[发明专利]一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置

说明书

技术领域

本发明属于冶金法提纯多晶硅技术领域，尤其是涉及一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置。

背景技术

为了进一步提高冶金硅的质量，国内外各企业均采取各种不同的办法措施，例如：择优原料、炉外吹氯、吹氧精炼、添加溶剂、定向凝固等，在去除各种杂质方面取得了良好的效果。其中定向凝固工艺是冶金法制备太阳能级多晶硅的一个重要环节，它是通过控制温度场变化使得硅锭单向生长，利用分凝效应将分凝系数小的主要金属杂质元素Fe、Al、Ca、Ti、Cu、Zn、Mn等聚集到硅锭凝固末端，通过截取末端杂质多的部分，得到经过提纯的硅。

目前，多晶硅铸锭炉是硅材料定向凝固性能比较完善的设备，该设备由抽真空系统、加热系统、测温系统、保温层升降系统、压力控制系统及熔化结晶自动判断系统、故障诊断报警系统、强大的计算机控制系统等组成，多用于太阳能多晶硅电池切片硅锭铸锭，也有用于品质较高多晶硅料再次提纯使用。发明专利CN85100519《一种定向凝固生长太阳能电池用的电池用的多晶硅锭工艺》，CN101323972《一种多晶硅定向凝固设备》，CN101898763《一种定向凝固多晶硅的制备方法》，CN85100529《一种定向凝固生长太阳能电池用的多晶硅锭工艺》等，这些已经公开的专利申请也都是类似多晶硅铸锭炉的针对太阳能电池多晶硅铸锭工艺与设备的发明，由于此类设备都需要真空系统、加热系统、测温系统等，需要将硅材料在设备内重熔，故其设备具有造价较高，生产周期长，单体凝固耗能大等缺点。冶金硅(2N级)的品质较多晶硅(5～6N)低3～4个数量级，杂质含量多，如直接使用多晶硅铸锭炉定向凝固，会引起铸锭炉石墨件的快速老化、石英陶瓷坩埚的严重析晶造成漏硅事故等，多晶硅铸锭炉的高成本不适合冶金硅定向凝固要求。

发明内容

本发明的目的在于针对目前现有的冶金硅定向凝固中所存在的技术难点问题，提供一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，该装置单炉产能大、工艺简单易行、生产运行成本低、提纯效果好，适合于规模化生产。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

冶金硅定向凝固除杂的节能装置，采用浇铸法和热交换法(HME)相结合的定向凝固原理，装置为矩形体，该装置包括上保温盖、中保温套、下底板轨道车架构成，复合模具、导热板和水冷铜盘，水冷铜盘设于下底板轨道车架的中间，导热板设于水冷铜盘的上部，复合模具设置于导热板的上部，复合模具的四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，上保温盖和中保温套之间有密封圈。上保温盖包括吊环、钢质炉罩、多晶陶瓷纤维层、六钛酸钾晶须层、刚玉顶板，最外层为钢质炉罩，最内层安装有刚玉顶板，中间安置多晶陶瓷纤维层和六钛酸钾晶须层，钢质炉罩的顶板上安装有吊环。

中保温套包括钢质炉套、多晶陶瓷纤维层、六钛酸钾晶须层、刚玉侧板，最外层为钢质炉套，最内层安装有刚玉侧板，中间安置多晶陶瓷纤维层和六钛酸钾晶须层。

下底板轨道车架设置有4个轨道车轮，轨道车轮安装在钢质底板上，水冷铜盘安置在下底板轨道车架的中间。

复合模具包括石墨底板和刚玉立板，并置于导热板的上部，四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，该颗粒近似圆形，颗粒度为4-8毫米。导热板和水冷铜盘的中部安装有热电偶。复合模具的表面涂覆一层氮化硅脱模剂。

本发明具有以下优点：

1、采用上述技术方案后，本发明因顶部与四周侧面均采用六钛酸钾晶须和刚玉板作隔热材料，使装置内热损失少、蓄热能力强，比现在铸锭炉的硬质碳纤维毡更具有保温优势，无需再进行辅助加热以维持硅锭上部温度，只需硅液倒入时的温度大于1600℃即可，在合理利用热能方面优势显著；同时，也满足了在大气环境中使用的工艺要求，摆脱定向凝固在真空和惰性气体保护环境中的束缚。

2、本发明的复合模具采用组合模式，内表面涂覆一层氮化硅脱模剂，即便于硅锭脱模，又保护了模具，此外模具四周侧部填充碳化硅颗粒使模具结合牢固、紧密，硅液不会渗漏，有效地提高模具的重复使用次数、降低辅助材料用量，有明显的经济效益。

3、本发明每炉可对多达1000Kg的冶金硅进行定向凝固提纯，每炉处理时间为48～72小时，定向凝固后的硅锭无气孔、无裂纹。