[发明专利]冶金硅的定向凝固提纯装置与提纯方法

说明书

本发明涉及一种冶金硅的定向凝固提纯装置，包括陶瓷坩埚、水冷铜坩埚、石墨底托、感应线圈和升降系统；陶瓷坩埚和水冷铜坩埚为无底式坩埚，陶瓷坩埚同轴安装于水冷铜坩埚上以形成熔铸分离组合式坩埚；石墨底托活动安装于水冷铜坩埚内，用于对冶金硅进行预热并托住冶金硅熔体；感应线圈套装于熔铸分离组合式坩埚外壁，用于给石墨底托及冶金硅熔体加热；升降系统用于驱动石墨底托做升降运动。本发明在无底式陶瓷坩埚下部安装无底开缝式水冷铜坩埚，以对陶瓷坩埚中熔炼的冶金硅熔体进行连续定向凝固，相比于传统有底式陶瓷坩埚中的定向凝固，可避免凝固过程中坩埚对熔体的污染，且冷坩埚可重复使用，有利于降低坩埚损耗，减少提纯成本。

技术领域

本发明涉及物理冶金法提纯技术领域，具体涉及一种低能耗、高效率的冶金硅的定向凝固提纯装置与提纯方法。

背景技术

由于社会发展能源消耗的加大及人们环保意识的增强，清洁可再生能源的开发与利用成为了热点。太阳能具备分布广、储量大且清洁无污染的优点，受到了广泛关注。光伏发电作为太阳能利用方式中的一种，近年来发展迅速。太阳能级硅(纯度≥99.9999％)是目前太阳能电池生产的主要基材，目前其主要通过改良西门子法提纯冶金硅(2N)所得。由该技术提纯制备太阳能级硅纯度高、质量稳定，但其投资大、工艺复杂、能耗大、成本高，且由于复杂的化学反应，过程中副产品对环境有污染。因此，为充分发挥光伏发电的潜力，并大规模推广应用，开发投资小、工艺简单、能耗小、成本低及对环境友好的冶金法提纯工艺成为了目前光伏行业研究的一个热点与难点。

作为冶金法提纯中重要的一环，定向凝固可有效去除硅中的金属杂质，如Al、Fe、Ca等。目前开发的定向凝固装置与方法很多，但大多都是采用批量加料的方式，即整批料放入炉中，一起加热熔化，而后再通过控制散热实现定向凝固。采用这种方式首先存在提纯生产效率低的问题；其次，由于是整批料加热熔化形成熔池后再凝固，则定向凝固提纯过程中固液界面面积S与熔池体积V之比(S/V)较小，这显然不利于除杂率的进一步提高；再者，一般均采用陶瓷坩埚进行熔炼，其不可避免存在一定的污染，且坩埚不能重复使用，不利于提纯成本的进一步降低。而采用电磁连铸的方式虽可有效提高提纯效率，但开缝式冷坩埚的采用必将消耗大量感应热，不利于提纯能耗的降低。基于此，目前定向凝固法提纯冶金硅在能耗(成本)与提纯效率方面善难以兼顾，制约着其大规模生产应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种冶金硅的定向凝固提纯装置与提纯方法，它能够兼顾低能耗与高效率的要求，有利于大规模生产。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种冶金硅的定向凝固提纯装置，包括陶瓷坩埚、水冷铜坩埚、石墨底托、感应线圈和升降系统；所述陶瓷坩埚和水冷铜坩埚均为无底式坩埚，所述陶瓷坩埚同轴安装于所述水冷铜坩埚上以形成熔铸分离组合式坩埚；所述石墨底托活动安装于所述水冷铜坩埚内，用于对冶金硅进行预热并托住冶金硅熔体；所述感应线圈套装于所述熔铸分离组合式坩埚外壁，用于给所述石墨底托及冶金硅熔体加热；所述升降系统用于驱动所述石墨底托做升降运动。

上述方案中，所述陶瓷坩埚为无底式刚玉坩埚，陶瓷坩埚内径为200～300mm，壁厚15～20mm，高300～400mm。

上述方案中，所述水冷铜坩埚的内径与外径分别与所述陶瓷坩埚相同，高60～80mm；所述水冷铜坩埚的顶部向下设有开缝，下部不开缝区域高15～20mm，所述开缝的横截面为类三角形，水冷铜坩埚内壁缝宽0.5～1mm，外壁缝宽10～15mm，开缝沿水冷铜坩埚的周向均匀布置，数量为8～12个。

上述方案中，所述水冷铜坩埚外依次设有总回路进水管和总回路出水管；相邻两个开缝之间形成一个水冷铜坩埚分瓣，每个分瓣内开有两个水道，两个水道通过分瓣顶部通水槽相通，两个水道分别在距水冷铜坩埚底部6～10mm处沿径向向外设置水孔，其中一个为进水孔，通过进水支路细管与总回路进水管连通，另一个为出水孔，通过出水支路细管与总回路出水管连通。