Controlled Silicon thin Casting

Elkem er en global leverandør av silisium og silisiumrelaterte produkter som våre kunder prosesserer videre i sine anlegg. For eksempel, er det den viktigste bestanddelen høy-rent silisium både for produksjon av solceller og for silisium til silikoner. Nedstrøms prosesseffektivitet (energiforbruk, produktivitet) vil være sterkt påvirket av materialenes egenskaper. Kravene til produktene er stadig økende og behovet for utvikling av nye produkter i markedet er stort. En viktig forutsetning for å bedre materialegenskapene er å forstå hvordan mikrostrukturen kan kontrolleres. Mikrostrukturen består av korn og intermetalliske partikler som utgjør byggeklossene i materialet, er bestemmende for materialets egenskaper. Under størkning av silisium, vil nesten rent silisium krystalliseres først og avvise andre elementer (hovedsakelig Al, Ca, Fe og Ti) tilbake til smelten. Når smelten er mettet på disse elementene, vil de danne intermetalliske partikler (for eksempel Al3FeSi2 som inneholder 3/6 aluminium, jern og 1/6 2/6 silisium). Det er derfor viktig å forstå hvordan prosessbetingelsene og materialets kjemi påvirke mikrostrukturen. Et av prosjektets mål er å utvikle en matematisk modell, SiStruc (Silicon Structure), som kan forutsi den komplekse sammenhengen mellom prosessbetingelser, kjemisk sammensetning og mikrostruktur for å kunne optimalisere de ønskede egenskaper. SiStruc programvaren har blitt modernisert og har fått et mer brukervennlig grensesnitt. På grunnlag av termodynamiske likevekts-data som er funnet i litteraturen, har modell-parameterne blitt kalibrert. Men i praksis oppnås det ikke likevektstilstand for elementene som diffunderer under størkningen. Derfor har prosjektet undersøkt hvordan man skal inkludere effekten av avkjølehastighet og kornstørrelser. For bedre å forstå dannelsen av mikrostruktur og for å vurdere kvaliteten på modellens beregningsresultater, er det utført støpe eksperimenter og analyser av prøver fra forsøk med forskjellige teknikker. Karakterisering av prøver med ulike termiske historier viser svært forskjellige mikrostrukturer. Denne informasjonen vil være svært viktig når det gjelder valg av ny støpe-teknologi som vil kunne gi større muligheter for å dekke kundenes behov for spesialprodukter. Nye metoder for måling av spesifikke mikrostrukturparametere er blitt utviklet som gjør det mulig å skille klart mellom mikrostrukturer med forskjellig termisk historie. En utfordring har vært å analysere store prøver automatisk da dette genererer svært store data mengder som må behandles statistisk. Det er spesielt viktig å identifisere og kvantifisere intermetalliske partikler. Det krever utstyr med høy oppløsning for å kunne måle den lokale sammensetning (lokalt forholdet mellom ulike kjemiske elementer) med stor nøyaktighet. Det er nå mulig å utføre automatiske målinger av mikrostruktur-elementene vha programvaren AMICS (Bruker). All kunnskapen fra støpe eksperimentene og mikrostruktur-karakteriseringen har blitt systematisert og implementert i SiStruc. En oppdatert versjon med nytt grensesnitt har bli utgitt og det vil bli etablert et bruker forum for SiStruc.

Over the last 15 years Elkem has focused on silicon and silicon related products. The traditional products have been Silgrain, metallurgical grade silicon, ferrosilicon and foundry products, but since introduction of Elkem Solar Silicon® in 2009, a continuous work on product development has taken place including a BIA project focusing on Si to anodes in Li batteries. A general trend for the new markets is the need for small sized particles and the consequence for Elkem is to find robust technologies for making homogenous particles with desired properties. Traditional casting techniques cause segregation and uneven distribution of dope and alloying elements. They are also associated with significant generation of dust and fumes. The regulations on dust exposure in working environment will in coming years force the industry to change the process. Both challenges can be handled by thin casting methods. This opens a new window of opportunities on controlling the process for tailor-making product properties. Redesigning of casting equipment for thin casting opens up to improvements: i) towards more controllable solidification and cooling stages, ii)of the process yield by reducing the need for crushing. A thin cast material has a different microstructure and thereby different product properties than thicker cast materials. The subsequent crushing step after casting will also benefit from the thin cast microstructure through the need of less energy for crushing, i.e. the degree of size reduction is smaller. Therefore, less low grade material called fines will be generated and the volume of high quality silicon will increase. The main objective of the R&D program is to develop a tool for designing controllable, homogeneous microstructures in silicon, silicides and silicon alloys which make the products suitable for further processing to use in new applications like Li batteries and thermoelectric generators.