Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4025
Kraus, Christina; Quadakkers, Wilhelm Joseph
Korrosionsverhalten metallischer und keramischer Werkstoffe in Prozeßgasen zur Herstellung von Solarsilizium
III, 157 S., 2003

Unter dem Gesichtspunkt der notwendigen Verminderung der weltweiten C02-Emissionen stellt die Photovoltaik eine Schlüsseltechnologie zur emissionsfreien Stromerzeugung dar. Die Herstellung von Solarsilizium, dem Basismaterial für Solarzellen, ist aufgrund der aufwendigen Reinigung des Rohsiliziums sehr teuer. Eine Optimierung dieses Reinigungsverfahrens kann daher die Gesamtherstellungskosten deutlich senken .

Die Trichlorsilansynthese (SiHCl3), der erste Teilschritt der Si-Reinigung, erfordert Temperaturen bis zu 650°C und einen Prozeßdruck von 30 bar. Die dabei auftretende chlorierende und silizierende Atmosphäre stellt besonders hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der Konstruktionswerkstoffe. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Korrosionsuntersuchungen an verschiedenen Werkstoffgruppen durchgeführt . Dabei wurden die Bedingungen der SiHCl3-Synthese simuliert, um einen geeigneten Werkstoff für den Wirbelschichtreaktor auszuwählen.

Handelsübliche Fe- und Ni-Basislegierungen zeigten durchweg eine deutliche Zunahme der Korrosionsraten bei einer Temperaturerhöhung von 600°C auf 700°C und einem konstanten Betriebsdruck von 1 bar.

Insbesondere bei den Fe-Basiswerkstoffen war der Anstieg der Korrosionsrate charakterisiert durch ein starkes Silizidwachstum, zunehmende Porosität der Schichten, verstärkte Chloridbildung und reduzierte Schichthaftung durch abdampfende Chloride. Die Druckerhöhung auf 30 bar führte zu einer erhöhten Stabilität der Chloride, d.h., daß flüchtige Chloride die langsam wachsende Silizidschicht zerstörten und die fortwährende Chloreinwirkung hohe Korrosionsraten verursachte.

Eine erhöhte Beständigkeit konnte für Ni-Basiswerkstoffe mit hohen Cr- und Mo-Gehalten wie MITSUBISHI alloy T21 und HASTELLOY alloy C-276 nachgewiesen werden . Eine Mo-Anreicherung an der Phasengrenze Legierung/Korrosionsschicht verminderte die Bildung von schädlichem, flüchtigen Chromchlorid . Das Silizidschichtwachstum wurde durch den Einbau von Cr und Mo in das Ni-Silizidgitter gehemmt. Die Legierungszusammensetzung Ni25Cr20Mo zeigte die besten Resultate. Sie war allen anderen untersuchten temären Modellegierungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit unter SiHCl3-Synthesebedingungen überlegen.

Die vorliegende Arbeit soll die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes für einen Wirbelschichtreaktor zur Herstellung von SiHCl3 unterstützen . Die Korrosionskinetik unter silizierenden und chlorierenden Atmosphären wird ausführlich beschrieben.

The increasing emission of C02, due to the growing Power consumption, requires more and more efforts to replace fossile fuels by sophisticated no-emission systems in Power generation . Using photovoltaics is one possible option . Producing electricity by solar energy, photovoltaics may contribute to a significant reduction of C02 emissions .

The basic material in photovoltaics is solar grade silicon. lt is the price of this material, which is one of the major obstacles, when thinking of a commercial use of solar energy . Most efficient cost reduction is expected by improving the refining process of metallurgical grade silicon. The hydrochlorination, i.e. the Synthesis of Trichlorsilane (SiHCl3), is the first step of the refining process.

Hydrochlorination requires a special material for the high-Pressure fluidized bed reactor and other components of the installation, able to resist the corrosioe nature of the process gases. Some Fe and Ni base alloys, metals and ceramics as well, have been studied in order to find suitable materials for the reactor and to gather basic knowledge of the corrosion mechanisms .

The obtained results prove that under conditiones of the syntheses of Trichlorsilane the reaction of silicon with the base metal initially produces a silicide film. However, with increasing temperatures up to 700°C and Pressure up to 30 bar the increased partial pressure of chlorine leads to a formation of volatile metal chlorides. Consequently the porosity of the silicide scale increases and scale spallation occurs especially at the iron base alloys indicating high corrosion rates.

The best resistance in chlorinizing and silicizing atmospheres were found for commercial Ni base alloys and temary model alloys with a molybdenum and chromium compound such as MITSUBISHI alloy T21 and HASTELLOY alloy C-276, i.e. alloys similar to Ni25Cr20Mo.

This work presents fundamental corrosion data which might be useful for the design of future hydrochlorination reactors . Corrosion mechanisms, as a function of temperature (600°C - 700°C) and pressure (1 bar and 30 bar resp.), in chlorinizing and silicizing environment will be explained.

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Letzte Änderung: 07.06.2022