CN101948112A

CN101948112A - 一种分离硅和剩渣的方法

Info

Publication number: CN101948112A
Application number: CN2010102828390A
Authority: CN
Inventors: 陈应天; 林晨星
Original assignee: 陈应天
Current assignee: Beijing Yingtian Yangguang Solar Energy Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN101948112B

Abstract

一种在使用造渣法提纯硅材料的过程中，提纯反应完成后，将已经提纯的硅和剩渣方便而有效分离的方法。根据此方法，在硅和渣剂之间的反应完成后，硅和剩渣仍处于液态时，将硅和剩渣的混合液体缓慢地倒入液体中，这种液体可以是水，或酸溶液，或碱溶液，或水基冷却液，或油基冷却液，让硅和剩渣发生骤冷，迅速将热量交换到冷却液的同时，硅和剩渣由于物理性能的不同而有效分离。当硅和剩渣骤冷，冷却凝固后，硅形成有一定大小的，譬如直径为3～10毫米的球状体或葡萄状体，剩渣形成泡沫和酥脆的细粒固体，剩渣的细粒固体不同硅球粘接，可以用简易的物理处理方法将硅取出。比如方法之一是通过轻柔的方法把剩渣揉成更细的小粒固体，同时使硅球保持原状，然后用湿法筛分，即可将硅球取出。

Description

一种分离硅和剩渣的方法

技术领域

本发明涉及一种硅材料提纯的方法，主要是一种分离硅和剩渣的方法, 特别是一种在使用造渣法提纯硅材料的熔炼过程中方便而有效地分离硅和剩渣的方法。

背景技术

用造渣法提纯硅材料是物理法提纯硅材料的多种方法中，最简单易行的方法之一。从原理上来说造渣法的性价比是最高的。因为根据此方法，只需把适当的渣剂和硅材料混合在一块，加热、熔化，保持一段时间然后将硅取出；或者先把硅材料和渣剂分别加热、熔化，再将两种液体混合、搅拌，保持一段时间后将硅取出就可以了。不像其他的物理法提纯需要更复杂的工艺，比如用注入水蒸汽的等离子火焰处理硅液，同时还需用中频感应炉搅拌硅液；另外一个方法是用高温炉把硅熔化，然后往硅液里注入氢气、二氧化碳、水蒸汽、二氧化硅粉末等，同时不停的搅拌，并保持几个小时。这些方法比起造渣法都是更加复杂的。

然而造渣法有一个严重的问题，即如何把反应完的硅和剩渣分离开来。硅和剩渣的有效的、经济的分离方法将确保造渣法可以用于大批量工业化生产并提高此提纯工艺的性价比。

现有技术的分离硅和剩渣的方法有几种：

（1）设计渣的密度，使熔化反应后的液体渣和液体硅分层，然后把硅液通过开通容器中置于一定高度的排液口排出【 PCT WO 03/031332 A1】。此方法的缺点是需要设计很复杂的高纯石墨容器，成本高且容器易损耗，至今并未投入工业化生产。

（2）在硅和渣都处于液态时，把硅液舀出【US 6861040 B1】。此方法的缺点是，部分渣液会随硅被取出。即使是很少的剩渣，留在硅料中，由于粘接得很结实，后清洗硅的工艺会十分复杂。同时一部分硅会留在渣液里，降低硅的生产效率。此方法虽已经在工业中大量使用，然而其有效性和经济性都不理想。

本发明提出一种全新的方法，提出利用硅和剩渣的膨胀系数和导热系数的不同，通过液淬的方式来分离硅和剩渣。液粹是指将高温液体的物质快速倾倒在一种温度远低于这种高温液体的另一种液体中以快速交换热量，并将高温液体的物质凝固。这种低温液体可以是水，也可以是酸溶液，或碱溶液，或水基冷却液，或油基冷却液；水淬是液淬的一种。采用的冷却液必须不含超过允许范围的可溶入硅料中的各项杂质，特别是冷却液中的硼含量不超过50ppb，磷含量不超过50ppb,其他金属总含量不超过10ppm。当液体的硅和剩渣混合熔体缓缓地以细流方式倒入冷却液里时，由于硅的导热性良好，硅的表层马上凝固成球壳状，形成球状体，硅的内部较慢凝固；同时由于液体硅的密度较固体硅大，因此当硅球从外部往内部凝固时，有时内部的液体会被挤出来，形成葡萄串的形状，然而良好的导热性会保证经过快速冷却后的硅不碎裂。当渣液被倒入冷却液里快速冷却时，剩渣的表面开始凝固，但由于剩渣的导热性差，加上液体渣的密度较固体渣小，急速骤冷使剩渣因导热性差和热胀冷缩而碎裂形成细粒的固体，而这些固体的膨胀系数不同于硅的膨胀系数，所以凝固后的剩渣同凝固后的硅不能亲和，剩渣会自然地从同硅的接触部位剥落开来。另一方面，渣液里面含有低沸点的物质，包括气体，比如CO2、水蒸汽或SiO等。在液态剩渣骤然凝固的时刻处于气体形态的这些物质或气体会被束缚在凝固后的剩渣中，形成了凝固后的剩渣的疏松结构。正因为以上的机理，本发明可以很巧妙地使硅液和剩渣液在骤然冷却凝固后自然分离。为了便于把硅取出，可以设计骤冷工艺，将硅和渣液缓慢倒入冷却液，使硅凝固成3～10毫米大小的颗粒的球状体，剩渣凝固成结构疏松的细颗粒。凝固后的硅、渣混合物是很容易分开的。由于剩渣的细颗粒是疏松的，可以利用比较轻柔的机械的方式，比如物料自相搓动，或者相互揉动使渣破碎成更小的细粒，比硅颗粒小得多的细粒，然后通过筛分把硅球取出。此方案简单经济，适合大规模生产。

发明内容

本发明公开一种分离硅和剩渣的方法，其中包括用太阳炉，新型太阳炉，激光，聚光LED，中频炉，高频炉或者等离子体火焰炉或者其他高温熔炼炉将硅和渣熔化，对存在于硅中的杂质进行萃取提纯；其特征是，在液态的情况下，将所述的硅和渣熔体倒入冷却液里，进行液淬，使所述的熔体骤然冷却和凝固，利用硅和渣的膨胀系数和导热系数的不同，使硅凝固成尺寸为几毫米的球状体或者葡萄形状的硅球，剩渣碎裂成比硅球小得多的细粒并同硅分离。所述的球状体或者葡萄形状的硅料同剩渣的混合体可以用筛分方法相互分开。根据所述的对硅和渣熔体进行液淬，其特征是，将硅和剩渣熔体，缓慢地以单股细流或多股细流的方式倾倒入冷却液里；所述的冷却液包括水，酸，硅油，水基冷却液或者油基冷却液。为了使倒入液体中的硅和剩渣加速冷却，不聚成团，以及在冷却液底部均匀分布，所述的冷却液还有一特征即冷却液内是可以通气体的；所述的气体包括氩气，氮气，氦气或者空气。气体的出气口处于适当的位置上，可以方便地将倒入冷却液中的硅与渣吹开，吹散。冷却液的另一特征是其温度是在1~70°C的范围内，特别是在10~50°C的范围内。冷却液还有一个特征，即冷却液的密度小于2.329g/cm³。

具体实施方案1

为了更具体的描述本方法，以下给出一个具体实施方案。图1中的石墨坩埚1，其内径为200mm，壁厚20mm,口埚深360mm，装入4kg工业硅，2kg SiO2和2kg CaO的混合粉体。用具有紧密隔热层2、有电动倾倒装置3的中频炉4加热直到硅和渣彻底熔化，保持20分钟。SiO2和CaO是渣剂的一种，其使用量，成分和比例，可以按使用者的需求而改变，只要硅和渣能彻底熔化，不会影响本发明的使用，不同本发明的使用范围有关。

硅渣熔化后，缓慢地把石墨坩埚内的液态硅和渣5倒出，流入冷却水槽6内的冷却水7里。所用的冷却水是纯水，水的起始温度为20C。冷却水槽6的尺寸为：长0.8m，宽0.8m，高1.0m；水深为0.9m。在坩埚倾倒的同时，用纯氩气8通过气管9注入冷却水7里，以形成许多气泡10，用于将流入冷却水的硅和渣加速冷却，避免聚成团并均匀的散开在冷却水槽6的底部。把石墨坩埚内的全部液体倒进冷却水里后，把水里的已凝固降温的硅和渣混合物取出，不必烘干，倒在5目的筛子上，用尼龙方块搓动筛网上的硅和渣，直到渣碎裂成更小的颗粒，用筛子筛掉，为了不产生任何飞尘，过筛的过程可以加入水洗，最后筛网上只剩下硅颗粒，硅和渣彻底的分开了。

具体实施方案2

具体实施方案2的示意图如图2所示。将500g工业硅粉，250g SiO₂粉和250g CaO粉的混合粉体用200T高压油压机和模具压制成圆柱体的硅棒11，用进料器12悬挂，将硅棒11的一端放置于太阳炉13的高温区。SiO2和CaO是渣剂的一种，其使用量，成分和比例，可以按使用者的需求而改变，只要硅和渣能彻底熔化，不会影响本发明的使用，不同本发明的使用范围有关。太阳炉13的二次聚光镜14把太阳光15集聚10000倍，照射在硅棒11上，硅棒11迅速熔化，硅和渣的熔体因重力自由落体往下滴，液滴状的硅和渣液16落入冷却液17里。所用的冷却液是5%的盐酸溶液，酸液的起始温度为20°C，酸液盛于塑料水槽18内。塑料水槽18的尺寸为：直径0.6m，高0.8m；水深为0.7m。太阳炉熔炼完后，把水里的硅和渣取出，不必烘干，倒在5目的筛子上，用尼龙方块搓动筛网上的硅和渣，直到渣碎裂成更小的颗粒，用筛子筛掉，为了不产生任何飞尘，过筛的过程可以加入水洗，最后筛网上只剩下硅颗粒，硅和渣彻底的分开了。

附图说明

图1是用本发明来分离中频炉熔炼的硅和剩渣的方法的示意图；图中：石墨坩埚1 隔热层2 电动倾倒装置3 中频炉4 硅和渣液5 冷却水槽6 冷却水7 纯氩气8 气管9 气泡10；

图2是用本发明来分离太阳炉熔炼的硅和剩渣的方法的示意图；图中：硅棒11 进料器12 太阳炉13 二次聚光镜14 太阳光15 液滴状的硅和渣液16 冷却液17 塑料水槽18。

Claims

1. 一种分离硅和渣的方法，其中包括用太阳炉，新型太阳炉，激光，聚光LED，中频炉，高频炉或者等离子体火焰炉或者其他高温熔炼炉将硅和渣熔化，对存在于硅中的杂质进行萃取提纯；其特征是，在液态的情况下，将所述的硅和渣熔体倒入冷却液里，进行液淬，使所述的熔体骤然冷却和凝固，利用硅和渣的膨胀系数和导热系数的不同，使硅凝固成球状体或者葡萄形状的硅球，剩渣碎裂成比硅球小得多的细粒并同硅分离。

2.根据权利要求1所述的对硅和渣熔体进行液淬，其特征是，将硅和渣熔体缓慢的倾倒入冷却液中，可用单股细流或多股细流的方式倾倒入冷却液中，也可以滴入的方式滴进冷却液中；所述的冷却液包括水，酸，硅油，水基冷却液、油基冷却液。

3. 根据权利要求2所述的冷却液，其特征是所述的冷却液内可以通气体的；所述的气体包括氩气，氮气，氦气或者空气。

4. 根据权利要求2所述的冷却液，其特征是冷却液的温度是在1~70°C的范围内，特别是在10~50°C的范围内。

5. 根据权利要求2所述的冷却液，其特征是冷却液里的硼含量小于50ppb，磷含量小于50ppb，其他金属总含量小于10ppm。

6. 根据权利要求2所述的冷却液，其特征是冷却液的比重小于2.329g/cm³。

7. 根据权利要求1所述的球状体或葡萄状的硅料，此硅料同剩渣的混合体可以用筛分方法相互分开。