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Molecule
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silicon
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carbon
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CO
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propane
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iron
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aluminium
(1)
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sucrose
(1)
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oxygen
(1)
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carbon oxide
(1)
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hydrogen
(1)
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Gene Or Protein
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Etre
(15)
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DANS
(2)
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Est-a
(2)
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Dnt
(1)
[21][_]
Neur
(1)
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Tio
(1)
[23][_]
Physical
(13/ 13)
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5 %
(1)
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de 99,99 %
(1)
[26][_]
98 %
(1)
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de 25-45 M
(1)
[28][_]
de 9 M
(1)
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100 ppm
(1)
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0,1 mm
(1)
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2,5 kg
(1)
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1,5 kg
(1)
[33][_]
300 kg
(1)
[34][_]
1,2 kg
(1)
[35][_]
200 kg
(1)
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0,1 %
(1)
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Generic
(2/ 3)
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carbide
(2)
[39][_]
hydrocarbon
(1)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2514744A1
Family ID 3741983
Probable Assignee Skf Steel Engineering Aktiebolag A Corp Of Sweden
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE POUR FABRIQUER DU silicon A PARTIR DE MATERIAU
PULVERULENT CONTENANT DE LA SILICE
Abstract
_________________________________________________________________
PROCEDE POUR FABRIQUER DU silicon A PARTIR DE MATERIAU PULVERULENT
CONTENANT DE LA SILICE; LE MATERIAU PULVERULENT CONTENANT DE LA
SILICE, EVENTUELLEMENT EN MEME TEMPS QU'UN AGENT REDUCTEUR, EST
INJECTE DANS UN PLASMA GAZEUX A L'AIDE D'UN GAZ PORTEUR, APRES QUOI LE
MATERIAU A BASE DE SILICE AINSI CHAUFFE, AVEC L'AGENT REDUCTEUR S'IL Y
EN A ET LE PLASMA GAZEUX FORTEMENT ENERGETIQUE, EST INTRODUIT DANS UNE
CHAMBRE DE REACTION ENTOUREE PAR UN AGENT REDUCTEUR SOLIDE EN
MORCEAUX; CE PROCEDE PERMET D'OBTENIR DU silicon EXTREMEMENT PUR
POSSEDANT UN DEGRE DE POLLUTION D'AU PLUS 100PPM.
Description
_________________________________________________________________
Procede pour fabriquer du silicon a partir de materiau
pulverulent contenant de la silice.
La presente invention concerne un procede pour
fabriquer du silicon a partir de materiau pulverulent con-
tenant de la silice.
La production annuelle mondiale au moment de la presente demande est
voisine de 2 millions de tonnes
par an de silicon, dont 5 % sont utilises pour la fabrica-
tion de silicon pur et le reste dans l'industrie du iron et de
l'aluminium 10 X du silicon pur sont utilises dans l'industrie des
semiconducteurs, c'est-a-dire environ
10 000 tonnes.
Il faut s'attendre a ce que la consommation en silicon augmente tres
fortement pendant les prochaines decades, principalement du fait qu'il
est tres interessant
d'utiliser l'energie solaire pour produire de l'electrici-
te On utilise de preference du silicon pur dans les cel-
lules solaires, c'est-a-dire une qualite dite "qualite so-
laire" et entrainant une purete de 99,99 % Cependant, le type
d'impurete est egalement considerablement important
et par consequent le choix du produit brut est critique.
Le silicon le plus pur est fabrique par re-
duction directe dans des fours a arc electrique, qui four-
nit une qualite dite qualite metallurgique La purete est alors
d'environ 98 % Pour etre utilise dans des cellules solaires, ce
silicon doit etre purifie par dissolution et
elimination des impuretes Le silicon extremement pur de-
vient de ce fait extremement couteux, ce qui le rend peu
avantageux pour produire de l'electricite a l'aide de cel-
lules solaires realisees a partir de ce silicon.
On progresse dans le developpement intensif de la mise au point de
procedes permettant une fabrication
moins couteuse de silicon extremement pur Un procede con-
siste a utiliser des matieres premieres plus pures Cepen-
dnt, ceci seul ne suffit pas a rendre les processus avan-
tageux Les fours a arc electrique necessitent un materiau de depart en
morceaux, ce qui limite le choix des matieres premieres et rend plus
difficile l'utilisation de matieres premieres extremement pures En
outre, les particules de silice doivent etre agglomerees a l'aide
d'une certaine forme de liant avant de pouvoir les utiliser, ce qui
rend
encore les procedes plus couteux.
Le procede du four a arc est egalement sensible aux proprietes
electriques des matieres premieres et de ce
fait l'utilisation d'agents reducteurs avec une faible te-
neur d'impurete est compliquee Etant donne qu'on doit uti-
liser un materiau en morceaux comme materiau de depart, on obtient un
contact local plus faible entre la silice et l'agent reducteur, ce qui
donne lieu a une perte de Si O.
Cette perte est egalement augmentee du fait qu'avec ce pro-
cede, il apparait localement des temperatures extremement elevees De
plus, il est extremement difficile de maintenir des conditions
reductrices absolues dans la chambre a gaz du four a arc et le Si O
produit est reoxyde pour former
du Si O 2.
Les facteurs mentionnes ci-dessus sont la cause
de la plupart des pertes apparaissant avec ce procede, com-
me on peut egalement le voir d'apres la consommation d'e-
lectricite mesuree pour ce procede connu, qui est de 25-45 M Wh/tonne
par rapport-a une consommation d'electricite theorique estimee de 9 M
Wh/tonne Finalement, la perte de Si O et la re-oxydation de Si O en Si
O 2 se traduisent par des
interruptions de fonctionnement tres importantes etant don-
ne que les conduites de gaz s'engorgent.
La presente invention se propose d'eliminer les inconvenients
mentionnes ci-dessus et de fournir un procede qui permet de fabriquer
du silicon extremement pur en une seule operation et permet d'utiliser
des matieres premieres pulverulentes. Ce but est atteint dans le
procede decrit dans S le preambule grace a la solution suivant
l'invention, dans
laquelle la nouveaute essentielle reside en ce que le ma-
teriau pulverulent contenant de la silice, eventuellement en meme
temps qu'un agent reducteur, est injecte dans un
plasma gazeux a l'aide d'un gaz porteur, apres quoi le ma-
teriau a base de silice ainsi chauffe, avec l'agent reduc-
teur s'il y en a et le plasma gazeux fortement energetique, est
introduit dans une chambre de reaction sensiblement
entouree par un agent reducteur solide en morceaux.
Cette facon de proceder permet de concentrer toute la sequence de
reaction dans une zone de reaction considerablement restreinte en
liaison directe avec le bec
de la tuyere, ce qui permet de maintenir tres faible le vo-
lume a haute temperature dans le procede Ceci est un gros avantage par
rapport a des procedes anterieurement connus, o les reactions de
reduction s'etalent successivement sur
un vo 3 ume important du four.
En faisant en sorte que toutes les reactions se deroulent dans une
zone de reaction, dans l'alimentation en coke, immediatement avant le
generateur de plasma, la
zone de reaction peut etre maintenue a un niveau de tempe-
rature tres eleve et reglable, ce qui favorise la reaction Si O 2 + 2
C-&#x003E; Si + 2 C O Tous les reactifs (Sio 2, Si O, Si C, Si, C, CO)
se trouvent simultanement dans la zone de reaction, grace
a quoi les produits Si O et Si C formes en plus petites quan-
tites reagissent immediatement de la facon suivante: Sio + c -_ si +
Co Si O + Si C -* 25 i + CC 2 Si C + Si O 2 2 3 Si + 2 C O Les
produits finaux quittant la zone de reaction
sont ainsi dans tous les cas du Si fluide et du CO gazeux.
L'utilisation de matieres premieres pulveru-
lentes suivant l'invention facilite le choix et permet d'utiliser des
matieres premieres a base de silice tres pures moins couteuses Le
procede propose suivant l'inven- tio&#x003E;n est egalement insensible
aux proorietes electriques de la matiere premiere, ce qui facilite le
choix de l'agent reducteur.
L'agent reducteur injecte peut etre un hydro-
carbide, par exemple du gaz naturel, de la poussiere de charbon, de la
poussiere de charbon de bois, du noir de carbon, du coke de petrole
qui peut etre purifie, et du
gravier de coke.
La temperature necessaire pour le procede peut facilement etre reglee
a l'aide de la quantite d'energie electrique fournie par unite de gaz
a l'etat plasma de sorte qu'on peut maintenir des conditions optimales
pour
obtenir une perte en Si O minimale.
Etant donne que la chambre de reaction est entouree sensiblement
completement par un agent reducteur
en morceaux, la reoxydation du Si O est empechee efficace-
ment. Suivant un mode de mise en oeuvre approprie de l'invention,
l'agent reducteur solide en morceaux est amene continuellement dans la
zone de reaction au fur et a mesure
qu'il est consomme.
L'agent reducteur en morceaux peut etre du co-
ke, du charbon de bois, du coke de petrole et/ou du noir de carbon, et
le gaz a l'etat plasma utilise pour'le procede
peut de facon appropriee etre constitue par du gaz du pro-
cede remis en circulation a partir de la zone de reaction.
L'agent reducteur solide en morceaux peut etre une poudre transformee
en morceaux a l'aide d'un liant compose de C et H et eventuellement
aussi de 0, comme du
sucrose.
Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le bruleur a
plasma est un bruleur a plasma
inductif, de sorte que les impuretes provenant des elec-
trodes sont reduites a un minimum absolu.
Le procede suivant l'invention est ideal pour la fabrication de
silicon tres pur destine a etre utilise dans des cellules solaires
et/ou des semiconducteurs On
peut utiliser de la silice pure et un agent reducteur pos-
sedant une tres faible teneur en impuretes comme matieres
premieres.
D'autres caracteristiques de l'invention res-
sortent des revendications.
L'invention va etre decrite de facon plus de-
taillee ci-apres en se referant a un certain nombre d'exem-
ples Les reactions sont de preference effectuees dans un
reacteur similaire a un four a cuve, qui est charge de fa-
con continue par un agent reducteur solide par l'interme-
diaire d'un dessus de haut-fourneau, par exemple, compor-
tant des canaux d'alimentation rapproches et repartis uni-
formement ou une conduite d'alimentation annulaire a la
peripherie de la cuve.
Le materiau silicieux pulverulent, eventuelle-
ment pre-reduit, est insuffle par des tuyeres au fond du
reacteur, a l'aide d'un gaz inerte ou reducteur Simultane-
ment, on peut insuffler l'hydrocarbon et eventuellement
egalement de l'oxygen, de preference par les memes tuyeres.
Au niveau de la partie inferieure de la cuve remplie d'agent reducteur
en morceaux se trouve une chambre de reaction qui est entouree de tous
cotes par ledit agent
reducteur en morceaux C'est la que se deroulent instanta-
nement la reduction de la silice et la fusion.
Le gaz quittant le reacteur, comprenant un me-
lange d'carbon oxide et d'hydrogen en concentration elevee, peut etre
remis en circulation et etre utilise
comme gaz porteur pour le gaz a l'etat plasma.
On va donner ci-dessous les comptes-rendus de
deux experiences realisees Pour mieux illustrer l'invention.
Exemple 1.
Une experience a ete realisee a demi-echelle.
On a utilise du quartz broye du type cristal de roche avec
une teneur en impuretes inferieure a 100 ppm et des dimen-
sions de particules d'environ 0,1 mm comme matiere premiere silicieuse
La "chambre de reaction" etait constituee par des briquettes de noir
de carbon On a utilise du propane
(Petrole liquefie) comme agent reducteur, et un gaz de re-
duction-lav-e comportant du CO et du H 2 comme gaz porteur
et gaz a l'etat plasma.
L'energie electrique fournie a ete de 1000 k Wh.
On a fourni 2,5 kg de Si O 2/minute comme matiere premiere et
1,5 kg de propane/minute comme agent reducteur.
On a produit un total d'environ 300 kg de Si tres Dur durant
l'experience La consommation d'electricite
moyenne a ete d'environ 15 k Wh/kg de Si produit.
L'experience a ete realisee a une petite echel-
le et par consequent la perte de chaleur a ete considerable.
La consommation d'electricite peut encore etre reduite Dar
recuperation des gaz, et les pertes thermiques diminuent
egalement considerablement dans une installation plus im-
portante.
Exemple 2.
Dans les memes conditions que dans l'exemple 1, par ailleurs, on a
produit du silicon tres pur en utilisant
du noir de carbon pulverulent comme agent reducteur.
On a fourni 1,2 kg de noir de carbon par minute.
Dans cette experience, on a produit 200 kg de
Si tres pur La consommation d'energie moyenne a ete d'en-
viron 13,5 k Wh/kg de Si produit.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Procede Dour fabriquer du silicon a partir de materiau pulverulent
contenant de la silice, caracterise en ce que le materiau pulverulent
contenant de la silice, eventuellement en meme temps qu'un agent
reducteur, est injecte dans un plasma gazeux a l'aide d'un gaz
porteur, apres quoi le materiau a base de silice ainsi chauffe, avec
l'agent reducteur s'il y en a et le plasma gazeux fortement
energetique, est introduit dans une chambre de
reaction entouree par un agent reducteur solide en morceaux.
2 Procede suivant la revendication 1, caracte-
r.se en ce que le plasma gazeux est produit en faisant pas-
ser le gaz du plasma dans un arc electrique dans un genera-
teur de plasma.
3 Procede suivant la revendication 2, caracte-
rise en ce que l'arc dans le generateur de plasma est pro-
duit inductivemel;t.
4 Procede suivant la revendication 1 ou 2, ca-
racterise en ce que l'agent reducteur solide en morceaux
est amene de facon continue dans la zone de reaction.
Procede suivant l'une quelconque des reven- dications 1 a 4,
caracterise en ce que l'agent reducteur solide en morceaux est
constitue par du charbon de bois
ou du coke.
6 Procede suivant l'une quelconque des reven-
dications 1 a 5, caracterise en ce que le gaz du plasma est constitue
par le gaz du procede remis en circulation
a partir de la zone de reaction.
7 Procede suivant l'une quelconque des reven-
dications 1 a 6, caracterise en ce que pour la production de silicon
extremement pur destine a servir de matiere
premiere pour des cellules solaires et/ou des semiconduc-
teurs, on choisit un materiau contenant de la silice posse-
dant un degre de pollution inferieur a 0,1 % en poids.
8 Procede suivant la revendication 7, caracte-
rise en ce que l'agent reducteur solide en morceaux est choisi parmi
le groupe comprenant des briquettes de noir
de carbon, des briquettes de coke de petrole, des bri-
quettes de charbon de bois et;des morceaux de charbon de bois.
9 Procede suivant la revendication 7, caracte-
rise en ce que l'agent reducteur injecte est choisi parmi le groupe
comprenant du noir de carbon pulverulent, de la
poussiere de charbon de bois, du coke de petrole, des hydro-
carbides sous forme gazeuse ou liquide, tels que du gaz na-
turel, du Dropane, de l'essence legere.
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