CN102452653B

CN102452653B - 一种硅化镁的生产方法及其生产设备

Info

Publication number: CN102452653B
Application number: CN 201110119028
Authority: CN
Inventors: 高立波; 戎华
Original assignee: ZHEJIANG YIHELAN NEW ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: CN102452653A

Abstract

本发明是一种硅化镁，特别涉及一种硅化镁的生产方法及其生产设备，应用于半导体材料、特种气体、微电子、太阳能电池和陶瓷。该设备采用搅拌、加热条件下反应合成硅化镁。在真空中或气体保护下，先将硅粉加入到温度为500～650℃的搅拌反应器，再连续加入总质量为硅粉1.6～1.8倍的镁粉，搅拌反应得到硅化镁粉末。采用本方法与设备，既可实现硅化镁的连续生产，有效缓解物料反应放热致使局部过热，防止反应过程中硅化镁结块，同时降低能耗。

Description

一种硅化镁的生产方法及其生产设备

技术领域

本发明是一种硅化镁，特别涉及一种硅化镁的生产方法及其生产设备，应用于半导体材料、特种气体、微电子、太阳能电池和陶瓷。

背景技术

硅烷（SiH₄），又称四氢化硅，是最重要的电子气体，也是生产多晶硅的原料气体，它对微电子、光伏、特种陶瓷、光电子、新材料等领域具有深刻的影响。目前，业界生产硅烷主要采用催化歧化三氯氢硅法（UCC工艺）、氢化锂还原三氯氢硅法、氢化铝钠(NaAlH₄ )还原四氟化硅法、催化歧化乙氧基硅烷和硅化镁法。与其他技术相对，硅化镁法因具有投资小、工艺简单、原料易得、无知识产权垄断等优点，而被国内生产厂商广泛采用。特别是近几年来随着光伏产业的兴起，国内外对高纯硅烷和多晶硅的需求日益增加，完善与发展硅化镁法成为国内诸多企业的攻关方向。硅化镁（化学式为Mg₂Si）作为硅化镁法最重要的原料和技术瓶颈之一，对硅化镁法的发展具有决定性的意义。开发高效、连续、安全和低耗的合成技术是硅化镁生产的重要发展方向。

传统硅化镁的合成方法是将硅粉与镁粉按比例混合，放入间歇式固定床中，在氩气、氢气气氛或真空下加热到500～650℃左右，使其发生反应合成硅化镁，化学反应式为：

2Mg + Si→ Mg₂Si + 77.4 kJ/mol

由于在生成硅化镁的同时产生大量的热量，这使得采用固定床装置合成硅化镁时，遇到严重的物料过热问题，即物料反应放热引起局部高温，物料在高温下造成镁蒸发、结块、硅化镁分解、成分偏离等一系列问题。同时，固定床法通常是间隙式的生产方式，它包括装料、加热、保温、冷却和取料等多步分立过程，具有生产效率较低、危险性高、能耗大、产物结块严重等致命缺点。

相对间隙床工艺，连续反应工艺可较好控制反应进程及控制参与反应的物料量，不易引起过热。同时，连续反应工艺一般采用边反应边搅拌的方式，可以防止粉体结块，均匀物料和热量，利于合成高质量硅化镁。因此，连续反应工艺是规模化生产硅化镁的发展方向。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种高效、连续、安全和低耗的合成技术，同时保证产品的质量的硅化镁的生产方法及其生产设备。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种硅化镁的生产方法，按以下工艺步骤：

(1)、加入硅粉：在硅粉加料斗中加入硅粉，对硅粉加料斗进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，硅粉经螺旋加料器进入到搅拌反应器内，搅拌反应器的保温温度为500～650℃；

(2)、加入镁粉：在镁粉加料斗中连续加入总质量为硅粉1.6～1.8倍的镁粉，对镁粉加料斗进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，镁粉经螺旋加料器进入到搅拌反应器内，搅拌反应器内的保温温度为500～650℃；

(3)、硅粉和镁粉混合：对搅拌反应器进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，加料完毕后，通过搅拌反应器内分级分级搅拌叶片的分级搅动，分级分级搅拌叶片的搅拌速度为2转/分钟～40转/分钟，使硅粉与镁粉在可控、连续条件下充分混合反应，混合反应时间为10分钟～4小时，生成硅化镁粉末；

通过搅拌反应器叶片的搅动，让硅粉与镁粉在可控、连续的条件下反应，生成硅化镁粉末的同时，有效缓解物料反应放热致使局部过热，避免硅化镁的结块和因过热引起的其他问题；

这里所述的可控、连续的条件，是指加料机构可能控制加料的速度，同时搅拌反应器中的分级搅拌叶片的速度也是可控的，使硅粉和镁粉能充分的混合，充分的反应。

(4)、冷却并出料：步骤(3)后，对出料斗进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，将硅化镁粉末放入出料斗中，采用水夹套冷却硅化镁粉末，冷却时间为10分钟～5小时，冷却后硅化镁粉末的温度为10℃～70℃，并通过出料斗取出硅化镁粉末。

作为优选，步骤(1)、(2)、(3)和(4)中充入保护气体。

作为优选，所述的保护气体为氢气和氩气其中的一种或二种。

一种硅化镁的生产设备，包括搅拌反应器，所述的搅拌反应器的上部连接二套加料机构，所述的搅拌反应器的下部连接冷却出料机构，所述的搅拌反应器、加料机构和冷却出料机构连通气体保护机构，所述的加料机构包括加料斗、手孔、加料粉体阀、螺旋加料器、调速电机和加料口，所述的加料斗的上部设有手孔，所述的加料斗的底部为加料粉体阀，所述的加料粉体阀的底端连接螺旋加料器，所述的螺旋加料器通过加料口与搅拌反应器上部相连通，所述的螺旋加料器通过调速电机相驱动；所述的搅拌反应器包括器体、减速机、搅拌轴、分级搅拌叶片、加热套、保温套和搅拌粉体阀，所述的器体中插接有搅拌轴，所述的搅拌轴上套有分级搅拌叶片，所述的搅拌轴的外端部设有减速机，所述的器体的中侧壁覆有加热套，所述的器体的下侧壁覆有保温套，所述的器体的底部连接有搅拌粉体阀，所述的搅拌粉体阀与冷却出料机构相连通；所述的冷却出料机构包括出料斗、水夹套和出料粉体阀，所述的出料斗的外侧壁套有水夹套，所述的出料斗的底部连接有出料粉体阀；所述的气体保护机构包括机械真空泵、氩气瓶、氮气瓶、氢气瓶、管道和控制器，所述的机械真空泵、氩气瓶、氮气瓶和氢气瓶分别与管道相连通并通过气体阀相控制，所述的管道分别与器体、加料斗和出料斗相连通并通过控制器相控制。

二个加料机构，一个加料机构中添加镁粉，另一个加料机构中添加硅粉，加料机构可严格控制所加的量，同时通过螺旋加料器，使粉末更加的均匀，在反应时取得更好的效果。

搅拌反应器，使硅粉和镁粉在保温的情况通过分级搅拌叶片的搅拌，达到充分混合，充分反应，可控性高，能做到及时的调整。

冷却出料机构，水夹套对出料斗进行降温，使出料斗内的硅化镁粉降温，降温后进行出料。

气体保护机构，使得硅粉和镁粉不受空气中杂质的污染，保证产品的质量和生产安全。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果如下：

(1)与间歇式固定床合成法相比，本发明可现实加料、反应和收料等步骤的连续化生产，提高生产效率，降低能耗。

(2)与其他连续合成法相比，本发明采用硅粉与镁粉分开连续加料的形式，即先加硅粉再加镁粉，而其他连续化合成法事先需将硅粉与镁粉按照比例混合形成混合粉料。本发明的加料方式不仅省去了混料工艺，更为重要的是，让镁粉连续加入到受热、搅拌的硅粉中反应，有效缓解物料反应放热致使局部过热，避免反应物结块，同时减轻了镁的蒸发问题。

(3)本发明采用的搅拌反应器，设计了筒体加热套与锥体保温套，用反应产生的热量来维持反应，降低能耗。

作为优选，所述的加料斗的上部设有加料视镜，所述的加料视镜设在手孔的一侧；所述的分级搅拌叶片有5组，5组分级搅拌叶片的长度呈向下延伸分级缩小，所述的分级搅拌叶片包括轴套和叶片，所述的轴套与搅拌轴相套接，所述的轴套上均匀分布有6片叶片，所述的叶片与轴套呈倾斜状分布；所述的出料斗的上部设有出料视镜，所述的水夹套的底端侧壁设有冷却水进口，所述的水夹套的上端侧壁设有冷却水出口；所述的控制器包括粉体过滤阀和气体控制阀，所述的粉体过滤阀和气体控制阀串联在管道上。

作为优选，所述的螺旋加料器包括旋转轴和螺旋片，所述的旋转轴与调速电机相连接，所述的旋转轴上设有螺旋片。

作为优选，所述的加料斗、器体和出料斗的下端为倒锥形。

因此，本发明提供的一种硅化镁的生产方法及其生产设备，连续化生产，提高生产效率，降低能耗，同时提升产品质量，设备结构简单，可控性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：如图1所示，一种硅化镁的生产设备，包括搅拌反应器1，所述的搅拌反应器1的上部连接二套加料机构，所述的搅拌反应器的下部连接冷却出料机构，所述的搅拌反应器、加料机构和冷却出料机构连通气体保护机构，所述的加料机构包括加料斗2a、2b、手孔3a、3b、加料粉体阀4a、4b、螺旋加料器5a、5b、调速电机6a、6b和加料口7a、7b，所述的加料斗2a、2b的上部设有手孔3a、3b，所述的加料斗2a、2b的底部为加料粉体阀4a、4b，所述的加料粉体阀4a、4b的底端连接螺旋加料器5a、5b，所述的螺旋加料器5a、5b通过加料口7a、7b与搅拌反应器1上部相连通，所述的螺旋加料器5a、5b通过调速电机6a、6b相驱动，所述的螺旋加料器5a、5b包括旋转轴31和螺旋片32，所述的旋转轴31与调速电机6a、6b相连接，所述的旋转轴31上设有螺旋片32，所述的加料斗2a、2b的上部设有加料视镜23，所述的加料视镜23设在手孔3a、3b的一侧；所述的搅拌反应器包括器体8、减速机9、搅拌轴10、分级搅拌叶片11、加热套12、保温套13和搅拌粉体阀14，所述的器体8中插接有搅拌轴10，所述的搅拌轴10上套有分级搅拌叶片11，所述的搅拌轴10的外端部设有减速机9，所述的器体8的中侧壁覆有加热套12，所述的器体8的下侧壁覆有保温套13，所述的器体8的底部连接有搅拌粉体阀14，所述的搅拌粉体阀14与冷却出料机构相连通，所述的分级搅拌叶片11有5组，5组分级搅拌叶片11的长度呈向下延伸分级缩小，所述的分级搅拌叶片11包括轴套24和叶片25，所述的轴套24与搅拌轴10相套接，所述的轴套24上均匀分布有6片叶片25，所述的叶片25与轴套24呈倾斜状分布；所述的冷却出料机构包括出料斗15、水夹套16和出料粉体阀17，所述的出料斗15的外侧壁套有水夹套16，所述的出料斗15的底部连接有出料粉体阀17，所述的出料斗15的上部设有出料视镜26，所述的水夹套16的底端侧壁设有冷却水进口27，所述的水夹套16的上端侧壁设有冷却水出口28；所述的气体保护机构包括机械真空泵18、氩气瓶19、氮气瓶20、氢气瓶21、管道22和控制器，所述的机械真空泵18、氩气瓶19、氮气瓶20和氢气瓶21分别与管道22相连通并通过气体阀33a、33b、33c、33d相控制，所述的管道22分别与器体8、加料斗2a、2b和出料斗15相连通并通过控制器相控制，所述的控制器包括粉体过滤阀29a、29b、29c、29d和气体控制阀30a、30b、30c、30d，所述的粉体过滤阀29a、29b、29c、29d和气体控制阀30a、30b、30c、30d串联在管道22上，所述的加料斗2a、2b、器体8和出料斗15的下端为倒锥形。

本发明具体实施步骤如下：

(1)将镁粉与硅粉分别装入加料斗中，镁粉与硅粉的总质量比为1.6～1.8；

(2)对整套设备经多次氮气吹扫和抽真空，让设备最终保持真空状态，如果需要氢气或氩气保护，抽真空后，充入氢气或氩气；

(3)加热套开始加热，将温度升到500～650℃，开启搅拌反应器顶部的减速机，使分级搅拌叶片开始搅动；

(4)打开加料粉体阀，开启调速电机，开始连续加入硅粉；

(5)待硅粉加料完毕，打开加料粉体阀，开启调速电机，开始连续加入镁粉，让硅粉、镁粉在搅拌反应器中连续、可控地充分混合反应；

(6)反应结束后，打开搅拌粉体阀，将合成的硅化镁粉体放入出料斗；

(7)开启冷却水，待硅化镁在出料斗中冷却后出料；

(8)如此循环，可实现连续生产。

实施例1：

将镁粉与硅粉按照质量比1.6的比例分别装入加料斗中，将搅拌反应器的加热套温度控制在500℃，整套设备处在真空状态。先用螺旋加料器将硅粉加入搅拌反应器中，待硅粉加完后，再用螺旋加料器将镁粉连续加入到搅拌反应器中，分级搅拌叶片的搅拌速度为2转/分钟，让它与硅粉充分混合反应合成硅化镁粉末，混合反应时间为10分钟，最终连续反应得到硅化镁粉体，将硅化镁粉末放入出料斗中，采用水夹套冷却硅化镁粉末，冷却时间为10分钟，冷却后硅化镁粉末的温度为10℃，并通过出料斗取出硅化镁粉末。

效果：所得硅化镁纯度98%以上，颗粒度在50~200目之间。

实施例2：

将镁粉与硅粉按照质量比1.7的比例分别装入加料斗中，将搅拌反应器的加热套温度控制在550℃，整套设备处在真空状态。先用螺旋加料器将硅粉加入搅拌反应器中，待硅粉加完后，再用螺旋加料器将镁粉连续加入到搅拌反应器中，分级搅拌叶片的搅拌速度为20转/分钟，让它与硅粉充分混合反应合成硅化镁粉末，混合反应时间为1小时，最终连续反应得到硅化镁粉体，将硅化镁粉末放入出料斗中，采用水夹套冷却硅化镁粉末，冷却时间为2小时，冷却后硅化镁粉末的温度为50℃，并通过出料斗取出硅化镁粉末。

效果：所得硅化镁纯度98%以上，颗粒度在50~200目之间。

实施例3：

将镁粉与硅粉按照质量比1.8的比例分别装入加料斗中，将搅拌反应器的加热套温度控制在650℃，整套设备处在真空状态。先用螺旋加料器将硅粉加入搅拌反应器中，待硅粉加完后，再用螺旋加料器将镁粉连续加入到搅拌反应器中，分级搅拌叶片的搅拌速度为40转/分钟，让它与硅粉充分混合反应合成硅化镁粉末，混合反应时间为4小时，最终连续反应得到硅化镁粉体，将硅化镁粉末放入出料斗中，采用水夹套冷却硅化镁粉末，冷却时间为5小时，冷却后硅化镁粉末的温度为70℃，并通过出料斗取出硅化镁粉末。

效果：所得硅化镁纯度98%以上，颗粒度在50~200目之间。

Claims

1.一种硅化镁的生产方法，其特征在于按以下工艺步骤：

(1)、加入硅粉：在硅粉加料斗(2a)中加入硅粉，对硅粉加料斗(2a)进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，硅粉经螺旋加料器(5a)进入到搅拌反应器(1)内，搅拌反应器(1)的保温温度为500～650℃；

(2)、加入镁粉：在镁粉加料斗(2b)中连续加入总质量为硅粉1.6～1.8倍的镁粉，对镁粉加料斗(2b)进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，镁粉经螺旋加料器(5b)进入到搅拌反应器(1)内，搅拌反应器(1)内的保温温度为500～650℃；

(3)、硅粉和镁粉混合：对搅拌反应器(1)进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，加料完毕后，通过搅拌反应器(1)内分级搅拌叶片(11)的分级搅动，分级搅拌叶片(11)的搅拌速度为2转/分钟～40转/分钟，使硅粉与镁粉在可控、连续条件下充分混合反应，混合反应时间为10分钟～4小时，生成硅化镁粉末；

(4)、冷却并出料：步骤(3)后，对出料斗(15)进行抽真空和至少一次氮气吹扫后再抽真空，将硅化镁粉末放入出料斗(15)中，采用水夹套(16)冷却硅化镁粉末，冷却时间为10分钟～5小时，冷却后硅化镁粉末的温度为10℃～70℃，并通过出料斗(15)取出硅化镁粉末。

2.根据权利要求1所述的一种硅化镁的生产方法，其特征在于：步骤(1)、(2)、(3)和(4)中充入保护气体。

3.根据权利要求2所述的一种硅化镁的生产方法，其特征在于：所述的保护气体为氢气和氩气其中的一种或二种。

4.一种硅化镁的生产设备，其特征在于：包括搅拌反应器(1)，所述的搅拌反应器(1)的上部连接二套加料机构，所述的搅拌反应器的下部连接冷却出料机构，所述的搅拌反应器、加料机构和冷却出料机构连通气体保护机构，所述的加料机构包括加料斗(2a、2b)、手孔(3a、3b)、加料粉体阀(4a、4b)、螺旋加料器(5a、5b)、调速电机(6a、6b)和加料口(7a、7b)，所述的加料斗(2a、2b)的上部设有手孔(3a、3b)，所述的加料斗(2a、2b)的底部为加料粉体阀(4a、4b)，所述的加料粉体阀(4a、4b)的底端连接螺旋加料器(5a、5b)，所述的螺旋加料器(5a、5b)通过加料口(7a、7b)与搅拌反应器(1)上部相连通，所述的螺旋加料器(5a、5b)通过调速电机(6a、6b)相驱动；所述的搅拌反应器包括器体(8)、减速机(9)、搅拌轴(10)、分级搅拌叶片(11)、加热套(12)、保温套(13)和搅拌粉体阀(14)，所述的器体(8)中插接有搅拌轴(10)，所述的搅拌轴(10)上套有分级搅拌叶片(11)，所述的搅拌轴(10)的外端部设有减速机(9)，所述的器体(8)的中侧壁覆有加热套(12)，所述的器体(8)的下侧壁覆有保温套(13)，所述的器体(8)的底部连接有搅拌粉体阀(14)，所述的搅拌粉体阀(14)与冷却出料机构相连通；所述的冷却出料机构包括出料斗(15)、水夹套(16)和出料粉体阀(17)，所述的出料斗(15)的外侧壁套有水夹套(16)，所述的出料斗(15)的底部连接有出料粉体阀(17)；所述的气体保护机构包括机械真空泵(18)、氩气瓶(19)、氮气瓶(20)、氢气瓶(21)、管道(22)和控制器，所述的机械真空泵(18)、氩气瓶(19)、氮气瓶(20)和氢气瓶(21)分别与管道(22)相连通并通过气体阀(33a、33b、33c、33d)相控制，所述的管道(22)分别与器体(8)、加料斗(2a、2b)和出料斗(15)相连通并通过控制器相控制。

5.根据权利要求4所述的一种硅化镁的生产设备，其特征在于：所述的加料斗(2a、2b)的上部设有加料视镜(23)，所述的加料视镜(23)设在手孔(3a、3b)的一侧；所述的分级搅拌叶片(11)有5组，5组分级搅拌叶片(11)的长度呈向下延伸分级缩小，所述的分级搅拌叶片(11)包括轴套(24)和叶片(25)，所述的轴套(24)与搅拌轴(10)相套接，所述的轴套(24)上均匀分布有6片叶片(25)，所述的叶片(25)与轴套(24)呈倾斜状分布；所述的出料斗(15)的上部设有出料视镜(26)，所述的水夹套(16)的底端侧壁设有冷却水进口(27)，所述的水夹套(16)的上端侧壁设有冷却水出口(28)；所述的控制器包括粉体过滤阀(29a、29b、29c、29d)和气体控制阀(30a、30b、30c、30d)，所述的粉体过滤阀(29a、29b、29c、29d)和气体控制阀(30a、30b、30c、30d)串联在管道(22)上。

6.根据权利要求4或5所述的一种硅化镁的生产设备，其特征在于：所述的螺旋加料器(5a、5b)包括旋转轴(31)和螺旋片(32)，所述的旋转轴(31)与调速电机(6a、6b)相连接，所述的旋转轴(31)上设有螺旋片(32)。

7.根据权利要求4或5所述的一种硅化镁的生产设备，其特征在于：所述的加料斗(2a、2b)、器体(8)和出料斗(15)的下端为倒锥形。