SE448164B - Forfarande for att tillhandahalla en bedd av renade kiselkristaller - Google Patents

Description

l0 l5 20 25 30 35 40 448 164 enligt vilket det framkom att ett relativt stort fall, uppgående till volymen av smältan under behandlingen i två skarpt denzsmälta legeringen och den andra utgöres av zonen kristallisation, från 5 - 20°C, delar den totala avgränsade regioner. Den ena är av kristalliserad fast fas. Enligt denna patentskrift kan separationsprocessen paskyndas betydligt och renheten hos dätskefasen kan ökas om den smälta legeringen under behandlingen intensivt hålles i kontinuerlig rörelse och så mycket värme per tidsenhet avskiljes från smältan, med hjälp av en kyld yta eller kristallisationsyta, att hela den övre smältfasen enbart avskiljes på kristallisationsytan under en rela- tivt kort tid och i form av ett mycket kompakt lager. Dessutom anges inom tidigare känd teknik (US patentskriften 3.008.887) att elementärt kisel innehållande spår av .. .___.__ .>.-<__.--_-.-.__~_.....--_.-____._...._.M~ _-.-.. V föroreningar kan reras genom att utsätta kiselmaterialet för smältning i en sluten reak ; dissocierat atomärt väte, vilket ; i É i tor under vattenfria förhållanden och i närvaro av hâlles i direkt kontakt med det smälta kiselmaterialet som bildas, samt genom att avlägsna de genom reaktionen erhållna, förångade föroreningsprodukterna. Enligt denna patentskrift är ett sådant förfarande speciellt lämpligt för rening av bor-förorenad kisel. Dessutom anges i US patentskriften 2.866.701 ett förfarande för rening av kisel och ferrokisel ned användande av gasformig koldioxid för att avlägsna aluminium och kalcium genom oxidation. Men trots tidigare känd teknik finns det fortfarande ett stort behov för ett förfarande för framställning av kisel av hög renhet på ett ekonomiskt sätt. Föreliggande uppfinning uppfyller detta behovet genom att tillhanda- Risel i betydande mängder. Förfaran- kisel till en renhetsnivå i storleks- hålla en starkt ekonomisk process för rening av det kan utnyttjas för att öka reningsgraden av ordningen av 99,99 vikts-% eller högre.

I enlighet med föreliggande uppfinning erhålles ett förfarande för att tillhandahålla en bädd av renade kiselkristaller, där kiselmaterialet kristalliseras ur ett metallösningsmedel och mängden av återstående metallösningsmedel i kristall- bädden ärreducerad till en låg nivå, varvid förfarandet omfattar följande steg: a) tillhandahållande av en smält kropp innehållande kisel och metall, varvid kisel är närvarande i en mängd större än vid den eutektiska punkten för kisel/metallkombinationen och metallen är anpassad att fungera som lösningsmedel för kiselmaterialet; b) uttagning av värme frànkkroppen för att tillhandahålla en fast fas innehållande kisel i kristallform och för att koncentrera föroreningarna i en smält fas; c) därefter avlägsning av en väsentlig del av den smälta fasen från den fasta fasen innehållande kiselkristallerna; d) utsättning av den fasta fasen för ett smältningsförfarande för att smälta åtminstone en del av den fasta fasen i syfte att avlägsna en väsentlig mängd av metall-kiselkombinationer som har fäst vid kristallerna; och e) separering av åtminstone en del av det smälta materialet från Hisel- kristallerna.

AAQ 1A4 3 44s 164 v Således omfattar förfarandet för rening av kisel tillhandahallandet av en kropp av smält metall, vilken innehâllercen betydande mängd kisel. Värme uttages ur kroppen för att ge en fast fas innehållande kisel i kristallform och för att koncentrera föroreningarna i den smälta fasen. I detta utförande av uppfinningen, uttages värmet huvudsakligen fràn övre eller fria ytan av kroppen. Samtidigt som värmet uttages, bör väggarna som definierar kroppen av den smälta metallen bibehâllas vid en temperatur som är tillräckligt hög för att förhindra någon betydande kristall- utfällning på dessa. Efter det att en önskad mängd värme har uttagits, avlägsnas en väsentlig del av den smälta fasen eller metallösningsmedlet från den fasta fasen.

En fraktion eller del av den fasta fasen atersmältes i syfte att avlägsna metall- , innehållande föroreningar från kristallerna, och åtminstone en frak- lösningsmedel n kristallerna. tion av det àtersmälta materialet separeras frå I den medföljande ritningarna visar: fig. l ett fasdiagram över ett aluminium-kisel-järnsystem; fig. 2 schematiskt en tvärsnittsbild i höjdled av en kristallisationsugn för användning vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning; fig. 3 en tvärsnittsbild i höjdled av en kristallisa- tionsugn, vilken illustrerar en anordning för införande av qaser till ugnen; och fig. 4 ett diagram som ger utbytet av kisel och järngränserna avsatta mot ursprunglig mängd kisel i en legering.

Ett material som kan ges högr renad kisel i enlighet med föreliggande uppfinning kan cm Si, varvid återstoden utgöres av föroreningarna med avseende på kisel. Det bör note- att 99,0 vikts-% Si har en smältpunkt av ca l4l0°C. I syfte att arbeta vid lägre tt åtminstone en metall, bestående av-tenn, aluminium, silver eller bly, finns i eller tillsättes kiselmaterialet, varvid erar som ett lösningsmedel för kiseümaterialet. T.ex. kan silver till- unkt inom omradet mellan ca 830 och e reningsgrad eller anrikas för utvinning av P55 temperaturer är det således föredraget a zink, metallen ag sättas för att ge en degering som har en smältp l400°C. Dessutom kan legeringar som t.ex. tenn-blylegeringar användas som lösnings- material. Typiskt kan tenn-blylegeringen variera mellan ca 20 - 50 % bly och 50-80 % tenn. En lämplig sammansättning är ca 80 % tenn och 20 % bly. Det inses att andra metallsanmansättningar som t.ex. tenn-zink kan användas och är medräknade inom ramen för uppfinningen.Av den grupp nætaller som kan användas föredrages aluminium.

En kiselrik legering, vilken kan användas i föreliggande uppfinning, kan innehålla upp till 87,4 vikts-% aluminium. Små mängder aluminium är eftersom mindre mängder resulterar i högre smältpunkter. Således, med avseende på aluminium, i syfte att erhålla en effektivddrift kan en typisk kiselrik legering variera mellan 20 - 80 vikts-% Si, varvid âterstode När den kisel som skall renas har en renhetsgrad av 99,0 vikts-%, kan den aluminium som tillsättes enligt ovan vara av kommersiell renhetsgrad, t.ex. 99,5 vikts-% aluminium. Men aluminium med en renhetsgrad av 99,9 vikts-% föredrages eftersom da färre föroreningar tillsättes systemet. Vidare inses att aluminium-kisel fatta upp till ca 99,0 vikts- vanligtvis mindre föredragna n är aluminium och föroreningar. ' -« »w v-v-_..»__. ..s....-_....

Asaï-.e-Iiia ..-__ -,ssseex:. jg L, 5 l0 l5 20 i 2, i j 30 i ip 35 vi k» vill; 2. v al' (i 448 164 legerángar, innehållande stora mängder'kisel, kan användas utan att negativt på- å L verka kvaliten nos den renade kiseln vilken erhålles ur processen. Menaandra material ä som kan anses som föroreningar med avseende på kisel bör kontrolleras mycket noggrant l i vissa fall, så att kisel av hög renhetsgrad kaneerhållas ekonomiskt. Således bör, i 5 då aluminium användes som lösningsmetall, järn,kontrolleras i kroppen av smält mate- rial eller legering, så att under denffraktionerade kristallisationsprocessen den ¿ dubbla mättnadslinjen A-B, fig. l, inte nås. Genom att kontrollera järnhalten i den å smälta legeringen,L undvikes intermetalliska kñstaller som t.ex. FeSi2Al4, vilket I hjälper till att garantera en kiselprodukt av hög renhet. I illustrationssyfte bör järnhalten hos den smälta kroppen, vilken skall utsättas för fraktionerad kristalli- sation, inte tillåtas överskrida 8,8 vikts-% då det är önskvärt att reducera tempe- raturen hos den smälta legeringen till eller i närheten av dess eutektiska temperatur omkring 577°C. Det inses att vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning, det normalt är önskvärt att närma sig den eutektiska temperaturen i syfte att erhålla ett högt utbyte av kiselkristaller. Men ju högre temperaturen ligger ovanför den eutektiska temperaturen när den fraktionerade kristallisationsprocessen stoppas, desto större är mängden järn som kan tolereras i den smälta legeringen. Om t.ex. kristallisationsprocessen stoppas vid ca 660°C, så kan nivån av järn vara så hög kr a som l,5 vikts-% utan att därvid påträffas faser innehållande intermetalliska kristal- ler såsom t.ex. FeSi2Al¿, och därtill hörande problem med avseende på renheten: Det är således tydligt att det är bäst att undvika sådana järnhaltiga faser. ° Det bör noteras att om järnhalten kontrolleras till att vara närvarande i legeringen, enligt ovan, kan järnhalten reduceras i ett steg av förfarandet enligt föreliggande uppfinning till mindre än ca l ppm efter behandlingen med t.ex. HCl. Men om järnhalten tillåtes överskrida dessa gränser, då kan det uppstå en betydande ökning av den föro- reningsnivå som påträffas i kiselkristallerna. Om t.ex. järn är närvarande i en halt av 3 vikts-% i den legering som skall utsättas för fraktionenad kristallisation, så kommer mängden järn närvarande i kristallbädden att vara mycket hög och även efter I urlakning tenderar järnnivån att vara högre än vad som är önskvärt med utgångspunkt _ från erhållandet av renad kisel.

Från vad som sagts ovan inses att kontroll av föroreningar, som t.ex. järn är mycket viktigt i förfarandet enligt föreliggande uppfinning för att höga utbyten av en kiselprodukt med hög renhet skall kunna erhållas ekonomiskt. Det inses således att det är viktigt att kontrollera järnhalten i det material som utgör den smälta ti ü kroppen vilken skall utsättas för fraktionerad kristallisation. Om således 99,0 vikts- W -ig Si och aluminium av komnersiell renhetsgrad användes för att utgöra den smälta _ j kroppen, bör järnhalten kontrolleras både i kiselmaterialet och aluminiummaterialet i syfte att erhålla maximalt utbyte. Dm t.ex. järnhalten är hög i kiselkällan som an- vändes bör den använda aluminiumkällan väljas med avseende på järn för att maximera utbytet av kisel som kanernållas genom förfarandet utan att därvid råka ut för de f: mmrem .g 25 30 35 40 'vändas i halvledartillämpningar, krävs det normalt att borhalten är 448 164 mindre föredragna järn-aluminium-kiselkristallfaserna. Med hänvisning till fig. 3, kan vikten av att ta fasta på järnkontrollen ses mera klart. Om det t.ex. är önskvärt att rena 99,0 vikts-t-ig Si med 0,5 vikts-% järn däri, varvid återstoden är föroreninga» kan det bestämmas hur mycket aluminium somvmâste tillsättas och järnhalten i denna som kan tolereras sa att kiselmaterialet kan renas i enlighet med det föredragna utföran- dena av föreliggande uppfinning. Således framgår av fig. 3 att om det aluminium som tillsättes kiselmaterialet har en Fe-halt av 0,04 vikts-%, så kan den ursprungliga mängden kisel i legeringen vara så hög som 63 vikts-%, varvid erhålles ett utbyte av renad kisel av ca 58 % utan att därvid erhålles skadliga mängder järn. Om, som jäm- förelse, järnhalten i aluminiummaterialet är 0,2 vikts-%, så är den ursprungliga mäng- den kisel i legeringen ca 59 % och utbytet av renadikisel ca 53 %. Fig. 3 förutsätter smälta legeringen kyles till nägra grader över den eutektiska temperaturen Ju högre kristalliseringsprocessen halles över den e är den mängd som kan tolereras i processen, att den under kristalliseringsprocessen. eutektiska temperaturen, desto störr vilket nämnts här ovan.

En annan förorening som bör reduceras ro kan anses skadlig i elektrolytiska fotoceller. Dä renad kisel skall an- mycket låg och ofta Man har emellertid till en låg nivå är bor, eftersom dess närva krävas att halten är 0,l ppm eller mindre för vissa tillämpningar. funnit att även om den fraktionerade kristallisationen resulterar i en betydande avlägsning av bor kan det vara önskvärt att komplettera en sådan metod. Således-kan en tillsats av en metall bestående av titan, vanadin eller zirkonium till den kisel- rika aluminiumlegeringen sänka halten bor till en mycket lag niva.lDvs. tillsatsen av titan, vanadin eller zirkonium till den kiselrika legeringen i smält form resulterar i utfällning av en borhaltig reaktionsprodukt. Reaktionsprodukten faller till botten av den smälta legeringen ochhkan avlägsnas eller separeras från denna.

Den föredragna metallen som användes för att behandla smältan i syfte att avlägsna bor är titan. Mängden titan som tillsättes bör inte överskrida 0,2 vikts-% och företrädesvis inte 0,1 vikts-%. Det är viktigt att dessa gränser hâlles eftersom v titan kan resultera i att intermetalliska kristaller bildas under överskottsmängder a liknar de, som inträffar med det fraktionerade kristallisationssteget på ett sätt som järn.

Vid behandlingen av en kiselrik aluminiumlegering för att avlägsna bor, smältes först legeringen och temperaturen hàlles relativt nära smältpunkten. I syfte att avlägsna bor underlättas en effektiv avlägsning vid lägre temperaturer. Således bör temperatunminormalt inte överskrida smältpunkten för den kiselrika legeringen _ med mer än ca l00°C. Pàpekas bör att smältpunkten för ett aluminium-kiselsystem kan variera från mellan ca 580°C - l420°C, beroende på renheten hos kisellegeringen som skall anrikas. Det bör också noteras att i ett kisel-aluminiumsystem med en smältpunkt av.ca 580°C har legeringen en hög halt av aluminium och en låg halt av kisel. amma f . . »få l0 l5 20 25 30 35 40 448 164 _ . kiaelsystem med en snältpunkt vid ca 580°§, bör kiselmaterialet omfatta l2,6 vikts-%, varvid återstoden utgöres av aluminium och föroreningar. Vidare bör det också noteras att i syfte att utföra en fraktionerad kristallisation enligt föreliggande uppfinning, bör kiselhalten också vara större än ca l2,6 vikts-% i ett aluminium-kiselsystem.

Metallen kan tillsättas i överskott av den mängd som kräves för att reage- E eftersom överskottet med fördel kan avlägsnas i steget för fraktionerad 4 nsprodukten, bör den smälta legeringen i syfte att Dvs i ett aluminium- ra med bor, kristallisation. I syfte att avlägsna reaktio tillåtas atthstà eller hållas i ett vilande tillstànd under ca l-4 tim. låta reaktiunsprodukten sedimentera. Därefter kan densepareras från smältan. Andra metoder för avlägsning av reaktionsprodukten som t.ex.ífiltrering eller transportering av reaktionsprodukten till ytan av smältan med en kylande gas,vilka diskuteras senare, betraktas att ligga inom ramen för uppfinningen.

Det föredrages att avlägsna bor från den kiselrika legeringen, hellre än vid en senare tidpunkt då kiselmaterialet huvudsakligen har anrikats då detta förhind- rar möjligheten till förorening med den boravlägsnande metallen efter kristallisations- steget.

En annan beståndsdel som inte är önskvärd eller inte tillräckligt kan avlägsnas under den fraktionerade kristallisationen är fosfor, vilket är en viktig för solärtillämpningar. I kiselmaterial som skall förorening med avseende pâ kisel lägsnas till en mycket lag nivå.- användas för solära tillämpningar bör fosfor av I enlighet med en sida av föreliggande uppfinning, har man upptäckt att om den kisel- rika legeringen i ett smält tillstànd behandlas med en källa av klor, avlägsnas fosfor till en mycket låg nivå. En föredragen källa av klor, vilken är'lämpligfför användning i föreliggande uppfinning, är Cl2. Men även andra klorhaltiga material som t.ex. COCl¿ och_CCl4 kan användas. Företrädesvis är källan av klor i gasform. lf* I förfarandet för behandling av kisel i syfte att avlägsna fosfor, upplö- “ ses först kiselmaterialet i ett smält metallösningsmedel, t.ex. aluminium, såsom be- . W skrivits tidigare, för att ge en smält kropp av ca 50 vikts-% och t.ex. 50 vikts-% alu- Å* " minium. Klorgas tillsättes botten av den smälta kroppen och bubblas genom denna (se fig. 3) under en viss tidsperiod, för att avlägsna fosfor genom att koncentrera detta vid ytan av smältan med skum som kan finnas i smältan. Därefter kan den smälta ktoppen fraktionerad kristallisation i syfte att bilda kiselkristaller. 'V Förutom järn och bor bt: andna föroreningar kontrolleras. T.ex. bör, såsom tidigare nämnts, titan kontrolleras. Andra exempel på metaller vilka bör kontrolleras noggrant är mangan och krom, där de maximala mängderna bör vara mindre _ p ; än ca 2 vikts-% resp. 0,4 vikts-%. Dvs, föroreningar andra än lösningsmetallen,'t.ex. Å aluminium, med avseende på kisel bör hållas vid en nivå som inte tillåter dem att T bilda intermetalliska föreningar under steget för fraktionerad kristallisation på samma ¿ ~i sätt som diskuteras med avseende pà Järn. Bildningen av sådana föroreningar kan. dl* e :Jissamæ fl-ze utsättas för å» 30 35 40 7 448 164 resultera 1 betydande svårigheter att erhålla önskad titan inte lätt kan avlägsnas genom att behandla lig behandling för att avlägsna Men faktum är att om, såsom mm såsom diskuterats tidigare, renhetsgrad. T.ex. har man funnit att kristallbädden med vätekloridsyra, vilket är en van och betydande mängder järn från kristallerna. hâlles väl över de eutektiskatemperaturerna, kan sürre met utan bildning av intermetalliska föreningar ç i aluminium järn, under processen temperaturen mängder föroneningar tolereras i syste under kristallisationen och utan medföljande problem med avseende på reningen.

Vad beträffar den fraktionerade kristallisationsdelen av uppfinningen, inses att i ett utförande tages värme från den smälta, kiselrika kroppen för att ge en fast fas innehållande kisel i kristallform med en hög renhetsgrad genom att koncent- rera föroreningarna med avseende på kisel i den smälta fasen. Gränserna i föreliggan- de uppfinning med avseende pa utgângstemperaturerna kontrolleræ i ett avseende genom mängden kisel som är närvarande i den smälta legeringen. Dvs. ju högre kiselhalten h således utgângstemperaturen från vilken desto större än utbytet är desto högre är legeringens smältpunkt oc kroppen kyles. Ju högre ktelhalten är i utgângslegeringen, av renade kiselkristaller, speciellt då temperaturen reduceras till eller nära den eutektiska temperaturen för systemet. Vid t.ex. en legeringskoncentration av ca 90 vikt: % Si, kommer utgangstemperaturen, eller smältpunkten, att vara ca l370°C. Att utföra ܶm»~l förfarandet vid denna temperatur kan visa sig vara svart enbart på grund av material- begränsningar och tendensen att bilda oxider eller nitrider. Annars anses ett sådant förfarande fullständigt möjligt öch det kan ge stora utbyten av kiselkristaller'med i r hög renhet.

I ett föredraget utförande av den fraktionerade kristallisationsprocessen, från vilken kisel skall utvinnas, avwf-gka. e ii-ašäa tillhandahålles en kropp 8 av den kiselrika metallen, i ett smält tillstànd (fig. 2), varvid kroppen har en fri övre yta l0 från vilken värme kan uttagas i syfte att bilda en fast fas innehållande kiselkristaller.

Kroppen innefattas i ett kärl 60, vilket har en isolerande vägg 62 som kan värmas om så önskas. Företrädesvis tillåtes lite eller ingen värme att gå förlorad genom väggarna av kärlet för att undvika frysning eller att kiselkristaller bildas på väggarna. Behållaren har företrädesvis ett lager 64 innehållande pulverformig aluminium- oxid, vilken utgör en barriär mot den smälta metallen som kan försvinna~ut genom innerväggen 66. Väggen 66 bör omfatta ett material som inte fungerar som en förore- ningskälla för den smälta kroppen 8. När lösningsmedlet är smält aluminium, är väggen 1 ! 66 företrädesvis framställd av aluminiumoxidbaserade eldfasta material med hög renhet, : dvs. åtminstone 90 vikts-% aluminiumoxid och företrädesvis 92 - 99 vikts-%. Ett sådant 1 ~i eldfast material kan erhållas från Norton Company, worchester, Massachusetts, under - 1 J benämningen Älundum VA-ll2 eller LA-852l5. Detta materialet tillhandahållas i väogen 66 i pulverform, sammanp~essat, och därefter sintrat vilket ger det stelhet. Detta ger en monolitisk fodring, som det är mindre troligt att smält aluminium passerar genom och vilken således är lämplig för användning i det utförande som beskrives nedan. i ~ v. l0 448 164 Värmeavlägsningen genom den fria ytan l0 från den kiselrika kroppen av smält metall kan på lämpligt vis kontrolleras med kylande gas. Dvs., en gas såsom luft kan låtas falla mot eller passera över ytan l0 med hjälp av en gaskylande anord- ning 24 i syfte att solidifiera kiselkristaller i ett lager vid eller huvudsakligen parallellt och närliggande ytan l0, såsom visas schematiskt i fig. 2. I ett alterna- ¿ tivt utförande kan värme avlägsnas genom att gas bubblas genom kroppen 8 huvudsakligen såsom visas i fig. 3. Denïkfiselrika kroppen 8 av smält metall tillhandahållas i ett kärl eller behållare liknande den som visas fifig. 2. I kroppen finns en gasspridande anordning 50 vilken tillåter att en inert gas, t.ex. argon eller en gas som är inert med avseende på kisel och aluminium, införes eller bubblas genom kroppen för att av- lägsna värme. Dessutom finns ett lock 52 vilket förhindrar att gaserna avgår till atmosfären. Således kan, i enlighet med uppfinningen, gas införas genom ledningen 54 och låtas passera till utrymmet 56 varifrån det införes i den smälta metallen.

Gasen kyler metallen och kristaller av kisel 5l anses bildas i nära anslutning till gasbubblorna och gränsytan av smält metall, såsom avbildas i fig. 3. Den spridande anordningen 50 kan förutom att medge gaskylning användas för att avlägsna kiselkristal- ler genom att den monteras med hjälp av en anordnáng som tillåter att den upptages uppåt ut ur kärlet (visas icke). Att återsmälta huvudsakligen samtliga kristaller i syfte att avlägsna dem från kärlet kan vara oekonomiskt på grund av de höga tempe- .__-Tw- -n-aw -a -»~ -_,......-v ._,~,,_,_______ raturer som krävs. .

Under värmeuttagningen från kroppen är det fördelaktigt med en viss mängd av blandningsrörelse. En sådan tillfredsställande blandningsrörelse kan er- hållas genom att utsätta de bildade kristallerna för en tillpackningsrörelse med an- vändande av bladet 26 (fig. 2), med hjälp av vilket kristallerna vid eller nära ytan §Å¿ av den smälta metallen tvingas nedåt. Dvs., tillpackningsrörelsen bryter upp massiva kristallbildningar som kan bildas vid ytan och förskjuter sådana kristaller nedåt, varvid ny kiselrik metall tillåtes komma upp mot ytan. En tillpackningsrörelse kan utföras under kristallisationen i storleksordningen l0 - 40ggr per minut. Vidare inses att andra typer av blandningsrörelse kan utnyttjas. T.ex. kan blandningsrörelsen som erhålles genom införandet av kylande gas till kroppen av smält metall (fig. 3) utnyttjas. Med hänvisning till fig. 2, visas bladet 6 monterat på en axel 28 vilken kan användas i tillpackningssyfte i enlighet med uppfinningen.

Såsom nyligen observerats bör det noteras att de bildade kristallerna har en densitet som i allmänhet liknar densiteten för den smälta metallen och således tenderar att flyta, speciellt då aluminium användes som lösningsmetall. Det tycks såle- des inte förekomma någon väsentlig ansamling av kristaller vid botten av kärlet, inte ens efter det att tillpackningsrörelsen förpassat dem i den riktningen. I stället ' tycks kristallerna vara slumpvis fördelade i'kroppen av smält metall med de större koncentrationerna ansamlade vid eller näna ytan. Efter det att kristallisationen har fortgått till ett önskat stadium, separeras den återstående smälta metallen från 9 44a 164 kiselkristallerna, företrädesvis-genom~avtappning. Detta kan fullföljas genom att Ü avlägsna porten 34 från öppningen 36 och tillåta att kvarvarande smält metall inne- ï§_¿i Ä hållande föroreningar avtappas. Detta är en viktig del av uppfinningen eftersom pa detta sätt en väsentlig mängd av föroreningarna avlägsnas. Vidare inses att en avlägsnas pa detta sätt, varvid det oekonomiska från kristallerna med användande mi 5 stor del av lösningsmetallen kan och Svåra steget att försöka laka metall i fast form av stora kvantiteter av t.ex. vätekloridsyra undvikes. Vid förfarandet enligt upp- p finningen, är det föredraget att avlägsna så mycket lös metall, innefattande förore- SÉ? som möjligt medan temperaturen för kristallkroppen hàlles företrädesvis över 2, ningar, lo den eutektiska temperaturen. Det bör noteras att det är fördelaktigt att halla den uren i syfte att under- smälta metalltemperaturen något över den eutektiska temperat vis med hjälp av resistanstràdar.ll0 vilka l gnM¿å lätta avtappningen. Detta kan utföras del finns i rör l00, fig. 2. Dessutom är det föredraget att de återstående kristallerna under avtappningen utsättes för en sammanpressande rörelse i syfte att erhålla en högre avlägsning av smält metall.Under sammanpressningen är det föredraget att temperaturen för kiselkristallerna hâlles över motsvarande för smältning vid den (över 578°C för kisel-aluminiumblandningen), typiskt omkring kan vara fördelaktiga, '11 eutektiska temperaturen 5-50°C, även om högre temperaturer inte anses negativa utan vilket förklaras senare. Genom att avtappa kristallerna på detta sätt avlägsnas 20 en betydande del av den återstående smälta metallen, men en resterande mängd av.den smälta metallen väter eller fäster vid kristallerna och kan utgöra upp till 50 vikts-% av bädden med typiska mängder av omkring 30 vikts-%, till viss del beroende på vilken legering som användes. Det är önskvärt att den smälta metallen reduceras till ett minimum efter den är inte enbart en förorening med avseende på kisel utan innehåller 25 också många föroreningar. Således har man upptäckt att sammanpressning eller packning b “-3 r av kristallerna hjälper till att avlägsna kvarvarande smält metall itkristallbädden. T al Sammanpackningen kan snabbt utföras med användande av bladet 26, fig. 2. För att således underlätta avtappningen av smält metall~fran kärlet 60, sänkes bladet 26 i “lg till kontakt med kristallbädden och ett tryck pálägges. En lämplig hydraulisk anord- 30 ning kan användas för nedsänkningen och paläggningen av ett kontrollerat tryck. e 4 Ett tryck som ger lämpliga resultat är i storleksordningen av 0,7 - 2,l kp/cm .

Såsom beskrivits ovan, vid avtappningen av smält metall från kärlet, gg kvarstår en viss mängd fäst vid ytan av kristallerna. Således maste, i syfte att eko- S nomiskt erhålla kisel av hög renhet, mängden kvarvarande metall sänkas så langt möj- F j, 35 ligt. I aluminium-kiselblandningen består den återstående fasen i kristallbädden :fff till största del av aluminium och kisel. Den aluminium som är närvarande i fasen ö kan avlägsnas genom behandling meduen lösning av vätekloridsyra. Men i en viktig ' fw del av uppfinningen, utsättes kiselkristallerna, på vilka aluminium-kiselfasen har in fast, för en kontrollerad upphettning i syfte att atersmälta fasen och en mindre 40 del av kiselkristallerna. Detta ger en kiselkristallbädd där lösningsmetallen vanligt- vis inte utgör mer än l5 vikts-% av bädden. Omsmältningen kan utföras genom smältning “ff-a , "j a will l0 _ 448 164 av en övre del av kristallbädden varvid delen tillåtes uttömmas genom den kvarvarande delen av bädden för att på så _jtt avlägsna en del av aluminium-kiselfasen som fäst vid kiselkristallerna. Men upphettningen av kristallerna som genom direkt inverkan av gastända flammor på toppen av kristallbädden kan resultera i oxidbildningar, frys- g ning vid botten av bädden och att det är nödvändigt att smälta om samtliga kristaller A för en avlägsning.

I ett föredraget utförande, utsättes kroppen av kiselkristaller innehållan~ de fasen av metall-kisel, t.ex. aluminium-kisel, för en uppvärmningsprocess, vilken § är verksam genom att hetta upp hela kroppen mer enhetligt än toppupphettning.Dvs. _ det föredrages att kontrollera värmetillförseln för att garantera att hela kroppen É S uppvärmes med ungefär samma hastighet. Detta kan t.ex. erhållas med hjälp av elektrisk Ä ' uppvärmning. När en elektrisk ström låtes gå igenom kroppen, värmes företrädesvis Ä Afiüüä (till skillnad fråntkiselkristallerna) och en del av den fasta t w aluminium-kiselfasen fasen smälter. En företrädande uppvärmning sker på grund av att motståndsförmågan för aluminium-kiselfasen, vilken återstår mellan eller fäster vid kristallerna, är mycket mindre än för kiselkristallerna. Typiskt har aluminium-kiselfasen innefattan- de föroreningar en motståndsförmåga i storleksordningen av ca 30 mikroohm cm och \¿ kiselkristallerna har en mycket högre motståndsförmåga, dvs över 3000 mikroohmcm. kiselfasen vilken återstår mellan eller på kristallerna tallbädden och har en relativt hög ka strömmen företrädesvis gå Således, eftersom aluminium- anses vara mer eller mindre sammanbunden i kris elektrisk termisk ledningsförmàga, làtes den elektris genom aluminium-kiselfasen, varvid tillåtes en mera enhetlig upphettning än toppupp- t till lösningsmetallfasen resulterar i en hettning. En stark koncentrering av värme enbart svagt minskas eftersom enbart högre nivå av renhet medan utbytet av kristaller en mindre del av kristallerna, kommer att upplösas.

Den föredragna metoden för uppvärmning av kvarstår i kristallbädden är induktionsuppvärmning även om det kan finnas tillfällen ä då resistansuppvärmning är fullt möjligt. Med hänvisning till fig. 2, visas en spole F 80 vilken är tillverkad för att fungera i samband med ett kärl för fraktionerad kristallisation i syfte att elektriskt inducera värme i bädden. I fig. 2 visas kärlet 60 med induktionsspolen 80 placerad alldeles över och runt uttappningshålet 36 på ena sidan samt vilken sträcker sig till botten på den motsatta sidan. Spolen visas lindad kring kärlet och sträcker sig uppåt längs sidorna till en höjd vilken närmar sig höjden g för kristallbädden. Ur fig. 2 ses att induktionsspolen kan placeras under isolerings- J den fas san fäster vid eller ___-ß, , *e skiktet az. = Medan induktionsuppvärmning användes i syfta att erhålla mera enhetlig _ Å uppvärmning, bör det noteras att i vissa fall kan större mängder värme påträffas vid eller i närheten av kärlets vägg än i bädden. Detta fenomen, vilket till en viss gräns kan kontrolleras, kan ha den fördelen att eventuella kristaller eller eventuell lege- ringsfas som fäster vid kärlets vägg kan lätt smälta, vilket underlättar avlägsnandet Jasse. . e, _ afiee;__ef_, 1u 15 20 25 30 40 11 448 164 av återstoden av krista11bädden,_om sâ.önskas, utan risk för skada på den e1dfasta väggen.

Upphettning i närheten av väggen i ett induktionssystem beror ti11 viss de1 på frekvensen hos strömmen i induktionsspo1arna. T.ex. är högfrekventa system t.ex. 10.000 Hz, mera benägna att producera större mängder av värme ti11 e11er i när- heten av väggen än 1ågfrekventa system, t.ex. 180 Hz. Den frekvens som användes vid kommersie11 drift sträcker sig företrädesvis från ca 60 Hz ti11 omkring 180 Hz, där de högre frekvenserna är mindre föredragna på grund av för1usten av enhet1ig uppvärm- ning. Men höga frekvenser krävs dä ett 1itet kär1 användes för att erhâ11a 1ämp1ig kan ett kär1 vi1ket enbart har en 1astkapacitet av 2,25 - 5 kg uppvärmning. T.ex. vi1ket har funnits vara mera effektivt kräva en frekvens från 1.000 - 10.000 Hz, än a1ternativa uppvärmningsmetoder.

För att under1ätta extraktionen företrädesvis kise1krista11erna för en sammanpressning, huvudsak1igen 1iknande den som beskrivits tidigare. I ett utförande av omsmä1tningssteget kan det sammanpressande trycket anbringas huvudsak1igen samtidigt med smä1tningssteget, Dvs. det är av värde om både ektivt en väsent1ig mängd av omsmä1t materia1 kan 1iksom kise1 ur de1vis om- uktionsupp- av omsmäit a1uminium-kise1fas, utsättes uppvärmningcutnyttjas. kan utnyttjas samtidigt, varvid eff pressas ut ur krista11erna innehå11ande oren 1ösningsfas, smä1ta krista11er. Den sammanpressaide röre1sen utföres efter det att ind I samt1iga fa11 utgör den återstående 1ösningsmeta11en van1igtvis inte mer än 10 vikts-% av bädden och företrädesvis reduceras 1ösningsmeta11en ti11 att inte utgöra mer än 2 vikts-% av krista11bädden.

Under upphettning av kristaiierna och oren krista11erna, kan den smä1ta de1en avtappas franLkrista11bädden huvudsak1igen kontin- uer1igt e11er i vissa fa11 med periodiskt återkommande interva11. Temperaturen hos krista11bädden, vid vi1ken den smä1ta de1en av1ägsnas, 1igger företrädesvis inom om- 0 - 130000. Den periodiskt återkommande avtappningen har förde1en Detta kan under1ätta värmningen startas. fas, som kvarstår me11an rådet av me11an 75 att p1acera krista11erna i bädden i en smä1ta av ökande renhet. reningen genom att ti11àta att -en smä1ta av högre renhet kommer i kontakt med krista11erna i bädden. Även om det inte är önskvär en vid en viss teori, är det ansett att genom att tiiiata att kommer i kontakt med krista11ena erhå11es en massöverföring av krista11erna ti11 vätskan, varvid renheten hos krista11erna ökas ytter Fö1jande exempei i11ustrerar ytter1igare uppfinningen.

EXEMPEb_1 en smä1ta av hög renhet föroreningar från 1igare.

Kise1 av ca 99,0 vikts-% renhet för att erhå11a en b1andning på 907 kg med ca 25 vi varvid återstoden utgjordes av föroreningar. Kise1materia1et upplösoesiiun a1uminium, a 850°C i en behá11are. huvudsak1igen a1uminiummateria1et genom upphettning ti11 c specie11t då induktions sammanpressningen och uppvärmningen t att nödvändigtvis binda uppfinning- renhet ti11sattes a1uminium av ca 99,9 vikts-% ° kts-% kise1 och ca 74 vikts-2 ( _...a,.« Føn-wafin- _ __. i; 12 448 164 såsom visas i fig. 2. Höjden av smältan i kärlet var ungefär 45,7 cm. Efter det att kiselmaterialet upplösts, kyldes blanuningen med en hastighet av ca 2°C per minut 585%. kylningen fuiifaijdes med hjälp av i tills blandningens temperatur var ungefär luft, vilken läts falla mot ytan av den flytande blandningen, huvudsakligen såsom 5 visas i fm. 2. Under kylningen och för att underlätta värmeavlägsningen, fördes ett tillpackningsblad, visat i fig. 2, nedåt med en hastighet av 30 ggr per minut för att föra bort kristaller från ytan och för att ge en viss blandningsrörelse. Ett prov av bildade kristaller avlägsnade från kärlet och befanns innehålla ca 74 vikts-% alu- minium. Därefter avtappades aluminium från kristallbädden medan bädden bibehölls vid k 10 en temperatur av ca 580°C för att underlätta avlägsningen av aluminium. Analyser ; visade att efter avtappningen uppgick kvarvarande aluminiumi kristallbädden till » ca 49 vikts-%. Av detta experiment framgår att en gynnsamm effekt erhålles genom avtappning i jämförelse med att enbart lyfta kiselkristallerna ut ur kärlet. Således har mängden aluminium som skall avlägsnas från kristallerna efter avtappningen minskat. l5 EXEMPEL 2 Detta exempel utfördes såsom exempel l, förutom att efter avtappningen omsmältes delvis bädden av kristaller och den aluminium som innehölls däri genom att en gaständ flamma läts verka på ytan av bäcden. Mängden av aluminium, innehållen i bädden, sänktes i medeltal till ca 42 vikts-%. Men i vissa områden av bädden hade 20 aluminiumhalten minskat kraftigt. T.ex., vid centrum vid toppen av bädden var alu- miniumhalten 7 vikts-% och perifera områden vid toppen befanns hålla aluminiumhalter av ca l9 vikts-%. Detta exempel visar att aluminiumhalten i kristallbädden kan sänkas F W väsentligt genom påläggning av värme. De skillnader i mängd aluminium som uppstod É if” fÜli- ii tillskrevs svårigheten att uppvärma den totala bädden enhetligt. T.ex. fannnman att 25 under omsmältningen var temperaturen intill ytan över 900°C, medan temperaturen vid botten enbart var ca 70000.

Exempel¿§: Detta exempel utfördes för att bestämma om kristallbädden och däri be- fintligt aluminium kunde värmas mera enhetligt i syfte att erhålla en effektivare separering av aluminium och föroreningar från kiselkristallerna. Således bereddes en 30 smälta innehållande 33,4 vikts-% kisel (metallurgisk renhetsgrad), där återstoden utgjordes av aluminium och föroreningar, vilken smälta tillhandahölls i ett litet kärl med en kapacitet av 2,25 kg. Därefter extraherades värme från enheten, tempera- turen sänktes till ungefär 58006 och legeringen avtappades. På grund av att enheten var så liten, avlägsnades enbart en relativt liten mängd smält material. De.kvarva- 35 rande kristallerna och legeringen utsattes därefter för induktionsuppvärmning i syfte att uppnå större separation av aluminium fråntkiselkristallerna. Med användande av en 30 kw induktionskälla med l0.000 Hz ökades temperaturen i bädden mer eller mindre enhetligt till ca ll00°C. Efter avtappning återstod endast ca 35 vikts-% aluminium i kristallbädden. 40 Resultatet från detta exempel visar klart att aluminiumlegeringen, vilken ä-vf' l0 _ is 20 25 30 (i 448 kan uppvärmas enhetligt föl ut Med användande av et innehålles i kristallbädden, kan separeras frånkkiselkristallerna. med 907 kg kapacitet, kan en nwcket större separation erhal sådant kärl, kan en 250 kw induktionskälla användas vid ca i aäaaen kan najas :iii ca iooo°c pa ca so-45 min. ningsblad för att pressa samman kristallerna un induktionsuppvärmningen, bör enbart l2,0 vikts-% aluminium, i hela kristallbädden. Det bör noteras att material som avtappas som resultat av induk- tionsuppvärnning kan innehålla höga halter kisel, t.ex. 45 förekomma viss nedsmältning a senare smälta för kristallisering. 164 t ge en smält del som lätt t större kärl, t.ex. las. Vid användande av ett l80 H;, varvid temperaturen l Under användande av ett tillpack- der den initiella avtappningen och unde: på beräknad basis, kvarstå vikts-%, eftersom det kan v kiselkristaller. Sådant material kan införlivas i en Av det.ovanstående, ges att i ett förfarande för rening av kisel genom kristallisation, kan lösningsmetallen, t.ex. al nivå i kristallbädden. Aluminium som kvarstår i bädden kan lerna med användande av väteklorndsyra, varvid er ekonomiskt förekommer förluster av aluminium på grund av att syran. V en högre renhetsgrad, är det smälta materialet, seringen användbart vid t.ex. aluminiumgjutningar, vi ekonomin,för systemet. Även om uppfinningen har beskri medföljande kraven ämnade att omfatta andra utföranden som finningen. uminium, avlägsnas till en mycket låg lätt upplöses från kristal- hålles ett system som är mycket eftersom enbart en mycket liten mängd vätekloridsyra krävs och det inte stora mängder behöver upplösas i idare, 2 de fall då aluminium användes såsom lösningsmedel för att ge kisel vilket avtappas först efter kristalli- I" lket ytterligare förbättrar vits med föredragna utföranden, är de faller inom ramen för upp- z-í-fixw- i l :J l ,š f'-

Claims (10)

1. -. e-.å-f 10 15 20 25 30 35 40 / ' / ' I - f - . . . . / / ,f / / /' ' _ / / / /// /// / //////////////,/Ä/,/Å 50 56' 34 Siffrorna mom pacman anger lmernanoneil ldenxiilerlngukod, INXD-kod. Y “t-flwr , t 14 PATENTKRAV 448 164 l. Förfarande för att tillha kisel kristalliseras ur ett metallösningsmedel och mäng varande i kristallbädden reduceras till en låg nivå , varvid a) en smält kropp tillhandahålles innehållande kisel, företrädesvis i en mängd av 20-80 vikts-% och metall, företrädesvis aluminium, varvid kisel är närvarande i en mängd som är större än mängden vid den eutektiska punkten för kisel-metallbland- r metallen är anpassad för att fungera som ett lösningsmedel för kisel, -metallblandningen företrädesvis har en smältpunkt mellan ca 600 ndahålla en bädd av renade kiselkristaller där den metallösningsmedel kvar- ningen, dä samt varvid kisel och 12oo°c; b) värme uttage och för att koncentrera föroreningarna i en smält fas; s från kroppen för att ge en fast fas innehållande kisel i kristall- form, k ä n n e t e c k n a t av att c) en väsentlig del av den hållande kiselkristallerna; d) den fasta fasen utsättes för smältni fasta fasen i syfte att avlägsna en väs vilken är fäst vid kristallerna; och e) åtminstone en del av det smälta materialet separeras från kristallerna av kisel.

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att väggar, vilka be- gränsar kroppen, hålles vid en temperatur som är tillräckligt hög för att förhindra någon väsentlig utfällning av kristaller på dessa.

3. Förfarande enligt krav l eller 2, k ä n n_e t e c k n a t av att värme ut- tages från kroppen genom att ett gasformigt medel bubblas genom denna, eller att' kroppen har en fri yta och att värme fråndrages via denna i syfte att ge en fast fas innehållande kisel i kristallform.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e via den fria ytan genom att en gas, företrädesvi

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att under uttagandet av värme, utsättes kroppen för en blandningsrörelse, vilket före- trädesvis utföres genom att kroppen tillpackas för att förflytta kristaller från ytan av kroppen.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att den smälta fasen avlägsnas från den fasta fasen genom avtappning alltmedan tempe- raturen hos kroppen bibehålles över den eutektiska temperaturen, varvid kroppen företrädesvis hâlles vid en temperatur av mellan 577 och 650°C.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av sättes för en tillpackningsrörelse för att därmed minimera smälta fa.en därefter avlägsnas från den fasta fasen inne- ng för att smälta åtminstone en del av den entlig mängd av metall-kiselblandningen, c k n a d av att värme avlägsnas s luft, blåses mot denna. att den fasta fasen ut mängden flytande fas som kvarstår i den fasta fasen.

8. Förfarande enligt nagot av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att efter det att en väsentlig mängd av den smälta fasen avlägsnas från den fasta Bokstav inom klammer anoer interner-emil dnkumonikmuww” fl _ 1219131171* ~ _. . 15 hettas, företrädesvis vid en temperatur av 750 - l300“C, fasta fasen i syfte att avlägsna en väsent- er kristallerna, varvid värme “ l före- i 448 164 ša íàa fasen, den fasta fasen upp för att smälta åtminstone en del~av den ¿¿ lig mängd av metall-kiselkombinationen, vilken täck Nä utvecklas i den fasta fasen genom att en elektrisk ström làtes passera genom, 5 trädesvis genom induktiv uppvärmning. Å

9. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att : i det material som bildar den smälta kroppen, vilken skall utsättas 1 i i i i föroreningarna för fraktionerad kristallisation, av intermetalliska föroreningar, varv l0 i kroppen kontrolleras så att den dubbla mättnadslinjen A-B i fig. l undvikes. _üfl

10. Förfarande enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att åtminstone en av de följande föroreningarna i kroppen kontrolleras, varvid mängden järnföroreningar Å i gl kontrolleras till att inte vara högre än 0,8 vikts-%, titan till en nivå av inte ' M “fif större än ca 0,2 vikts-%, mangan till en nivå av icke större än ca 2,0 vikts-% 15 och/eller krom till en nivå av icke större än ca 0,4 vikts-%. kontrolleras till en nivå som undviker bildning id företrädesvis nivån av järnföroreningar e i .i ie - v. i Vi 0 f. lfif. {it“ ß ï <__ß-- :a¿~:{1§«i_ «.