Brevet FR2621575A1 — publié le 19890414

Procede et dispositif pour la production continue de silicium liquide a partir de carbone et de silice. La presente invention concerne un procede pour la production continue de silicium liquide a partir de carbone et de silice, avec addition d'énergie thermique. Dans un procédé électrothermique traditionnel de production de silicium à partir de silice, la quantité de silicium recuperee est limite å environ 80% en raison de la formation d'oxyde de silicium sous forme gazeuse, SiOg, qui quitte la zone reactionnelle et le four avant qu'il puisse être réduit en silicium liquide Sil, et aussi parce que SiC est recueilli comme déchet dans les parties de refroidisseur du four Le mécanisme et la théorie de ce phénomène sont discutés dans "Heat and Mass Transfer in the Ferrosilicon Process", par M. B. Muller, S. E. Olsen et J. K. Tuset dans The Scantinavian Journal of Metallurgie 1(1972) 143 - 135. Un objectif de la présente invention est donc d'améliorer le pourcentage de récupération de silicium, réduisant ainsi la consommation en matériau et en énergie. A cet effet. l'invention propose un procédé pour la production continue de silicium liquide t partir de carbone et de silice, selon lequel, dans une première étape, une premiere quantité de silice est convertie avec le carbone pour former le carbure de silicium, et selon lequel, dans une seconde étape subséquente, la seconde quantité restante de silice est convertie avec le carbure de silicium produit dans la première étape, pour former du silicium liquide, de l'énergie thermique étant fournie pendant les deux étapes du procédé. La première quantité de silice est choisie de fanon t constituer environ deux tiers et la seconde quantité constitue ainsi environ un tiers de la totalité.La température pendant la première étape est de préférence d'au moins 1900'C et la température pendant la seconde étape est de préférence égalementd'au moins 1900'C. Le procédé selon l'invention permet donc de reduire ou d'éliminer les pertes en SiO8 mentionnées plus haut, et de réduire au minimum la proportion de SiC restant dans le produit. Le procede selon l'invention peut être illustre comme suit Dans la première étape, une réduction carbothermique de SiO2 est effectuée dans une première zone contenant un surplus de carbone. SiC est donc produit comme suit; Si 2 + 2C 2 SiOg + 2CO (1) 2 510 + 4C g 2 SiC + 2CO (2) ou au total 2 5102 + 6C 2 SiCs + 4CO (3) Dans la seconde étape, le SiC produit dans la premiere étape est utilisé pour réduire le SiO additionnel comme suit: SiO2 + SiCs Sil + SiOg + CO (4), et SiOg + SiCs 2 Si1 + CO (5) ou au total SiO2 + 2SiCs 3 Si1 + 2CO (6). La reaction totale des deux étapes combinées (équation (3) plus équation (6) ) est 3SiO2 + 6C 3Sil + 6CO (7). Le procède selon l'invention est effectue avec avantage dans un four a cuve rempli de matériau carboné en morceaux. Ce réacteur est muni de marnière appropriée de moyens d'alimentation pour le matériau carbone en morceaux, et d'un tuysu pour l'évacuation tes gaz produits et introduits dans le systeme. Des moyens sont prévus dans un niveau supérieur du réacteur pour fournir de la silice et de l'énergie thermique permettant de réaliser la seconde étape réactionnelle. La partie inférieure du réacteur est conçue d'une manière traditionnelle pour permettre le soutirage du silicium produit.Elle peut hêtre avantageusement conçue de façon à permettre de recueillir temporairement le silicium liquide qui est alors soutire du reacteur d'une manière discontinue Le moyen de fourniture de l'énergie thermique peut étire de preference un moyen pour fournir de l'énergie indépendante d'une combustion, comme par exemple un générateur de plasma. du SiO2 sous forme particulaire étant injecte dans ledit moyen Le procédé selon l'invention, conformément aux équations stoechiométriques indiquées ci-dessus, va être décrit en détail, en regard du dessin unique annexe, représentant schematiquement un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention. Le dispositif représenté schématiquement sur la figure comprend un four à cuve 1 muni d'au moins un générateur de plasma 2 situé dans un niveau elevé. et au moins un générateur de plasma situé dans un niveau inférieur. Le four est egalement muni d'une vanne traditionnelle 4 dans la partie superieure 9 pour l'alimentation du charbon en morceaux, et d'un tuyau 7 pour l'évacuation des gaz produits et introduits dans le four. Des moyens d'injection 5 et 6, destinés respectivement a injecter SiO2 sous forme particulaire dans chaque generateur de plasma. sont également représentés. Des moyens de soutirage sont également representes au fond du four pour le soutirage periodique du produit. le silicium liquide. La première étape du procédé est effectuée dans la partie supérieure du four a cuve 1, que comprend les générateurs de plasma 2 au niveau supérieur et le volume du four supérieur à ce niveau. Ce volume du four est rempli avec du charbon en morceaux qui est alimente à travers la partie supérieure 9 de la cuve. Le gaz plasma, qui peut etre du gaz de rejet recyclé ou un autre gaz approprié, en commun avec le SiO2 injecte sous forme particulaire dans le gaz plasma, pénètre dans le lit de charbon et réagit selon les équations (I) et (2) pour former SiC et CO. l'a température de cette zone réactionnelle, après conversion pratiquement complète, va etre d'au moins 1900'C, de préférence plus, et cette température va se réduire t environ I 300 C au sommet du four t cuve, tandis que le charbon alimenté en morceaux descend et est chauffé t la température réactionnelle par les gaz montants. Il est évident qu'une partie considérable de ce préchauffage du charbon va être effectué dans la partie supérieure du volume de réacteur, de sorte que la plus grande partie du volume au-dessus du niveau du générateur de plasma 2 supérieur va Ure à la température réactionnelle ou proche de celle-ci. Cela produit des conditions favorables pour la réduction complète de tout le SiOg selon la reaction (2).Le SiC produit dans la première etape va se déplacer vers le bas, en commun avec tout le charbon qui n'a pas été converti. dans la partie inférieure du four t cuve 1, ladite partie contenant les générateurs à plasma au niveau inférieur 3 et des moyens pour recueillir et soutirer Sil et cette partie inférieure est utilisée pour effectuer la seconde étape du procédé Le SiO2 additionnel, en commun avec le gaz plasma des générateurs de plasma å un niveau inférieur. est alimente ici avec le SiC se déplaçant vers le bas et le charbon non converti pour produire Sil et Cri. selon les réactions (4). (5) et éventuellement 510g + c Si1 + CO (8). Le Sil produit est recueilli au fond du four, et il est périodiquement soutiré d'une manière traditionnelle. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le four est démarre par remplissage de sa partie inférieure avec SiC en morceaux, et remplissage de Sa partie supérieure avec du charbon en morceaux. qui peut être du graphite ou du coke. Les générateurs de plasma aux niveaux 2 et 3 sont actionnés par un gaz plasma inerte approprie pour chauffer le systéme à la température appropriée La production continue de Sil peut hêtre démarrée par injection de SiO2 dans les générateurs de plasma 2 et 3 pour obtenir les réactions décrites précédemment. Un exemple du procédé selon l'invention, utilisant des réactants relativement purs. est indiqué dans le tableau ci-dessous, pour un débit de production d'une tonne de silice par heure. Dans cet exemple, les températures des zones réactionnelles ont été maintenues Environ 1900'C. Exemples de foncionnement a une vitesse de production de I tonne de Si par heure. par tonne de Si Consommation de carbone. kg 855 835 Silice, kg 2139 2139 pour la première étape 1426 1426 pour la seconde étape 713 713 Electricité. kWh 7924 12915 pour la premiere étape 4346 7590 pour la seconde étape 3378 5325 Plasma gazeux. kmole 49 3; pour la première étape 34 34 pour la seconde étape 15 24 Gaz rejeté. mole* 125 134 CO, fraction molaire 0.938 0.938 N2. fraction molaire 0,062 0,062 Température du gaz rejeté. 'C &num;1250 &num;1310 Le plasma gazeux est du gaz de rejet recyclé dans ces exemples REVENDICATIONS 1. Procédé pour la production continue de silicium liquide à partir de carbone et de silice. caractérisé en ce que, dans une première étape. une première quantité de silice est convertie avec le carbone pour former le carbure de silicium. et selon lequel, dans une seconde étape subséquente, la seconde quantité restante de silice est convertie avec le carbure de silicium produit dans la premiere étape, pour former du silicium liquide, de l'énergie thermique étant fournie pendant les deux étapes du procédé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première quantité de silice est choisie de façon t constituer environ 2/3 et la seconde quantité de silice est choisie de façon à constituer environ 1/3 de la totalité. 3; Procédé selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que pendant la première étape, la température est maintenue à au moins 1900'C. 4. Procéde selon l'une quelconque des revendications I t 3, caractérisé en ce que pendant la seconde étape. la température est muntenue t au moins 1900'C. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que la premiere étape est effectuée par introduction de plasma gazeux avec du SiOt injecté dedans. dans un lit pour former une première zone réactionnelle placée t un niveau au-dessus d'une seconde zone réactionnelle dans le réacteur, contenant principalement du carbure de silicium qui a été produit dans la première zone. la seconde étape butant effectuée dans la seconde zone, le plasma gazeux avec la silice injectée dedans étant simultanément introduite dans ladite seconde zone. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1. pour la production continue de silicium liquide. à partir de carbone et de silice avec addition de chaleur, caractérise en ce qu'il comprend un récipient réactionnet (1) contenant du charbon en morceaux. un moyen (4) disposé dans le récipient (1) pour l'alimentation du charbon en morceaux, un tuyau (7) raccordé au récipient réactionnel pour l'élimination des gaz de rejet, un générateur de plasma (2) agencé dans la partie supérieure du récipient pour introduire le plasma gazeux dans la partie supérieure du lit de" charbon dans le récipient réactionnel pour former une première zone réactionnelle dans le lit. ainsi qu'un moyen (3) pour injecter de la silice dans la première zone réactionnelle, ledit dispositif comprenant en outre un generateur de plasma (3) situé a un niveau inférieur. dans le recipient réactionnel. avec un moyen relié à ce dernier pour introduire de la silice dans une seconde zone réactionnelîe formée par le générateur de plasma (3) au niveau inférieur. dans un lit principalement constitué de carbure de silicium qui a été produit dans la première zone. et aussi une sortie dans la partie inférieure du récipient réactionnel pour soutirer le silicium produit