CN102745695A

CN102745695A - 用于从高硅铝合金提取硅的装置及其提取方法

Info

Publication number: CN102745695A
Application number: CN2012101870205A
Authority: CN
Inventors: 阎峰云; 吴东旭; 陈体军; 马颖; 黄晓锋; 李元东
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-10-24

Abstract

用于从高硅铝合金提取硅的装置及其提取方法，通过由电机（6）、减速器（5）、搅拌杆（13）组成的旋转机构的转动改变坩埚（14）中合金液的温度场及硅的分布，通过电机（7）、减速器（8）、升降杆（9）、导轨（10）、搅拌杆（13）组成的升降机构的上下移动，对合金液中的温度场及硅的生长进行调控；搅拌杆（13）与聚集底座（16）连在一起；提取方法上午步骤：使高硅铝合金在石墨坩埚中加热到800～1100℃熔化后，调整熔化温度，通过阶段降温与连续降温两种方法聚集硅，对搅拌杆进行循环气体冷却，使合金液与搅拌杆保持一个过冷度，同时聚集底座的搅拌与上下浮动使硅集中于聚集底座生长，提高提取率。

Description

用于从高硅铝合金提取硅的装置及其提取方法

技术领域

本发明涉及硅的提取技术。

背景技术

硅的用途十分广泛，是制备铝硅合金、功能材料、硅的有机化合物的基本原料，经过进一步提纯的硅是发展太阳能产业和信息微电子产业的重要原材料，因此纯度高的工业硅原料市场需求很大。

目前工业上制备硅的方法主要是电热还原法。将SiO₂矿石与木炭或石油焦一起放入电弧炉里，在电弧的情况下进行还原而制成。制得的冶金级硅，经氯或氧精制后可得到98%～99%纯度的精制冶金硅。但该方法对原材料SiO₂的纯度要求较高（SiO₂纯度达到98.5%以上）。目前我国纯硅石资源越来越少，因此急需寻找一种原料易得，低能耗且经济可靠的制备金属硅的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于从高硅铝合金提取硅的装置及其提取方法。

本发明是用于从高硅铝合金提取硅的装置及其提取方法，用于从高硅铝合金提取硅的装置，有一个向熔化的高硅铝合金提供保护气氛的保护气体瓶17，第一电机6与第一减速器5连接，组成旋转机构，搅拌杆13的中部位置处与第一减速器5连接，减速器5能够驱动搅拌杆13旋转，第二电机7与第二减速器8、升降杆9和导轨10组成升降机构，搅拌杆13与安装在固定平台12上的轴承18连在一起，固定平台12与导轨10连在一起，升降机构能够驱动搅拌杆13上下移动，搅拌杆13的上端与升降杆9连接，搅拌杆13的下端连接有聚集底座16，石墨坩埚14安装在电阻炉15中，搅拌杆13能够驱动聚集底座16在石墨坩埚14中进行旋转运动和升降运动。

从高硅铝合金提取硅的方法，采用以上所述用于从高硅铝合金提取硅的装置，其步骤为：

（1）将高硅铝合金放入石墨坩埚中加热到800～1100℃，或高硅铝合金液由其他熔炼炉中熔炼后导入到本装置的石墨坩埚中；

（2）通入保护气体，使合金充分熔化后，保温5～30分钟；或高硅铝合金液由其他熔炼炉中熔炼后导入到本装置的石墨坩埚中，调整熔化温度，使其处于完全熔化均匀状态；

（3）以阶段降温方式凝集硅：每次降温幅度为2～10℃，每个阶段保温5～30min；

（4）以0.5～30n/min的速度搅拌高硅铝合金液，搅拌时间0.5～2min，搅拌完成后，搅拌杆（13）以0.5～10mm/min的速度上下移动，移动速度为0.5～10mm/min，移动幅度为0～10mm，每个阶段移动时间1～5min，移动后回复到原始位置；

（5）上述阶段完成后，进入下一个重复降温阶段；或以连续降温方式凝集硅：降温速度为0.2～10℃/min，搅拌和上下移动采用间歇搅拌和移动方式，或者是连续工作，工作参数如前；

（6）上述降温过程通过打开冷却机构实现；

（7）待温度降到650～620℃时，将聚集底座（16）提出；

（8）将提取出的含铝的结晶硅放入盐酸中浸泡溶铝，然后过滤；

（9）将过滤出的硅用去离子水清洗干燥，得到晶体硅。

本发明的有益效果：本发明原料是基于矿热还原法生产出的高硅铝合金，其基本原料非铝土矿易得，我国含量丰富，且从合金液中直接将硅提取出来，随着温度的降低，大多数杂质溶入铝液中，对硅起到了清洗、纯净化作用，且与矿热还原法相比，对矿石中SiO₂的纯度要求不高，基本不产生污染。本发明可得到99.9%纯度的高纯硅，对后面生产太阳能级硅提供了高纯度的原料，可大大降低提纯成本。本发明的提取装置，设备体积小、占地面积少、工艺可靠、简单易行、操作方便、生产周期短。

附图说明

图1是本发明装置的示意图，图2是本发明的冷却机构的剖面示意图，图3是本发明聚集底座的结构图，附图标记及对应名称为：总电源开关1，升降系统控制柜2，加热系统控制柜3，电表4、第一减速器5，第一电机6，第二电机7，第二减速器8，升降杆9，导轨10，气体进口11，固定平台12，搅拌杆13，石墨坩埚14，电阻炉15，聚集底座16，保护气体瓶17，轴承18，热电偶19，气体出口20，气体冷却杆21，加热管22，干燥瓶23，冷却气体瓶24。

具体实施方式

本发明是用于从高硅铝合金提取硅的装置及其提取方法，其中用于从高硅铝合金提取硅的装置，如图1、图2、图3所示，有一个向熔化的高硅铝合金提供保护气氛的保护气体瓶17，第一电机6与第一减速器5连接，组成旋转机构，搅拌杆13的中部位置处与第一减速器5连接，减速器5能够驱动搅拌杆13旋转，第二电机7与第二减速器8、升降杆9和导轨10组成升降机构，搅拌杆13与轴承18连在一起，固定平台12与导轨10连在一起，升降机构能够驱动搅拌杆13上下移动，搅拌杆13的上端与升降杆9连接，搅拌杆13的下端连接有聚集底座16，石墨坩埚14安装在电阻炉15中，搅拌杆13能够驱动聚集底座16在坩埚14中进行旋转运动和升降运动。

如图1、图2所示，搅拌杆13内设有气体冷却杆21，干燥瓶23一端的管路与冷却气体瓶24连接，干燥瓶23另一端的管路与加热管22连接，加热管22连接气体进口11，气体进口11连接气体冷却杆21，固定平台12上端开设有用于排出气体的气体出口20, 气体出口20与搅拌杆13和气体冷却杆21形成的空腔相通。

搅拌杆13和聚集底座16材质为耐高温陶瓷。

如图3所示，聚集底座16为U型，或者为平面型，聚集底座16的下部和侧部设有间距为10～50mm，直径为4～8mm的通孔。

（2）通入保护气体，使合金充分熔化后，保温5～30分钟；或高硅铝合金液由其他熔炼炉中熔炼后导入到本装置的石墨坩埚中，调整熔化温度，使其处于完全熔化均匀状态。

（2）以阶段降温方式凝集硅：每次降温幅度为2～10℃，每个阶段保温5～30min；

（3）以0.5～30n/min的速度搅拌高硅铝合金液，搅拌时间0.5～2min，搅拌完成后，搅拌杆（13）以0.5～10mm/min的速度上下移动，移动速度为0.5～10mm/min，移动幅度为0～10mm，每个阶段移动时间1～5min，移动后回复到原始位置；

（4）上述阶段完成后，进入下一个重复降温阶段；或以连续降温方式凝集硅：降温速度为0.2～10℃/min，搅拌和上下移动采用间歇搅拌和移动方式，或者是连续工作，工作参数如前；

（5）上述降温过程通过打开冷却机构实现；

（6）待温度降到650～620℃时，将聚集底座（16）提出；

（7）将提取出的含铝的结晶硅放入盐酸中浸泡溶铝，然后过滤；

（8）将过滤出的硅用去离子水清洗干燥，得到晶体硅。

以上所述的保护气体为氩气或氮气。

从高硅铝合金提取硅的所用的高硅铝合金，按质量百分数，高硅铝合金中硅的含量为20～60%。

本发明的工作过程是：通过对电阻炉15对高硅铝合金加热到设定温度，热电偶19测温并反馈到温度控制系统来加以调节，然后保温，使合金充分熔化。保护气体瓶17中的气体对熔化的高硅铝合金进行气氛保护，通过第一电机6带动第一减速器5对搅拌杆13的转动改变坩埚14中合金液的温度场及硅的分布，第二电机7带动第二减速器8通过升降杆9和导轨10控制搅拌杆13的上下移动，同时由于聚集底座16的上下移动，对合金液中的温度场及硅的生长进行调控，冷却气体瓶24中的气体首先通过干燥瓶23对气体进行干燥，然后再通过加热管22对气体进行加热，经过加热的气体经过气体冷却杆21对搅拌杆13进行冷却并通过气体出口20排出，当合金液的温度降到设定温度时，由升降系统将搅拌杆13连同聚集底座16一起提出。

下面是以本发明的提取装置为基础的几个具体提取方法实例，其中实施例1和实施例2以连续降温方式凝集硅，实施例3和实施例4以阶段降温方式凝集硅。本发明不限于这些实施实例。

实施例1：取5Kg的Al-20Si放入石墨坩埚14中，接通电源开始加热，当温度升高到850℃时通入氩气保护，保温30分钟，使合金充分熔化。保温完成后,打开冷却机构，并以30转/分钟的速度开始对合金液进行搅拌并降温，降温速度为0.5℃/min，搅拌时间1min。搅拌完成后，搅拌杆13以10mm/min的速度上下移动，移动幅度为10mm，移动时间2min，移动后回复到原始位置。当温度降到620℃时关闭电源，立即将搅拌杆13及聚集底座16提出。将提取出的结晶硅（含铝）放入盐酸中浸泡溶铝，然后过滤，过滤出的硅用去离子水清洗干燥，提取率达30%，滤液回收。

实施例2：取5Kg的Al-30Si放入石墨坩埚14中，接通电源开始加热，当温度升高到900℃时通入氩气保护，保温30分钟，使合金充分熔化。保温完成后，打开冷却机构，并以10n/min的速度开始对合金液进行搅拌并降温，降温速度为1℃/min，搅拌时间2min。搅拌完成后，搅拌杆13以5mm/min的速度上下移动，移动幅度为5mm，移动时间2min，移动后回复到原始位置。然后继续重复搅拌与上下移动。当温度降到630℃时关闭电源，立即将搅拌杆13及聚集底座16提出。将提取出的结晶硅（含铝）放入盐酸中浸泡溶铝，然后过滤，过滤出的硅用去离子水清洗干燥，提取率达35%，滤液回收。

实施例3: 取5Kg的Al-40Si放入石墨坩埚14中，加开电源开始加热，当温度升高到850℃时通入氩气保护，保温30min 使合金充分熔化。保温完成后，打开循环气体冷却系统，每次降温10℃，并保温10min。并以5n/min的速度开始对合金液进行搅拌，搅拌时间为1min。搅拌完成后，搅拌杆13以10mm/min的速度上下移动，移动幅度为5mm，每个阶段移动时间2min，移动后回复到原始位置。当温度降到640℃时关闭电源，立即将搅拌杆13及聚集底座16提出。将提取出的结晶硅（含铝）放入盐酸中浸泡溶铝，然后过滤，过滤出的硅用去离子水清洗干燥，提取率达40%，滤液回收。

实施例4：取5Kg的Al-50Si放入石墨坩埚14中，加开电源开始加热，当温度升高到850℃时通入氩气保护，保温30分钟, 使合金充分熔化。保温完成后，打开循环气体冷却系统，每次降温5℃，并保温20分钟。并以1转/分钟的速度开始对合金液进行搅拌，搅拌时间为1min。搅拌完成后，搅拌杆以5mm/min上下移动，移动幅度为10mm，每个阶段移动时间5min，移动后回复到原始位置。当温度降到650℃时关闭电源，立即将搅拌杆13及聚集底座16提出。将提取出的结晶硅（含铝）放入盐酸中浸泡溶铝，然后过滤，过滤出的硅用去离子水清洗干燥，提取率达45%，滤液回收。

Claims

1.用于从高硅铝合金提取硅的装置，有一个向熔化的高硅铝合金提供保护气氛的保护气体瓶（17），其特征在于第一电机（6）与第一减速器（5）连接，组成旋转机构，搅拌杆（13）的中部位置处与第一减速器（5）连接，减速器（5）能够驱动搅拌杆（13）旋转，第二电机（7）与第二减速器（8）、升降杆（9）和导轨（10）组成升降机构，搅拌杆13与安装在固定平台12上的轴承18连在一起，固定平台（12）与导轨（10）连在一起，升降机构能够驱动搅拌杆（13）上下移动，搅拌杆（13）的上端与升降杆（9）连接，搅拌杆（13）的下端连接有聚集底座（16），石墨坩埚（14）安装在电阻炉（15）中，搅拌杆（13）能够驱动聚集底座（16）在石墨坩埚（14）中进行旋转运动和升降运动。

2.根据权利要求1所述的用于从高硅铝合金提取硅的装置，其特征在于气体冷却杆（21）与干燥瓶（23）、冷却气体瓶（24）组成冷却机构，搅拌杆（13）内设有气体冷却杆（21），干燥瓶（23）一端的管路与冷却气体瓶（24）连接，干燥瓶（23）另一端的管路与加热管（22）连接，加热管（22）连接气体进口（11），气体进口（11）连接气体冷却杆（21），固定平台（12）上端开设有用于排出气体的气体出口（20）, 气体出口（20）与搅拌杆（13）和气体冷却杆（21）形成的空腔相通。

3.根据权利要求1所述的用于从高硅铝合金提取硅的装置，其特征在于搅拌杆（13）和聚集底座（16）材质为耐高温陶瓷。

4.根据权利要求1所述的用于从高硅铝合金提取硅的装置，其特征在于聚集底座（16）为U型，或者为平面型，聚集底座（16）的下部和侧部设有间距为10～50mm，直径为4～8mm的通孔。

5.从高硅铝合金提取硅的方法，采用如权利要求1所述用于从高硅铝合金提取硅的装置，其步骤为：

（1）将高硅铝合金放入石墨坩埚（14）中加热到800～1100℃，或高硅铝合金液由其他熔炼炉中熔炼后导入到本装置的石墨坩埚（14）中；

（2）通入保护气体，使合金充分熔化后，保温5～30分钟；或高硅铝合金液由其他熔炼炉中熔炼后导入到本装置的石墨坩埚（14）中，调整熔化温度，使其处于完全熔化均匀状态；

（6）上述降温过程通过打开冷却机构实现；

（7）待温度降到650～620℃时，将聚集底座（16）提出；

（9）将过滤出的硅用去离子水清洗干燥，得到晶体硅。

6.根据权利要求5所述的从高硅铝合金提取硅的方法，其特征在于保护气体为氩气或氮气。

7.根据权利要求5所述的从高硅铝合金提取硅的方法，其特征在于按质量百分数，高硅铝合金中硅的含量为20～60%。