[发明专利]一种用于工业硅浇注式定向凝固装置与方法

权利要求书

1.一种用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于：装置整体为矩形体，包括保温上盖、保温塞、炉体、热电偶测温点、鼓风机，配合使用的有石墨漏斗、石墨垫板、盖体器具、漏斗移动夹具、硅锭出炉专用夹具及真空颗粒吸料机；

所述保温上盖主要由钢制壳体、多层陶瓷纤维板构成，陶瓷纤维板置于钢制壳体内，用紧固螺栓间隔穿过陶瓷纤维板与钢制壳体固定连接，保温上盖中心预留一孔洞，用于石墨漏斗或保温塞安放，保温上盖钢制壳体顶板加强筋上对称安装4个吊环，用于与炉体开合；

所述保温塞与保温上盖结构类似，由钢制塞体、多层陶瓷纤维板构成；

所述炉体横向从内向外由拼装石墨容器、氧化铝陶瓷空心球、2层标准T3高铝耐火砖（内层耐火砖内镶嵌电源辅助预热电阻丝）、单层50mm厚陶瓷纤维板、炉体钢制壳体侧立板构成；镶嵌于耐火砖内的电源辅助预热电阻丝起到装置在浇注硅液前的升温预热作用，连接电源接口采用工业快插接头；

所述热电偶测温点有两处，分别设置于炉体侧立面电源辅助预热电阻丝附近耐火砖内①和拼装石墨容器底板下部中心②，用于测量炉体内温度，以便信息反馈硅液在拼装石墨容器内的结晶定向凝固生长状态。

2.如权利要求1所述的用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，所述多层陶瓷纤维板单层厚度50mm，层数≥ 5层。

3.如权利要求1所述的用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，所述拼装石墨容器容积应满足，大于等于2000Kg工业硅熔融体积+凝固后约增大10%的体积需要，拼装石墨容器容积内径高度约为600～700mm之间。

4.如权利要求1和3所述的用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，所述拼装石墨容器在硅液浇注前，预先将内表面涂覆一层水基氮化硅或二氧化硅脱模剂。

5.如权利要求1所述的用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，所述氧化铝陶瓷空心球的直径为5～8mm，保温填充隔热层厚度大于200mm。

6.如权利要求1所述的用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，所述电源辅助预热电阻丝采用耐高温耐氧化的铁铬铝合金材质，分上下3～4道均匀布置于拼装石墨容器四周，升温最高温度可达到1200℃。

7.如权利要求1所述的用于工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，所述炉体竖向从上至下由一层氧化铝陶瓷空心球、石墨挡环、拼装石墨容器、石墨粉粘合层、风冷散热管道、1层标准T3高铝耐火砖、炉体钢制壳体底板、4个轨道轮构成。风冷散热管道水平预埋于石墨粉粘合层内，其进风口与鼓风机相连接，用于拼装石墨容器底部的均匀散热。

8.如权利要求7所述的工业硅浇注式定向凝固装置，其特征在于，石墨粉粘合层为石墨粉体与淀粉、糊精等有机粘合剂混合搅拌成泥状，在预埋风冷散热管道后找平，并晾干或烘干，形成良好的传热衬里层。

9.一种用于工业硅浇注式定向凝固装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，拼装：首先将拼装石墨容器拼装成无顶盒状，借助盖体器具在石墨容器四周填充好氧化铝陶瓷空心球，支撑稳固后，使用真空颗粒吸料机清理拼装石墨容器内部干净，喷涂或刷涂一层水基氮化硅或二氧化硅脱模剂；再将拼装石墨容器顶板、石墨挡环组装好，填充石墨挡环外侧一层氧化铝陶瓷空心球隔热层，盖好装置保温上盖，放置好中间保温塞，推移至预热工位；

步骤2，预热：快插工业接头连接好电源线，打开电源开关，进行装置整体电加热预热，预热温度控制在1100～1200℃范围内，通过热电偶测温点①调控。预热完成后，切断电源，推移至浇注工位；

步骤3，浇注：打开提移保温塞，放置石墨漏斗，将熔融工业硅液通过石墨漏斗定量倒入装置拼装石墨容器内，熔融工业硅液温度需大于1600℃；硅液倒入完毕后，迅速夹持移开石墨漏斗，并将石墨垫板封堵拼装石墨容器顶板中心孔，倒入适量氧化铝陶瓷空心球与石墨挡环上沿平齐，盖回盖好保温塞，装置推移至定向凝固工位；

步骤4，定向凝固：连接鼓风机、热电偶测温点电源插头，打开鼓风机开关，确保进出气管路畅通，拼装石墨容器底部均匀散热，硅液进行定向凝固结晶生长，凝固总时间控制在60～72小时，凝固冷却结束后，装置推移至出炉工位；

步骤5，出炉：当热电偶测温点①、②均低于300℃以下方可打开保温上盖，加速装置降温至室温，通过真空颗粒吸料机吸取、收集氧化铝陶瓷空心球至固定容器，移除石墨挡环、石墨垫板，吊离拼装石墨容器顶板，撬动拼装石墨容器侧立板与硅锭分离，用硅锭专用夹具吊取硅锭出炉；

装置按步骤1重新拼装，循环使用，出炉硅锭经过四周及底面打磨清理，金刚石带锯或线锯切除上部最后凝固杂质富集层，切除量为硅锭总高的10～15%，并切除10mm厚度侧面及底面，即得到高品质4N 级工业硅。