CN101845665B - 初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造装置及其制作方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造工艺方法和所用装置，属于铸造技术领域。结合V法铸造铸型在传统铸造中保温效果最好的特点，该工艺使用V法铸型进行多晶硅的铸造生产。本发明装置分为上铸型1、下铸型2和冷却系统3共三部分。铸型内除有硅液腔6外，还留有一单独的预热金属液腔8。预热金属液腔8纵截面为上大下小的梯形，呈环状围绕于硅液腔6周围偏上部位。本发明的基本思路是在整个铸型下端通冷却水冷却，铸锭四周及上部使用硅液腔保温层7进行保温，并在铸型金属液腔内浇注金属液预热整个铸型，使铸型达到较高的温度，并形成一自上而下的初始温度梯度，利于硅的定向生长。初凝硅锭有较多的厘米级柱状晶，有效排除杂质。

Description

初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造装置及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及一种初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造工艺方法和所用装置，属于铸造技术领域。

背景技术

在新的一轮能源革命中，光伏发电有可能成为先锋，许多国家都把光伏作为高科技角逐的前沿领域之一。太阳能电池所用的光伏硅一直以来采用半导体级硅的副产品，俗称锅底料、边角料、头尾料，其来源几乎没有增长，光伏硅的供需差越来越大，严重阻碍了光伏产业的发展。国外普遍采用的是改良西门子法，即使用氯化提纯工艺生产太阳能级硅。该方法虽然技术成熟，但成本过高、降低潜能不大，同样也制约的太阳能普及的程度。为了满足国际太阳能电池工业发展的需求，要研究和开发生产廉价的太阳能级光伏硅材料新技术。近年来，国内外在研究开发用冶金物理法制备太阳能级光伏硅新工艺研究方面非常活跃，如日本JFE公司、挪威Elkemg公司和国内南阳迅天宇硅品有限公司等。无论是国内、日本或是欧美，绝大多数物理冶金法制备太阳能级光伏硅企业，都是以金属硅为原料展开自己的工艺流程，研究热点集中在造渣、电子束熔炼、等离子束熔炼和太阳能级光伏硅终凝等后续环节，而对初凝多晶硅的研究较少，目前铸造金属硅普遍可接受纯度的仅为1N或2N，南阳讯天宇能将金属硅纯度控制在3N，目前还没有企业能在这个环节做到4N，且铸造多晶硅的质量稳定性差，生产效率底。初凝多晶硅的纯度和生产效率成为物理法生产光伏硅的一个瓶颈，多晶硅初凝环节是关系整个光伏产业链能否良性互动和发展的关键技术。

发明内容

本发明目的在于提出一种初凝多晶硅铸锭的铸造装置及其制作方法，以及应用该铸造装置铸造初凝多晶硅铸锭的工艺。

发明所用铸型为V法铸型，即干砂铸型。其原因是干砂在砂型铸造中是保温效果最好的，V法铸造抽真空条件则进一步加强了干砂的保温效果，而且V法铸造型砂回收率高，投资成本低，很适合用于多晶硅的初凝铸造。

采用的具体技术方案如下：

一种初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造装置，包括上铸型、下铸型和冷却系统，所述上铸型上设有放置硅液浇口和预热金属液浇口的通孔，所述下铸型位于上铸型下部，其包含有硅液腔、硅液腔保温层和预热金属液腔，所述硅液腔位于下铸型中心，所述硅液腔保温层嵌在下铸型中，包围着所述硅液腔，所述预热金属液腔呈环状槽形，围绕于所述硅液腔周围，两者相互独立；所述冷却系统设置在下铸型底部，用于铸锭的冷却。

本发明所述的预热金属液腔用于对铸型进行预热，其纵截面为上宽下窄的梯形，使预热后的铸型能达到一定的初始温度并形成自上而下的温度梯度。

本发明所述的冷却系统包括硅板、石墨导热板、密封板和冷却板，所述硅板位于冷却系统上部，浇注后直接和硅液接触，所述石墨导热板贴合在硅板下，用于导热，所述冷却板紧贴于石墨导热板下，以对该石墨导热板进行冷却。

一种制作上述铸造装置的方法，包括如下步骤：

步骤一、组装冷却系统，即依次组装冷却板、密封板、石墨导热板和硅板，形成冷却系统，其中所述石墨导热板有部分嵌入硅液腔保温层中，和密封板一起保证硅液的底部密封；

步骤二、制作铸型

首先制作下铸型，其过程依次是：(I)将制作下铸型用型板放置在抽气室上并定位；(II)将硅液腔保温层套在型板中形成硅液腔空间的凸起木块上，然后覆薄膜形成下铸型的背膜；(III)将下铸型的砂箱定位于型板上，填砂震实，制作预热金属液腔，覆盖薄膜形成下铸型的面膜，即完成下铸型的制作；

其次是制作上铸型，上铸型在下铸型的基础上制作，过程依次是：(I)在下铸型上放置大小合适的薄膜，安置上砂箱并用螺栓将上下砂箱锁紧，在适合位置放置形成浇口通孔的木块；(II)填砂震实，覆薄膜；(III)取出木块，打通通孔处薄膜，插入两浇口，即完成上铸型的制作；

步骤三、将步骤二做好的上铸型和下铸型装到步骤一做好的冷却系统上，通过销钉定位，并将下铸型和冷却系统锁紧，即完成所述铸造装置的制作。

本发明所述的制作预热金属液腔的过程为：待填砂到一定高度时放入与所述预热金属液腔形状一致的泡沫块，该泡沫块所有面上预涂涂料层，然后继续填砂造型，直至上端与砂箱平齐，所述泡沫块保留在铸型中，浇注金属液时泡沫烧失，泡沫所占空间为金属液所填充；或者用包裹着薄膜、形状与预热金属液腔一致的木块替换上述泡沫块，待上铸型和下铸型填砂完毕后抬开所述上铸型，拨离下铸型位于木块上方的面膜及木块上端面上包裹的薄膜，并将留下的两层薄膜拨开形成的开口相互粘合密封，取出木块，然后再合上铸型。

应用上述铸造装置浇注初凝多晶硅定向生长铸锭的工艺，包括如下步骤：先浇注预热金属液，使金属液快速充满型腔；接着所述冷却系统中通冷却水，冷却水流量足够保证硅液热量不至于使冷却水沸腾；最后浇入硅液，即可形成初凝多晶硅定向生长铸锭。

本发明在浇入硅液时，在硅液浇口处吹氩气保护以减少氧化。

本工艺采用预先加热铸型、四周及顶部保温同时底部传热冷却的方式来创造有利于定向凝固的温度场。

1)铸型预热。工艺采用浇金属液的方法对铸型整体预热，使铸型先达到一较高温度。预热铸型的目的是改善铸型初始条件，预防大吨位铸造时因硅液与周围铸型温差大而使硅液温度较快降低；同时，铸型初始温度高还有利于初凝晶粒的长大。预热金属液腔做成纵截面为上宽下窄的梯形，预热后铸型形成自上而下的温度梯度，利于多晶硅柱状晶方式生长。预热金属液腔最底端高于硅液腔底端，金属液温度有效作用于铸型中部和上部。

2)四周及顶部保温。方案采用耐高温、导热系数小的碳毡作为硅液腔保温层。硅液腔保温层为一整体套住硅液腔，其上端留出硅液浇注入口。硅液腔保温层内壁涂氮化硅涂层。硅液浇注通道与硅液腔保温层使用同种材料。

3)底部冷却。采用既耐高温又有良好导热性能的石墨作为下端的导热板，且石墨导热板底部有冷却板加强底部冷却。在石墨导热板上安置具有一定纯度的硅板(也可是小块硅锭)，避免浇注硅液时高温液体对底部的冲击飞溅。采用冷却水进行底部的热交换，冷却板中的水管使用铸造方法和衬板做成一体，实现无缝连接。冷却板与石墨导热板为嵌入结构，目的是增大换热面积，提高换热效率。石墨导热板、硅板和冷却板安置于底座上组成冷却系统。

本发明用砂型铸造方法(物理法)使初凝多晶硅铸锭量产化，铸锭晶粒为厘米级柱状晶，减少生产流程，降低生产成本，提高了初凝多晶硅质量和生产效率。

附图说明

图1为装置总体结构图；

图2为装置剖切图；

图3为硅液腔保温层图；

图4为冷却系统3结构图；

图5为冷却系统3中的冷却板结构图；

图6为冷却板剖切图；

图7为石墨导热板结构图。

图中标记：上铸型1，下铸型2，冷却系统3，硅液浇口4，预热金属液浇口5，硅液腔6，硅液腔保温层7，预热金属液腔8，硅板9，石墨导热板10，密封板11，冷却板12，水管13，衬板14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明所用装置分为三层，由上至下依次是上铸型1、下铸型2和冷却系统3三部分。上下铸型都属干砂铸型。

上铸型1有放置硅液浇口4和预热金属液浇口5的通孔，浇口插于铸型上的通孔内。通孔直径分别比相应浇口的外径大2～5毫米，以适应制作铸型过程中薄膜厚度。两浇口均采用耐高温、导热系数小的碳毡制成。

下铸型2包含有硅液腔6、硅液腔保温层7和预热金属液腔8，硅液腔6位于下铸型2中心，硅液腔保温层7嵌在下铸型2中，包围着硅液腔6，硅液腔保温层7采用与上铸型中浇口相同的材料。预热金属液腔8呈环状槽形，纵截面为上宽下窄的梯形，围绕于硅液腔6周围，优选位于其偏上部位，使预热后的铸型形成自上而下的温度梯度，以利于多晶硅柱状晶方式生长。该预热金属液腔8与硅液腔6为彼此相互独立的液腔。

冷却系统3包括硅板9、石墨导热板10、密封板11和冷却板12四部分。硅板9在最上部，浇注后直接和硅液接触，硅板9也可用小块硅锭取代。石墨导热板10贴合在硅板9下，用于导热。冷却板12紧贴于石墨导热板10下。冷却板12和石墨导热板10有配合槽，有效增加导热面积，提高导热效率。冷却板12的水管13和衬板14用铸造方法做为一体，为无缝衔接。

本发明的初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造工艺包括如下步骤：

步骤一是冷却系统3的组装。组装顺序依次是冷却系统的基座、冷却板12、密封板11、石墨导热板10和硅板9。石墨导热板10有部分嵌入硅液腔保温层7中，和密封板11一起保证硅液的底部密封。

步骤二是制作铸型，采用V法铸造的造型工艺。

首先制作下铸型2。过程依次是：(1)将制作下铸型2用型板放置在抽气室上并定位；(2)将硅液腔保温层7套在型板形成硅液腔6空间的凸起木块上，然后覆薄膜形成下铸型2的背膜；(3)下铸型2的砂箱定位于型板上，填砂震实，制作预热金属液腔8，覆盖薄膜形成下铸型2的面膜。

其次是制作上铸型1。上铸型1在下铸型2的基础上制作，过程依次是：(1)在下铸型上放置大小合适的薄膜，安置上砂箱并将上下砂箱锁紧，在适合位置放置形成浇口通孔的木块；(2)填砂震实，覆薄膜；(3)取出木块，打通通孔处薄膜，插入两浇口。

下铸型2中预热金属液腔8的造型可用下列方法：

(1)待填砂到一定高度时放入与预热金属液腔8形状一致的泡沫块，如消失模铸造用泡沫，泡沫块所有面上预涂涂料层，然后继续填砂造型，直至上端与砂箱平齐。泡沫块可保留在铸型中，浇注金属液时泡沫烧失，泡沫所占空间为金属液所填充。

(2)用包裹薄膜、形状与预热金属液腔8一致的木块等替换上方法中的泡沫块，待上下铸型2填砂完毕后抬开上铸型1，拨离下铸型2位于木块上方的面膜及木块上端面上包裹的薄膜，并将留下的两层薄膜拨开形成的开口相互粘合密封，取出木块，然后再合上铸型1。

铸型完成后暂不从下铸型2的型板上取走。

步骤三是将步骤二做好的铸型用起吊装置吊装到步骤一做好的冷却系统3上，通过销钉定位，并用将下铸型2和冷却系统3锁紧。

以下应用上述铸造装置进行初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造工艺。

先浇注预热金属液，金属液要求温度高、热容大、液相线和固相线温差大。浇注时使金属液尽量快充满型腔，由于下铸型2上部金属液量大、铸型干砂体积相对较小，造成自上而下的温度梯度。接着冷却系统3通冷却水，冷却水流量足够保障硅液热量不至于使冷却水沸腾。最后是浇入硅液，为减少氧化，可在硅液浇口4处吹氩气保护。

硅液浇注完成后进入凝固生长阶段。铸型用干砂具有非常好的保温效果，能有效保证硅的凝固生长时间；若干砂内填入耐火棉絮，则可进一步增强保温作用。在浇注硅液前进行了铸型的预热，使铸型形成了自上而下的温度梯度，同时底部进行水冷却，从而使凝固过程中硅能有效地自下而上生长。

Claims (7)

1.一种初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造装置，包括上铸型(1)、下铸型(2)和冷却系统(3)，所述上铸型(1)上设有放置硅液浇口(4)和预热金属液浇口(5)的通孔，所述下铸型(2)位于上铸型(1)下部，其包含有硅液腔(6)、硅液腔保温层(7)和预热金属液腔(8)，所述硅液腔(6)位于下铸型(2)中心，所述硅液腔保温层(7)嵌在下铸型(2)中，包围着所述硅液腔(6)，所述预热金属液腔(8)呈环状槽形，围绕于所述硅液腔(6)周围，该预热金属液腔(8)与硅液腔(6)为彼此相互独立的液腔；所述冷却系统(3)设置在下铸型(2)底部，用于铸锭的冷却。

2.根据权利要求1所述的一种初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造装置，其特征在于，所述预热金属液腔(8)用于对铸型进行预热，其纵截面为上宽下窄的梯形，使预热后的铸型形成自上而下的温度梯度。

3.根据权利要求1或2所述的一种初凝多晶硅定向生长铸锭的铸造装置，其特征在于，所述的冷却系统(3)包括硅板(9)、石墨导热板(10)、密封板(11)和冷却板(12)，所述硅板(9)位于冷却系统(3)上部，浇注后直接和硅液接触，所述石墨导热板(10)贴合在硅板(9)下，用于导热，所述冷却板(12)紧贴于石墨导热板(10)下，以对该石墨导热板(10)进行冷却。

4.一种制作权利要求1-3之一所述的铸造装置的方法，包括如下步骤：

步骤一、组装冷却系统(3)，即依次组装冷却板(12)、密封板(11)、石墨导热板(10)和硅板(9)，形成冷却系统(3)，其中所述石墨导热板(10)有部分嵌入硅液腔保温层(7)中，和密封板(11)一起保证硅液的底部密封；

步骤二、制作铸型

首先制作下铸型(2)，其过程依次是：(I)将制作下铸型(2)用型板放置在抽气室上并定位；(II)将硅液腔保温层(7)套在型板中形成硅液腔(6)空间的凸起木块上，然后覆薄膜形成下铸型(2)的背膜；(III)将下铸型(2)的砂箱定位于型板上，填砂震实，制作预热金属液腔(8)，覆盖薄膜形成下铸型(2)的面膜，即完成下铸型(2)的制作；

其次是制作上铸型(1)，其在下铸型(2)的基础上制作，过程依次是：(I)在下铸型(2)上放置大小合适的薄膜，安置上砂箱并用螺栓将上下砂箱锁紧，在适合位置放置形成浇口通孔的木块；(II)填砂震实，覆薄膜；(III)取出木块，打通通孔处薄膜，插入两浇口，即完成上铸型(1)的制作；

步骤三、将步骤二做好的上铸型(1)和下铸型(2)装到步骤一做好的冷却系统(3)上，通过销钉定位，并将下铸型(2)和冷却系统(3)锁紧，即完成所述铸造装置的制作。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述制作预热金属液腔(8)的过程为：待填砂到一定高度时放入与所述预热金属液腔(8)形状一致的泡沫块，该泡沫块所有面上预涂涂料层，然后继续填砂造型，直至上端与砂箱平齐，所述泡沫块保留在铸型中，浇注金属液时泡沫烧失，泡沫所占空间为金属液所填充；

或者用包裹着薄膜、形状与预热金属液腔(8)一致的木块替换上述泡沫块，待上铸型(1)和下铸型(2)填砂完毕后抬开所述上铸型(1)，拨离下铸型(2)位于木块上方的面膜及木块上端面上包裹的薄膜，并将留下的两层薄膜拨开形成的开口相互粘合密封，取出木块，然后再合上铸型(1)。

6.应用上述权利要求1-3之一所述的铸造装置浇注初凝多晶硅定向生长铸锭的工艺，包括如下步骤：先浇注预热金属液，使金属液快速充满型腔；接着所述冷却系统(3)中通冷却水，冷却水流量足够保证硅液热量不至于使冷却水沸腾；最后浇入硅液，即可形成初凝多晶硅定向生长铸锭。

7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，在浇入硅液时，在硅液浇口(4)处吹氩气保护以减少氧化。

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