CN103343384A - 一种分离过共晶铝硅合金的装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分离过共晶铝硅合金的装置及应用，属于电磁冶金技术领域。包括熔料装置和提拉装置，熔料装置的主体为石墨坩埚，石墨坩埚的外部有感应装置、底部有带有支撑机构的托盘；提拉装置的主体为倒置的石英管，倒置的石英管的顶部有引锭机构、内部有模子、外部有冷却环；石英管的外径小于石墨坩埚的内径，倒置的石英管套入石墨坩埚。将过共晶铝硅合金放入装置中熔融，保持感应装置不动，将石英管和石墨坩埚保持同速向上提拉，直到石墨坩埚中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离。该装置的操作过程简单且节能环保，生产成本低，分离出的初晶硅除杂效果均比普通定向凝固好，可以获得性能较好的共晶铝硅合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离过共晶铝硅合金的装置及应用，属于电磁冶金技术领域。
背景技术
铝硅合金以其良好的力学性能和优良的铸造性能，被广泛应用于航空、汽车、仪表及工程机械等工业，是制造行业重要的合金材料。铝硅合金的生产方法主要有兑掺法，熔盐电解法以及电热法等等。目前在我国主要是采用兑掺法生产，即用电解法生产的原铝和用工业硅经过按比例重熔制得。这样从矿石到成品要经过氧化铝厂、电解铝厂、工业硅厂等多道工序才能完成，生产流程长、能耗高使铝硅合金成本居高不下，而且生产过程对环境影响很大。而电热法以其原料来源广泛、能源消耗少、生产能力大、工艺流程短、环境污染小等优点将成为冶炼铝硅合金的主要方法。电热法制取含铝较低的铝硅合金时，电炉运行正常，可连续生产多天；然而电热法在制取含铝50％以上的铝硅合金时，常出现塌料、炉底上涨等现象，生产很不稳定。为了获得含铝高的铝硅合金，通常是由电热法获得含铝量低的铝硅合金经纯铝稀释后得到含铝量较高的铝硅合金。这样做，虽然可以获得铝含量合格的铝硅合金的产品，但增加了能源成本。
随着社会高速发展，煤、石油、天然气等化石能源总有一天会枯竭，要实现经济的可持续发展就必须依靠可再生能源。太阳能由于清洁、安全、资源相对广泛和充足，因此被认为是最有希望成为未来替代化石能源的可再生能源。太阳能级硅是光伏产品的主要原材料，如何低成本生产太阳能级硅成为世界目前研究的热点之一。目前，世界上制备太阳能级硅的方法主是改良的西门子法和硅烷法。西门子法技术成熟，但是这种生产技术投资大、生产成本高、成本降低潜力不大。而硅烷法在生产过程中产生易爆气体，不安全。
鉴于以上情况，如何低成本将电热法制取的铝含量低的过共晶铝硅合金中的硅分离出来，不仅可以制得含铝量较高的铝硅合金，而且还能得到制取太阳能级硅的初晶硅是非常有意义的。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种分离过共晶铝硅合金的装置及应用，可以将铝含量低的铝硅合金分离出初晶硅，获得铝含量较高的铝硅合金，这样，就可以获得合格的铝硅合金，而初晶硅再经过进一步处理可以获得高纯度的太阳能级硅，最终获得合格的铝硅合金和太阳能级硅两种产品。
本发明的装置结构为：包括熔料装置和提拉装置，熔料装置的主体为石墨坩埚3，
石墨坩埚3的外部有活动的感应装置2、底部有带有支撑机构1的托盘13；提拉装置的主体为倒置的石英管5，倒置的石英管5的顶部有引锭机构9、内部有模子8、外部有冷却环7；石英管5的外径小于石墨坩埚3的内径，倒置的石英管5套入石墨坩埚3。
所述石英管5的外壁有外硅灰石层6、石墨坩埚3的内壁有内硅灰石层4。硅灰石层是一种硅灰石的涂层，硅灰石的化学通式为CaO·SiO2，化学组成为CaO:48.25%、SiO2:51.75%，因其具有熔点低、高温熔融粘度低和良好的隔热性能等特点，硅灰石层起到很好的润滑和保护作用。
所述石墨坩埚3的底部有出料口，出料口填满密封料12，密封料12为含90%SiO2以上的硅质耐火材料材料，在约1500℃高温下起密封作用。
所述感应装置2为高频感应炉，主要由炉体、变频设备，感应线圈和水冷系统组成。
所述模子8分布于石英管5内部的底端，冷却环7分布在石英管5的外部且与模子8的位置对应。
本发明分离过共晶铝硅合金装置的应用方法具体包括：
（1）将过共晶铝硅合金放入石墨坩埚3，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流和频率，保温后得到熔融的过共晶铝硅合金；或者是将过共晶铝硅合金熔体直接放入石墨坩埚3中，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流和频率；
（2）保持感应装置2不动并维持步骤（1）的电流和频率，通过冷却环7将石英管5的模子8的温度调整为550℃～650℃，然后按7～30μm/s的速度将引锭杆9向上提拉，为了使固液界面不致分离，同时将支撑杆1按照相同的速度向上运动，直到石墨坩埚5中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离，停止引锭杆9和支撑杆1的运动，熔开出料口的密封料12，从出料口流出的即为共晶铝硅合金熔体，石英管5的模子8中得到的即为初晶硅。
所述过共晶铝硅合金的成分为30～60wt%硅、39～69wt%铝，其余为杂质。
所述步骤（1）中感应装置2的电流均为12～64A、频率均为5～300kHz。
所述步骤（1）的石墨坩埚3中加入过共晶铝硅合金时，待温度升为1000℃～1600℃后保温1min～20min即得到熔融的过共晶铝硅合金；直接放入石墨坩埚（3）中的过共晶铝硅合金熔体的温度为1000℃～1600℃。
本发明的原理：熔融态的过共晶铝硅熔体逐渐拉离感应线圈时，在熔体中会形成一定的温度梯度，进而形成一定的粘度梯度，根据铝硅二元相图，当铝硅熔体的温度低于液相线时会有初晶硅从过共晶铝硅熔体中析出。未析出的硅以扩散方式，析出的初晶硅由于受到洛伦茨力，电磁力驱动作用向低温区迁移，并且由于粘度作用留滞于低温区。所以，共晶铝硅熔体经历过程后，会在低温区富集初晶硅，而在高温区存留铝硅熔体，排出凝固后将形成共晶铝硅合金。根据此原理，过共晶铝硅合金可分离成初晶硅和共晶铝硅合金。
本发明的有益效果是：过共晶铝硅进料可以是固体料，也可以是熔融状态的；不需要将铸锭切割，也不需要翻转石墨坩埚就能分离出初晶硅和共晶铝硅合金；根据实际情况，待初晶硅铸锭生长到一定长度后切割，将模子连同剩余初晶硅铸锭放回石英管中初始位置开始新一轮初晶硅的富集，实现初晶硅的连铸。该装置分离过共晶硅铝合金制备初晶硅和共晶硅铝合金流程短,操作过程简单且节能环保,生产成本低。根据实验，分离出的初晶硅（铝除外）除杂效果均比普通定向凝固好，而经历此过程获得的铝硅熔体脱去了一定的氢气，可以获得性能较好的共晶铝硅合金。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图中：1-支撑机构，2-感应装置 ，3-石墨坩埚，4-内硅灰石层 ，5-石英管 6-外硅灰石层，7-冷却环，8-模子，9-引锭机构，10-初晶硅铸锭，11-共晶铝硅熔体， 12-密封料，13-托盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：如图1所示，本发明的装置结构为：包括熔料装置和提拉装置，熔料
装置的主体为石墨坩埚3，石墨坩埚3的外部有活动的感应装置2、底部有带有支撑机构1的托盘13；提拉装置的主体为倒置的石英管5，倒置的石英管5的顶部有引锭机构9、内部有模子8、外部有冷却环7；石英管5的外径小于石墨坩埚3的内径，倒置的石英管5套入石墨坩埚3。石英管5的外壁有外硅灰石层6、石墨坩埚3的内壁有内硅灰石层4。石墨坩埚3的底部有出料口，出料口填满密封料12。模子8分布于石英管5内部的底端，冷却环7分布在石英管5的外部且与模子8的位置对应。
本发明分离过共晶铝硅合金装置的应用方法为：
（1）将过共晶铝硅合金（成分为30wt%硅、69wt%铝，其余为杂质）放入石墨坩埚3，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流为12A、频率均为300kHz，待温度升为1000℃后保温20min后得到熔融的过共晶铝硅合金；
（2）保持感应装置2不动并维持步骤（1）的电流和频率，通过冷却环7将石英管5的模子8的温度调整为550℃，然后按30μm/s的速度将引锭杆9向上提拉，为了使固液界面不致分离，同时将支撑杆1按照相同的速度向上运动，直到石墨坩埚5中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离，停止引锭杆9和支撑杆1的运动，熔开出料口的密封料12，从出料口流出的即为共晶铝硅合金熔体，石英管5的模子8中得到的即为初晶硅。
实施方式二：如图1所示，本发明的装置结构为：包括熔料装置和提拉装置，熔料
装置的主体为石墨坩埚3，石墨坩埚3的外部有活动的感应装置2、底部有带有支撑机构1的托盘13；提拉装置的主体为倒置的石英管5，倒置的石英管5的顶部有引锭机构9、内部有模子8、外部有冷却环7；石英管5的外径小于石墨坩埚3的内径，倒置的石英管5套入石墨坩埚3。石英管5的外壁有外硅灰石层6、石墨坩埚3的内壁有内硅灰石层4。石墨坩埚3的底部有出料口，出料口填满密封料12。模子8分布于石英管5内部的底端，冷却环7分布在石英管5的外部且与模子8的位置对应。
本发明分离过共晶铝硅合金装置的应用方法为：
（1）将过共晶铝硅合金（成分为60wt%硅、39wt%铝，其余为杂质）放入石墨坩埚3，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流为64A、频率为5kHz，待温度升为1600℃后保温1min后得到熔融的过共晶铝硅合金；或者是将过共晶铝硅合金熔体直接放入石墨坩埚3中，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流和频率；
（2）保持感应装置2不动并维持步骤（1）的电流和频率，通过冷却环7将石英管5的模子8的温度调整为650℃，然后按7μm/s的速度将引锭杆9向上提拉，为了使固液界面不致分离，同时将支撑杆1按照相同的速度向上运动，直到石墨坩埚5中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离，停止引锭杆9和支撑杆1的运动，熔开出料口的密封料12，从出料口流出的即为共晶铝硅合金熔体，石英管5的模子8中得到的即为初晶硅。
实施方式三：如图1所示，本发明的装置结构为：包括熔料装置和提拉装置，熔料
装置的主体为石墨坩埚3，石墨坩埚3的外部有活动的感应装置2、底部有带有支撑机构1的托盘13；提拉装置的主体为倒置的石英管5，倒置的石英管5的顶部有引锭机构9、内部有模子8、外部有冷却环7；石英管5的外径小于石墨坩埚3的内径，倒置的石英管5套入石墨坩埚3。石英管5的外壁有外硅灰石层6、石墨坩埚3的内壁有内硅灰石层4。石墨坩埚3的底部有出料口，出料口填满密封料12。模子8分布于石英管5内部的底端，冷却环7分布在石英管5的外部且与模子8的位置对应。
本发明分离过共晶铝硅合金装置的应用方法为：
（1）将过共晶铝硅合金（成分为40wt%硅、60wt%铝，其余为杂质）熔体直接放入石墨坩埚3中，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流为50A、频率为200kHz；
（2）保持感应装置2不动并维持步骤（1）的电流和频率，通过冷却环7将石英管5的模子8的温度调整为600℃，然后按15μm/s的速度将引锭杆9向上提拉，为了使固液界面不致分离，同时将支撑杆1按照相同的速度向上运动，直到石墨坩埚5中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离，停止引锭杆9和支撑杆1的运动，熔开出料口的密封料12，从出料口流出的即为共晶铝硅合金熔体，石英管5的模子8中得到的即为初晶硅。
实施方式四：如图1所示，本发明的装置结构为：包括熔料装置和提拉装置，熔料
装置的主体为石墨坩埚3，石墨坩埚3的外部有活动的感应装置2、底部有带有支撑机构1的托盘13；提拉装置的主体为倒置的石英管5，倒置的石英管5的顶部有引锭机构9、内部有模子8、外部有冷却环7；石英管5的外径小于石墨坩埚3的内径，倒置的石英管5套入石墨坩埚3。石墨坩埚3的底部有出料口，出料口填满密封料12。模子8分布于石英管5内部的底端，冷却环7分布在石英管5的外部且与模子8的位置对应。
本发明分离过共晶铝硅合金装置的应用方法为：
（1）将过共晶铝硅合金（成分为50wt%硅、45wt%铝，其余为杂质）放入石墨坩埚3，然后将石英管5倒置并套入石墨坩埚3中，调节感应装置2的电流为20A、频率为150kHz，待温度升为1300℃后保温13min后得到熔融的过共晶铝硅合金；
（2）保持感应装置2不动并维持步骤（1）的电流和频率，通过冷却环7将石英管5的模子8的温度调整为620℃，然后按18μm/s的速度将引锭杆9向上提拉，为了使固液界面不致分离，同时将支撑杆1按照相同的速度向上运动，直到石墨坩埚5中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离，停止引锭杆9和支撑杆1的运动，熔开出料口的密封料12，从出料口流出的即为共晶铝硅合金熔体，石英管5的模子8中得到的即为初晶硅。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种分离过共晶铝硅合金的装置，其特征在于：包括熔料装置和提拉装置，熔
料装置的主体为石墨坩埚（3），石墨坩埚（3）的外部设置有活动的感应装置（2）、底部有带有支撑机构（1）的托盘（13）；提拉装置的主体为倒置的石英管（5），倒置的石英管（5）的顶部有引锭机构（9）、内部有模子（8）、外部有冷却环（7）；石英管（5）的外径小于石墨坩埚（3）的内径，倒置的石英管（5）套入石墨坩埚（3）。
2.根据权利要求1所述的分离过共晶铝硅合金的装置，其特征在于：所述石英管（5）的外壁有外硅灰石层（6）、石墨坩埚（3）的内壁有内硅灰石层（4）。
3.根据权利要求1所述的分离过共晶铝硅合金的装置，其特征在于：所述石墨坩埚（3）的底部有出料口，出料口填满密封料（12）。
4.根据权利要求1所述的分离过共晶铝硅合金的装置，其特征在于：所述模子（8）分布于石英管（5）内部的底端，冷却环（7）分布在石英管（5）的外部且与模子（8）的位置对应。
5.一种如权利要求1所述的分离过共晶铝硅合金的装置的应用，其特征在于具体步骤包括如下：
（1）将过共晶铝硅合金放入石墨坩埚（3），然后将石英管（5）倒置并套入石墨坩埚（3）中，调节感应装置（2）的电流和频率，保温后得到熔融的过共晶铝硅合金；或者是将过共晶铝硅合金熔体直接放入石墨坩埚（3）中，然后将石英管（5）倒置并套入石墨坩埚（3）中，调节感应装置（2）的电流和频率；
（2）保持感应装置（2）不动并维持步骤（1）中的电流和频率，通过冷却环（7）将石英管（5）的模子（8）的温度调整为550℃～650℃，然后按7～30μm/s的速度将引锭杆（9）向上提拉，为了使固液界面不致分离，同时将支撑杆（1）按照相同的速度向上运动，直到石墨坩埚（5）中的共晶铝硅合金与形成的初晶硅完全分离，停止引锭杆（9）和支撑杆（1）的运动，熔开出料口的密封料（12），从出料口流出的即为共晶铝硅合金熔体，石英管（5）的模子（8）中得到的即为初晶硅。
6.根据权利要求5所述的分离过共晶铝硅合金的装置的应用，其特征在于：所述过共晶铝硅合金的成分为硅30～60wt%、铝39～69wt%，其余为杂质。
7.根据权利要求5所述的分离过共晶铝硅合金的装置的应用，其特征在于：所述步骤（1）中感应装置（2）的电流均为12～64A、频率均为5～300kHz。
8.根据权利要求5所述的分离过共晶铝硅合金的装置的应用，其特征在于：所述步骤（1）的石墨坩埚（3）中加入过共晶铝硅合金时，待温度升为1000℃～1600℃后保温1min～20min即得到熔融的过共晶铝硅合金；直接放入石墨坩埚（3）中的过共晶铝硅合金熔体的温度为1000℃～1600℃。
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