Способ выбора кремния, обладающего улучшенной характеристикой - RU2371386C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение направлено на способ выбора отдельных партий кремния, которые являются прогнозируемыми и которые будет легко отделять от шлака, и, следовательно, они имеют низкие уровни вредных оксидных загрязнений. Это приводит к улучшенным свойствам кремния в прямом способе Rochow. В частности, способ настоящего изобретения принимает во внимание взаимосвязи температуры очистки, температуры литья, содержание алюминия и уровней кальция в кремнии в прогнозировании свойств шлака, а также легкость отделения шлака от кремния. Это представляет собой улучшение предшествующих методов, которые или рассматривали данные факторы независимо, или полагались на измерение уровней оксидов в показательных выборках дробленых лотов.

Уровень техники

Органические галогеносиланы, особенно диалкилдихлорсиланы, являются важными промежуточными соединениями в промышленности кремния. Органические галогеносиланы типично гидролизуют и конденсируют с образованием полиорганосилоксанов, которые затем можно переработать с образованием, например, силиконовых жидкостей, эластомеров, герметиков, связующих материалов и смол. Преобладающий коммерческий способ получения данных промежуточных органических галогеносиланов представляет собой способ, обычно называемый «прямым способом», как первоначально описано Rochow в патенте США 2380995 (7 августа, 1945) и в патенте США 2380996 (7 августа, 1945), которые включаются здесь ссылкой.

Из-за больших объемов органических галогеносиланов, используемых в промышленности кремния, значительные усилия были направлены на оптимизацию превращения кремниевых металлоидов в диорганодигалогенсиланы, особенно в диметилдихлорсилан. В промышленности кремния известно, что различные лоты химически чистого кремниевого металлоида по разному реагируют в данном прямом процессе. Пытаясь регулировать изменчивость реакционной способности между лотами химически чистого кремниевого металлоида в прямом способе, производители органических галогеносиланов наложили ряд строгих ограничений на приемлемые виды и уровни загрязнений, присутствующих в кремнии. Например, можно сделать ссылку на том 376, Journal of Organometallic Chemistry, Michael P. Clarke, pp. 165-222, November 7, 1989, озаглавленную The Direct Synthesis of Methylchlorosilanes, которая предлагает всесторонний обзор прямого способа синтеза метилхлорсиланов и влияния загрязнений на данный способ.

Патент США 5427952 (27 июня, 1995) описывает способ анализа химически чистого кремния, предназначенного для использования в прямом способе, на присутствие неметаллических загрязнений, включая оксиды и карбиды кальция, алюминия и кремния. Полагают, что важной причиной разнообразия от лота к лоту химически чистого кремниевого металлоида в прямом способе является присутствие данных неметаллических загрязнений. Данный метод включает отделение загрязнений процессом плавления и последующий анализ загрязнений на химический состав.

Патент США 5973177 (26 октября, 1999), в дальнейшем патент '177, описывает способ анализа химически чистого кремниевого металлоида на оксидные примеси, вредные для производства диорганодигалогеносиланов в прямом способе, нагреванием образца при регулируемых условиях до температуры больше, чем примерно 2300°C, в присутствии источника углерода, такого, чтобы продукт восстановления, состоящий из монооксида углерода и диоксида углерода, который образуется при температуре выше примерно 1900°С, являлся прогнозом характеристики химически чистого кремниевого металлоида в прямом способе. В частности, патент '177 описывает, что чем меньше количество продукта восстановления, образованного при температуре выше примерно 1900°С, тем больше специфичность химически чистого кремниевого металлоида для производственного выхода диорганодигалогеносиланов.

Здесь было обнаружено, что количество вредных оксидных примесей, присутствующих в химически чистом кремниевом металлоиде, можно спрогнозировать на основании стандартного элементного анализа кремниевого металлоида и рабочих условий процесса очистки.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к способу выбора (селекции) кремниевого металлоида, обладающего улучшенной характеристикой в прямом способе получения органических галогеносиланов, в котором галогенорганическое соединение взаимодействует с кремниевым металлоидом в присутствии медного катализатора при повышенной температуре. Способ осуществляют (А) путем измерения температуры каждой партии кремниевого металлоида как в процессе очистки, так и литья кремниевого металлоида; (В) измерения уровней примесей элементов в каждой партии кремниевого металлоида после очистки кремниевого металлоида; (С) прогнозирования свойств шлаковой фазы, полученной в процессе очистки кремниевого металлоида, на основании равновесных расчетов с использованием уровней примесей элементов и измеренных температур каждой партии кремниевого металлоида; и (D) выбора кремниевого металлоида для использования в прямом способе получения органических галогеносиланов на основании предсказанных свойств шлака, так чтобы плотность шлака, вязкость и точка плавления шлака находились в пределах приемлемых и заданных диапазонов для каждой отдельной партии.

В одном способе (i) предсказанная точка плавления шлака меньше, чем температура в процессе очистки партии кремниевого металлоида; (ii) предсказанная плотность шлака, по меньшей мере, на 0,02 грамма на см³ больше, чем плотность партии кремниевого металлоида при температуре литья, альтернативно, по меньшей мере, на 0,04 грамма на см³ больше, чем плотность партии кремниевого металлоида при температуре литья; (iii) предсказанная вязкость шлака составляет, по меньшей мере, 35 пуаз при температуре литья, альтернативно, по меньшей мере, 40 пуаз при температуре литья, и альтернативно, по меньшей мере, 50 пуаз при температуре литья.

Эти и другие особенности настоящего изобретения станут очевидными из рассмотрения подробного описания.

Подробное описание настоящего изобретения

Способ по настоящему изобретению относится к выбору химически чистого кремниевого металлоида, обладающего улучшенными свойствами в прямом способе получения органических галогеносиланов. Его обычно выполняют в четыре стадии. На стадии (А) температуру партии кремниевого металлоида измеряют как в процессе очистки, так и литья. На стадии (В) измеряют уровни примесей элементов в партии кремниевого металлоида после очистки. На стадии (С) прогнозируют свойства шлаковой фазы на основании равновесных расчетов с использованием уровней примесей элементов и измеренных температур данной партии. На стадии (D) выбирают кремниевый металлоид для использования в прямом способе получения органических галогеносиланов на основании предсказанных свойств шлака, так чтобы плотность шлака, вязкость и точка плавления шлака находились в пределах приемлемых и заданных диапазонов для отдельной партии.

Используемая здесь фраза "химически чистый кремниевый металлоид или химически чистый кремний" для использования в прямом процессе получения органических галогеносиланов подразумевает любой кремниевый металлоид, содержащий, по меньшей мере, примерно 98 процентов, по меньше 100 процентов по массе кремниевого металлоида и содержащий оксиды алюминия, кальция и кремния в качестве примесей.

Используемая здесь фраза прямой способ получения органических галогеносиланов подразумевает способ, где галогенорганическое соединение взаимодействует с кремниевым металлоидом в присутствии медного катализатора при повышенной температуре (например, от 200 до 700°С) с образованием смеси, содержащей различные органические галогеносиланы.

Используемый здесь термин "шлак" подразумевает оксиды алюминия, кальция и кремния, которые типично отделяются от химически чистого кремниевого металлоида в процессе его очистки и литья, некоторые из которых могут находиться в химически чистом кремниевом металлоиде в качестве примесей. Используемый здесь термин "вредные оксидные примеси" подразумевает оксиды алюминия и кальция, которые находятся в химически чистом кремниевом металлоиде в качестве примесей.

Используемый здесь термин "кремниевый металлоид" является синонимом кремния или металлического кремния. Используемый здесь термин "партии" подразумевает отдельные объемы плавленого кремния, очищенного в сосудах для очистки, таких как облицованные огнеупорным материалом ковши. Используемый здесь термин "лоты" подразумевает группы партий, которые дробят и упаковывают вместе. Размеры лотов отличаются в зависимости от специфики потребностей заказчика или поставщика и способов перевозки груза.

Как отмечалось, равновесные расчеты используют здесь для прогнозирования состава шлака на основании измеренных уровней примесей в кремнии и температур. Данные расчеты основаны на равновесных данных, которые позволяют соотнести состав шлака со свойствами шлака, такими как плотность, вязкость и точка плавления. Данные расчеты и равновесные данные хорошо известны специалистам.

Химически чистый кремниевый металлоид обычно выбирают на основании, главным образом, независимых диапазонов спецификации для различных уровней примесей, таких как алюминий и кальций. Однако здесь было установлено, что данные обычно используемые способы выбора химически чистого кремния сами по себе являются недостаточными для прогнозирования характеристики химически чистого кремния в прямом способе. Также здесь было установлено, что взаимосвязи между уровнями алюминия, уровнями кальция, температурой очистки и температурой литья играют важные роли в прогнозировании характеристики химически чистого кремния в прямом способе. В настоящем изобретении данные взаимосвязи приняты во внимание при прогнозировании свойств шлака.

Полагают, что на эффективность очистки химически чистого кремния от шлака оказывают сильное влияние физические свойства шлака для каждой партии очищенного химически чистого кремния. Следует понимать, однако, что очень трудно измерить физические свойства шлака напрямую. Способ по настоящему изобретению предлагает специалисту в данной области оценить физические свойства шлака из легко проводимых измерений и, таким образом, прогнозировать отделение шлака для каждой партии очищенного химически чистого кремния. Особый интерес представляют такие свойства шлака как вязкость, точка плавления и плотность относительно плотности плавленого химически чистого кремния. Физические свойства шлака для каждой партии прогнозируют с использованием равновесных расчетов.

Как отмечено выше, способ по настоящему изобретению обычно включает четыре стадии (А), (В), (С) и (D). На стадии (А) измеряют температуры очистки и литья каждой партии химически чистого кремния, используя методы, типичные для промышленности, такие как использование температурных датчиков погружения. На стадии (В) измеряют примеси элементов в каждой партии очищенного химически чистого кремния. Это включает, например, уровни присутствующих алюминия и кальция. Хотя метод отбора проб и аналитический метод, используемые для измерения уровней примесей, не являются критической особенностью настоящего изобретения, анализируемый образец должен быть типичным из рассматриваемой партии химически чистого кремния. Соответственно, могут быть использованы различные методы отбора проб, такие как одноразовые пробоотборники или отборники в виде графитовых чашек; и могут быть использованы различные методы анализа, такие как рентгеновская флуоресценция или плазменная эмиссионная спектроскопия.

На стадии (С) используют температуру очистки, температуру литья и уровни примесей элементов в химически чистом кремнии (измеренные на стадиях (А) и (В)) для оценки физических свойств шлака для каждой партии химически чистого кремния. Данную оценку выполняют для каждой партии с использованием равновесных расчетов. Особый интерес представляют свойства шлака, такие как его точка плавления, вязкость и плотность. На стадии (D) предсказанные свойства шлака, определенные на стадии (С), используют как основу для выбора отдельных партий химически чистого кремния для использования в прямом способе получения органических галогеносиланов, особенно таких органических галогеносиланов как диметилдихлорсилан (CH₃)₂SiCl₂.

Таким образом, было обнаружено, что количество вредных оксидных загрязнений можно оценить на основании свойств шлака, предсказанных для каждой партии химически чистого кремния с использованием равновесных расчетов. Оцененное количество вредных оксидных загрязнений можно затем использовать для прогнозирования выхода химически чистого кремния для производства диорганодигалогенсиланов в прямом способе. Также было установлено (i) что для оптимальной характеристики химически чистого кремния предсказанная точка плавления шлака должна быть ниже, чем температура в процессе очистки партии химически чистого кремния; (ii) что предсказанная плотность шлака должна существенно отличаться от плотности партии химически чистого кремния при температуре литья; и (iii) что предсказанная вязкость шлака должна быть достаточно большой при температуре литья. Полагают, что данные свойства от (i) до (iii) зачастую необходимы для эффективного отделения химически чистого кремния от шлака. Примеры такого типа данных включают: (i) предсказанная точка плавления шлака ниже, чем температура в процессе очистки партии кремниевого металлоида; (ii) предсказанная плотность шлака, по меньшей мере, на 0,02 грамма на см³ выше, чем плотность партии кремниевого металлоида при температуре литья, альтернативно, по меньшей мере, на 0,04 грамма на см³ выше, чем плотность партии кремниевого металлоида при температуре литья; (iii) предсказанная вязкость шлака составляет, по меньшей мере, 35 пуаз при температуре литья, альтернативно, по меньшей мере, 40 пуаз при температуре литья и альтернативно, по меньшей мере, 50 пуаз при температуре литья.

Таким образом, в настоящий момент можно провести отбор различных партий товара или лотов химически чистого кремния и выбрать и/или выделить те лоты или партии товара, имеющие больший или меньший выход в процессе производства диорганодигалогенсиланов, в соответствии с коммерческими требованиями. Описанный здесь способ особенно подходит для выбора химически чистого кремния для использования в прямом способе, где одним из предпочтительных продуктов является диметилдихлорсилан.

Данный способ можно использовать в процессе получения кремния. В этом отношении, кремний обычно получают карботермическим восстановлением кварца (SiO₂) в электродуговой печи. Восстанавливающими агентами типично являются уголь, каменный уголь или кокс, и полная реакция восстановления представлена уравнением: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. В процессе получения кремния его можно очищать выпуском расплавленного кремния из печи в сосуд для очистки, типично в облицованный огнеупорным материалом ковш, и впоследствии очистить в данном ковше. Очистку кремния в основном проводят в жидком, т.е. расплавленном кремнии, известными методами окисления или хлорирования. Уровни вредных оксидов можно регулировать регулированием температур очистки и литья и уровней примесей элементов в каждой партии очищенного кремния до уровней, которые будут приводить к фазе шлака, которую легко отделить от полученного кремния, а именно чтобы свойства шлака, в частности точка плавления, вязкость и плотность, находились внутри приемлемого диапазона. Температуры очистки и литья можно регулировать добавлением затвердевшего кремния или регулированием скоростей потока очищающего газа и состава. Условия очистки, такие как скорости потока очищающего газа, состав и время очистки, можно регулировать, приводя к уровням примесей элементов в каждой партии очищенного кремния, которые находятся внутри заданных диапазонов.

Следующие ниже примеры изложены для того, чтобы проиллюстрировать настоящее изобретение более детально. Данные примеры не имеют намерения ограничивать объем патентной защиты изобретения.

ПРИМЕРЫ

Ряд лотов химически чистого кремния (CGS) оценивали способом по настоящему изобретению, и результаты сопоставляли с количеством вредных оксидных загрязнений. Для каждой партии CGS в рамках определенного лота были спрогнозированы свойства шлака во время получения с использованием настоящего способа. Свойства шлака каждой партии в данном лоте затем использовали для расчета процента кремния внутри приемлемых диапазонов свойств шлака для данного лота. Свойства шлака, которые были оценены, представляли собой (i) предсказанную точку плавления шлака относительно температуры очистки для каждой партии химически чистого кремния, (ii) предсказанную плотность шлака относительно плотности химически чистого кремния при температуре литья для каждой партии химически чистого кремния и (iii) предсказанную вязкость шлака при температуре литья для каждой партии химически чистого кремния. Содержание вредных оксидных загрязнений измеряли для каждого лота согласно способу, описанному в патенте '177, т.е. выполняя стадии А и В, который рассматривают включенным здесь ссылкой.

Данные результаты суммированы в следующих таблицах 1-4 и иллюстрируют соотношение между предсказанными свойствами шлака каждой партии химически чистого кремния и измеренным количеством вредных оксидных загрязнений. В частности, данные результаты в отношении предсказанной точки плавления шлака суммированы в таблице 1 и иллюстрируют соотношение между предсказанной точкой плавления шлака и количеством вредных оксидных загрязнений в химически чистом кремнии.

Результаты в отношении предсказанной плотности шлака суммированы в таблице 2 и иллюстрируют соотношение между предсказанной плотностью шлака и количеством вредных оксидных загрязнений в кремнии.

Результаты в отношении предсказанной вязкости шлака суммированы в таблице 3 и иллюстрируют соотношение между предсказанной вязкостью шлака и количеством вредных оксидных загрязнений в кремнии.

Результаты в отношении комбинированного влияния точки плавления шлака, плотности шлака и вязкости шлака суммированы в таблице 4 и иллюстрируют соотношение между предсказанными свойствами шлака и количеством вредных оксидных загрязнений в кремнии.

Другие изменения могут быть сделаны в соединениях, композициях и способах, описанных здесь, без отступления от важнейших особенностей настоящего изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения, специфически проиллюстрированные здесь, являются только иллюстративными и не имеют намерения ограничивать его объем, кроме случаев, определенных в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Изобретение может быть использовано для карботермического получения кремния из кварца в электродуговой печи с последующим получением органических галогеносиланов прямым способом. Способ выбора химически чистого кремниевого металлоида включает измерение температуры и уровней примесей элементов в партии, прогнозирование свойств шлака, так чтобы предсказанная плотность шлака была, по меньшей мере, на 0,02 грамма на см3 выше, чем плотность партии химически чистого кремния при температуре литья, предсказанная вязкость шлака составляла, по меньшей мере, 35 пуаз при температуре литья и предсказанная точка плавления шлака была ниже, чем температура в процессе очистки партии химически чистого кремния. Изобретение позволяет выбрать партии кремниевого металлоида, имеющего больший или меньший выход в процессе производства диорганодигалогенсиланов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 табл.

Формула