | Manufacturing Method of High Purity SiC Powder | |
| CN117285016A (en) | A method of preparing silicon nitride nanowires | |
| RU2160705C2 (en) | Method of production of metallic silicon | |
| KR100959931B1 (en) | Method of producing titanium nitride powder | |
| JP2721678B2 (en) | β-silicon carbide molded body and method for producing the same | |
| KR101587262B1 (en) | High-efficiency silicon carbide powder manufacturing method | |
| CN111943151B (en) | Method for improving titanium-containing blast furnace slag carbonitride efficiency and preparing titanium carbonitride | |
| FR2638733A1 (en) | PROCESS FOR PRODUCING MICRONIC SILICON CARBIDE | |
| RU2359905C1 (en) | Method of charge receiving for manufacturing of silicon-carbide ceramics by means of solid-phase sintering | |
| KR102815142B1 (en) | Method of manufacturing silicon carbide powder using low temperature carbonization process and silicon carbide powder manufactured by the method | |
| RU2789998C1 (en) | Method for obtaining silicon carbide | |
| JPS60141698A (en) | Manufacture of silicon carbide whisker | |
| JP2022136391A (en) | Al4SiC4 composition or Al4SiC4 powder, and method for producing the same | |
| JP2000044223A (en) | Method for producing silicon carbide | |
| KR102642300B1 (en) | High thermal conductivity nanodiamond and preparing method thereof | |
| JPH0121090B2 (en) |