[发明专利]一种工业硅的冶炼方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业硅的冶炼方法，尤其是一种太阳能电池用高纯硅的冶炼方法。

背景技术

工业硅是信息、新能源、新材料产业最基础的功能性材料。以其为基础衍生的工业产品，品种繁多，涉及的领域广泛，被誉为“魔术金属”、“工业味精”。其主要应用领域有四方面：一是用作冶炼铝材和钢材的添加剂，二是用于合成各种有机硅材料，三是经提纯后生成电子级高纯工业硅和太阳能级高纯工业硅，四是用于制造半导体硅、硅陶瓷、碳化硅、氮化硅等新材料。而且，随着科学技术的发展，工业硅的应用领域还将进一步扩大。

一直以来，工业硅是以碳热还原法制备而得，即将硅石和炭还原剂破碎至合适的粒度，按一定的比例混合后投入矿热炉中冶炼得到工业硅。还原剂早期是以木炭为主，添加少量的石油焦，生产一吨工业硅消耗的木炭可高达1.5吨甚至更高，消耗了大量的森林资源、造成了生态环境的破坏。随着木炭资源的日益枯竭，以及国家保护森林资源的相关政策和措施的实施，限制了工业硅生产企业大量使用木炭。上世纪60年代中期以后，开始使用木炭、石油焦和烟煤混合作为还原剂。70年代以后，采用木块取代部分木炭作为还原剂以扩大石油焦和烟煤的配比，同时木块也作为疏松剂以解决石油焦带来的透气性不好的问题。中国专利申请CN1876567公开了一种以石油焦和烟煤为还原剂、以木块为疏松剂冶炼工业硅的方法，该方法或多或少加入了木块，消耗了木材，对生态环境造成破坏。另一方面由于植物自身生长特性，木材含有大量的氮、磷、钾、硼、铁等元素，在制备木炭过程中无法完全去除，从而大量进入木炭之中，石油焦也有着类似的问题。杂质随着木炭、石油焦、木块等进入产物硅中，造成硅中杂质含量高，品位低。其中的B、P等非金属杂质难以去除，须经过复杂的提纯过程才能去除，导致以该冶金级硅为原料生产太阳能级硅的工艺冗长而复杂，并且物耗能耗巨大，成本高昂，极大地影响了产品硅的纯度。

发明内容

为了克服现有技术中产品硅的纯度低、能耗高的问题，本发明公开了一种工业硅的冶炼方法。通过该方法冶炼硅可大大提高产品硅的纯度，降低其中杂质的含量，并且产率高。

本发明公开的工业硅的冶炼方法包括将含有石英砂、碳化硅和萤石的原料混合物加热并在1500-2300℃下进行热处理，然后将产生的硅液导出，冷却；所述原料混合物中，石英砂和碳化硅的质量比为3-9：4。

本发明所提供的工业硅的冶炼方法以碳化硅代替木炭作为还原剂，不会消耗森林资源。其制出的硅纯度高，产率高，其中杂质如B、P、Fe含量较低，因此制备出的硅仅需经过简短的后续加工工艺即可达到太阳能级硅的要求，适合制作低成本的太阳能电池。与传统的碳热还原法相比，本发明还具有炉渣少的优点。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的工业硅的冶炼方法，包括将含有石英砂、碳化硅和萤石的原料混合物加热并在1500-2300℃下进行热处理，然后将产生的硅液导出，冷却；所述原料混合物中，石英砂和碳化硅的质量比为3-9：4。

上述原料混合物中，石英砂为现有技术中公知的石英砂，其主要成分为二氧化硅。本发明采用石英砂作为硅源。优选情况下，所述石英砂的纯度不小于99%。上述石英砂的纯度是指石英砂中二氧化硅的含量。上述石英砂可通过商购得到。

根据本发明，上述原料混合物中的碳化硅为本领域技术人员所公知的物质，其可用作反应的还原剂，同时也可作为硅源。本发明优选由天然气化工厂生产的炭黑与高纯石英砂所生产的纯化碳化硅。

发明人发现，先通过加热升温，然后在1500-2300℃的高温下进行热处理，上述原料混合物中的石英砂和碳化硅在高温下发生如下反应：

    SiO₂+2SiC=3Si+2CO

    3SiO₂+2SiC=Si+4SiO+2CO 。

本发明石英砂与碳化硅发生液-固反应，生成液态硅和气态的SiO和CO。通过上述方法即可制备得到硅。为了保证反应的顺利进行，提高硅的产率，上述原料混合物中，石英砂和碳化硅的质量比为3-9：4，优选为3-6：4。当石英砂和碳化硅的质量比在上述范围之外时，无法保证冶炼过程的顺利进行，导致产品硅的纯度大大降低。