[发明专利]一种用于工业硅浇注式定向凝固装置与方法

说明书

一种用于工业硅浇注式定向凝固装置与方法，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、鼓风机构成，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。保温上盖由钢制壳体、多层陶瓷纤维板构成。陶瓷纤维板置于钢制壳体内，用紧固螺栓穿过陶瓷纤维板与壳体固定连接。保温上盖中心预留一孔洞，用于石墨漏斗或保温塞安放。保温上盖顶板加强筋上对称安装4个吊环，用于与炉体开合。本发明充分考虑工业硅矿热炉炉前场地条件，多台循环使用，非真空生产，生产能耗低、操作简单、安全无环保问题，装置整体造价低、维修量小、辅材易损消耗低，适用于规模化生产。

技术领域

本发明属于工业硅提纯技术领域，尤其是涉及一种用于工业硅出炉硅液浇注式定向凝固去除金属杂质的节能装置与方法。

背景技术

工业硅作为基础材料已广泛应用于化工、冶金、电子信息、机械制造、航空航天、能源开发等各工业领域，成为名副其实的“工业味精”，在全球经济社会发展中具有特殊的地位。但工业硅在矿热炉碳热还原反应冶炼制备过程中，原料硅石和碳质还原剂中的杂质会部分进入硅液并影响工业硅的产品品质，一直是制约工业硅向高品质发展的弊端。随着科学技术的发展，工业硅的应用领域不断扩大，后续硅的衍生产品（有机硅、硅基合金、多晶硅等）经济价值的提高对其原料工业硅品质的要求也越来越高，发展短流程、低成本的工业硅提纯技术已变得越加迫切。

为了进一步提高工业硅的品质，国内外各企业也采取各不相同的技术措施，例如：择优硅石原料、碳质还原剂改性、炉外吹氧精炼、定向凝固、湿法冶金等等，在去除各种杂质方面取得了良好的效果。其中定向凝固是非常重要的一种技术工艺，它是通过控制温度热场使得硅锭进行单向生长，利用杂质偏析效应将分凝系数小的金属元素 Fe、Al、Ca、Cr、Ni、Cu、Zn（硅中大部分金属杂质的分凝系数小于10^-3）等富集到最后凝固层中，达到去除金属杂质的目的。

定向凝固技术按照其工艺原理设计的装置及方法也很多，例如布里曼法、热交换法、电磁连铸法、铸锭浇注法等。但这些方法均源于多晶硅铸锭得到太阳能多晶硅电池切片硅锭的装置及方法，装置设备包括坩埚、保温隔热热场、加热系统、升降机构、真空系统、测温系统、计算机电控系统等。装置整体相对复杂，运行过程中不可移动，无法直接用于工业硅出炉硅液定向凝固去除金属杂质的装置和方法。查阅文献，浇注法定向凝固技术（即熔融硅液倒入设定容器内，保温或加热保温进行单一方向结晶生长）较少，市场无定型产品设备，各生产企业正在积极探索试验中。中国实用新型专利CN200720006080.7《金属硅定向凝固简易装置》，其耐火内胆顶部盖及四周保温加热层采用数根硅碳棒发热管持续加热，存在能耗浪费大、生产能耗高的问题；中国发明专利CN201610426307.7《一种工业硅电炉定向凝固反应器及浇注方法》，装置虽对模具容器上部及四周作了良好保温措施，但装置无预热功能，未考虑到装置本身初始常温热容量对浇注熔融硅液快速凝固的影响，无法形成定向凝固的单一方向晶体生长条件，固液界面无法保持水平向上，提纯效果与提纯成品率会大大受到影响；中国发明专利CN201110152836.X 《一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置》，装置使用前虽对其进行预热，但使用的是一套单独的电阻加热器，预热完成后需要在热态情况下将加热器提升出装置，不利于热能的高效利用，同时也易造成加热器烧损老化，并且装置在浇注过程中采用敞开上盖方式，也不利于热能的高效利用。

基于此，目前已知浇注法定向凝固提纯工业硅技术与装置在能耗成本、提纯效率方面难以兼顾，制约着其在实际生产领域大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有工业硅浇注法定向凝固技术存在的不足，提供一种用于工业硅出炉硅液浇注式定向凝固去除金属杂质的节能装置与方法，该装置具有单炉产能大、工艺简单易行、除杂效果好、运行能耗低、辅材消耗少等特点，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为：