[发明专利]高纯度的硅和氧化铝的联合生产

说明书

本发明涉及一种生产硅和氧化铝的工艺。在促进铝热反应的条件下，使铝与氧化钙和SiO₂的熔融炉渣接触，由此形成处于分开的两相中的硅和铝酸盐炉渣。使铝酸盐炉渣转化为氧化铝和氧化钙，其被重新投入到反应中。可通过在700℃至1000℃温度下熔化铝屑或不同铝合金的组合来获得铝。将初级铝熔体中的硅含量调节为8％至14％，然后使该初级铝熔体冷却至660℃以下，由此形成沉淀，且得到高纯度的铝，该铝可被投入到反应中。

本发明涉及一种生产硅和氧化铝的工艺，特别是一种生产高纯度的硅和氧化铝的工艺。与生产高纯度的硅和氧化铝的现有工艺相比，本发明的工艺包括用以回收和再利用该工艺中关键材料的内循环回路，因而节省了能源和资源。

太阳能电池在从不可再生能源向无排放和可再生能源的能源生产方式转变中起着关键作用。高纯度的氧化铝和硅是生产发光二极管和太阳能电池所需的原料。然而，就现有技术水平而言，它们的制备不仅成本高而且耗能大。

为了可用于太阳能电池的生产，需要将其他元素除去以纯化硅，从而使硅的纯度至少达到6N(指硅的纯度为99.9999％)。这推动了诸如西门子工艺之类的复杂化学纯化工艺的发展。此外，也可通过简单的冶金处理(例如炉渣处理)或定向固化过程中的偏析来轻易地去除杂质。在过去的几十年里，硅的冶金纯化技术得到了发展，从而为材料的大量生产提供了成本效益高的方法。

在电子工业中，例如在LED或显示器的生产中，需要使用高纯度的氧化铝。氧化铝通常采用湿法冶金法生产，但由此得到的氧化铝的纯度仅为98％至99％，因而不足以用于要求纯度高于99％的电子应用中。特别地，在使用天然原材料的生产过程中裹挟有浓度过高的钠、铁等杂质元素，从而阻碍了氧化铝在电子产品中的应用。

目前，首先将氧化铝转化为金属铝，然后将该金属铝纯化并随后氧化，以得到高纯度的氧化铝。这样做不仅不经济而且低效。

基于上述的现有技术，本发明的目的是提供装置和方法以用于高纯度的硅和氧化铝的联合生产工艺。该目的是通过本说明书的权利要求书来实现的。

背景技术

以下美国专利和专利申请通过引用并入本文：US1618105、US4634581和US4457903.

术语和定义

在本说明书的上下文中，术语“铝”涉及纯铝以及含铝的合金和混合物。本发明中的铝的一具体来源是铝屑，另一具体来源是铝渣。

在本说明书的上下文中，术语“铝渣”涉及在铝的熔融过程中得到的铝金属与氧化铝的混合物。暴露的铝熔体均会出现表面氧化的现象，并且所得的表面层在铝加工的某些步骤中被撇去。撇去物中含有大量的铝金属(含量高达70％)，因此有必要通过回收铝金属的方法来加以回收。铝渣中的一种特殊形式即所谓的“黑渣”，它源于一种常规的浮渣再加工工艺，在该浮渣再加工工艺中部分残留的铝金属被回收。因此，黑渣中铝金属的含量较低，通常无法被进一步回收。

在本说明书的上下文中，术语“硅”涉及纯硅以及包含杂质的硅和含硅混合物。

在本说明书的上下文中，术语“矾土”、“氧化铝”和“氧化铝(III)”是同义词，且与通式为Al₂O₃的化合物有关。

术语“二氧化硅”和“氧化硅”在本说明书中用作同义词，且与化学式为SiO₂的化合物有关。本发明中使用的二氧化硅的主要来源包括石英和石英砂。

术语“氢氧化铝”和“氢氧化铝(III)”在本说明书中用作同义词，且与化学式为Al(OH)₃的化合物有关。

术语“氯化铝”和“氯化铝(III)”在本说明书中用作同义词，且与化学式为AlCl₃的化合物有关。