CN103387416A - 一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于介质熔炼技术领域，特别涉及一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法。石墨坩埚放置于炉体内，石墨坩埚和石墨坩埚中安装有感应线圈，方法如下：（1）先将石墨保护环固定在石墨坩埚上沿，然后向石墨坩埚内加入工业硅；（2）开启感应线圈，加热使工业硅熔化成硅液，在石墨坩埚的中心轴处立放入石墨柱，使得硅液液面上升；（3）向石墨坩埚内继续添加工业硅，控制感应线圈升高温度，使熔化后的硅液液面高度高于石墨坩埚壁上沿，但低于石墨保护环的上沿，再加入造渣剂，使其表面仍然低于石墨保护环的上沿，从而进行熔炼；（4）熔炼结束后，硅液与石墨坩埚反应得到碳化硅涂层，然后取出石墨柱和石墨保护环，降低温度后倒出硅液。

Description

一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法
技术领域
本发明属于介质熔炼技术领域，特别涉及一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法。
背景技术
在能源紧缺、倡导低碳环保的社会，太阳能作为一种环保新能源，具有重大的应用价值。太阳能电池可以将太阳能转换为电能，而太阳能级多晶硅材料又是太阳能电池的重要原料，因此，太阳能级多晶硅材料的制备技术尤其重要。目前，世界范围内制备太阳能级多晶硅材料的主要技术路线有：改良西门子法，硅烷法，冶金法。其中改良西门子法的原理就是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。但是改良西门子法能耗高、污染严重，属于欧美淘汰的旧技术。硅烷法就是硅烷（SiH4）热分解制备多晶硅的方法，但是该工艺生产操作时危险性大（硅烷易燃易爆）、综合生产成本较高。冶金法主要包括：电子束熔炼法、等离子束熔炼法、定向凝固法、介质法、电解法、碳热还原法等。利用介质熔炼的方式提纯多晶硅被认为是在工业化生产中最为可行的，即使一次介质熔炼很难达到太阳能电池用多晶硅材料对B杂质的含量要求，但从可操作性及性价比上分析，无疑是最佳的选择。
传统的介质熔炼过程中，熔炼使用的石墨坩埚由于长时间与大气条件下的氧化性气氛接触，发生化学反应而被烧损，当石墨坩埚的烧损程度无法满足高温下对液态硅的载体作用时，即达到其使用寿命的极限，此时需要更换新的石墨坩埚。多晶硅的介质熔炼是一个提纯的过程，因为石墨坩埚中会参有大量杂质，所以，介质熔炼过程对石墨坩埚的要求很高，因此石墨坩埚的成本也非常高，约占整个工艺成本的1/4～1/3。传统工艺无法解决石墨坩埚使用寿命短的问题，坩埚的频繁更换也降低了工艺的效率。
同时，整体都为碳化硅材料的坩埚成本过高，不利于工业生产。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足问题，在高温条件下，将金属硅在石墨坩埚中熔化，利用石墨与硅之间发生化学反应所生成的碳化硅（SiC）对石墨坩埚内表面起到保护作用，延长石墨坩埚的使用寿命。化学反应生成的碳化硅层的厚度及性能会随着反应温度和反应时间的延长而提高，同时大大的降低了生产成本，利于工业生产。
本发明一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，石墨坩埚放置于炉体内，石墨坩埚和石墨坩埚中安装有感应线圈，方法如下：
（1）先将石墨保护环固定在石墨坩埚上沿，然后向石墨坩埚内加入工业硅；
（2）开启感应线圈，加热使工业硅熔化成硅液，在石墨坩埚的中心轴处立放入石墨柱，使得硅液液面上升；
（3）向石墨坩埚内继续添加工业硅，控制感应线圈升高温度，使熔化后的硅液液面高度高于石墨坩埚壁上沿，但低于石墨保护环的上沿，再加入造渣剂，使其表面仍然低于石墨保护环的上沿，从而进行熔炼；
（4）熔炼结束后，硅液与石墨坩埚反应得到碳化硅涂层，然后取出石墨柱和石墨保护环，降低温度后倒出硅液。
优选方案如下：
步骤（1）加入的工业硅质量为坩埚容量的0.25～0.3倍。
步骤（2）中石墨柱的上端高出石墨保护环的上沿50～100mm。
石墨柱的直径为石墨坩埚内径的0.5～0.8倍。
步骤（3）中熔炼温度为1800～1900℃，熔炼时间为10～20h。
步骤（4）中降低温度至1450～1500℃
步骤（4）中碳化硅涂层厚度为3～5mm。
石墨坩埚壁上沿到石墨保护环上沿的距离为100～150mm。
在本发明中，石墨柱可以是圆柱体，也可以是长方体，或者可以是多棱体；石墨坩埚中心处加入石墨柱的目的是减少硅的加入量，同时在硅液熔化时，保证硅液液面高度高于石墨坩埚壁上沿，且低于石墨保护环的上沿，再加入造渣剂，使其表面仍然低于石墨保护环的上沿，这样，能够将硅液挤溢充满整个石墨坩埚内表面，使硅液与石墨坩埚表面充分反应，生成3～5mm厚的碳化硅保护层，防止石墨坩埚中的杂质进入硅液中；反应过程中加入的造渣剂目的是为了防止硅液与空气接触而发生氧化；石墨柱的上端高出石墨保护环的上沿50～100mm目的是为了方便石墨柱的取放；最后将硅液取出冷却，留做下次熔炼使用，不至于浪费材料。
本发明的优点是：可以在石墨坩埚内表面生成3～5mm厚的碳化硅保护层，同时石墨坩埚的使用寿命可以由8次/个提高到16～20次/个，直接使得介质熔炼的生产成本降低2000～4000元/吨。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图中，1、石墨坩埚，2、石墨柱，3、石墨保护环，4、感应线圈，5、炉体
具体实施方式
下面结合具体实施例详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1：
石墨坩埚1容量为200kg，内层高度为1050mm，石墨柱2为圆柱体，其直径为195mm，高度为1200mm。石墨保护环3为实心圆环状结构，高度为100mm。
首先将石墨坩埚1放置于炉体5内，石墨坩埚1和炉体5之间安装有感应线圈4，方法如下：
（1）先将石墨保护环3套扣在石墨坩埚1上沿，从而高出石墨坩埚100mm,然后向石墨坩埚1内加入50kg工业硅；
（2）开启感应线圈4，加热使工业硅熔化成硅液，在石墨坩埚1的中心轴处立放入石墨柱2，使得硅液液面上升，从而石墨柱2的上端高出石墨保护环3的上沿50mm。
（3）向石墨坩埚1内继续添加工业硅，控制感应线圈4升高温度，使熔化后的硅液液面高度高于石墨坩埚1壁上沿，但低于石墨保护环3的上沿，再加入造渣剂，使其表面仍然低于石墨保护环3的上沿，从而进行熔炼；熔炼温度为1800℃，熔炼时间为10h。
（4）熔炼结束后，硅液与石墨坩埚1反应得到碳化硅涂层，然后取出石墨柱2和石墨保护环3，分离硅液和造渣剂，降低温度至1450℃后倒出硅液和渣剂留用。
实施例2：
石墨坩埚1容量为200kg，内层高度为950mm，石墨柱2为圆柱体，其直径为290mm，高度为1200mm。石墨保护环3为实心圆环状结构，高度为150mm。
首先将石墨坩埚1放置于炉体5内，石墨坩埚1和炉体5之间安装有感应线圈4，方法如下：
（1）先将石墨保护环3套扣在石墨坩埚1上沿，从而高出石墨坩埚150mm,然后向石墨坩埚1内加入60kg工业硅；
（2）开启感应线圈4，加热使工业硅熔化成硅液，在石墨坩埚1的中心轴处立放入石墨柱2，使得硅液液面上升，从而石墨柱2的上端高出石墨保护环3的上沿100mm。
（3）向石墨坩埚1内继续添加工业硅，控制感应线圈4升高温度，使熔化后的硅液液面高度高于石墨坩埚1壁上沿，但低于石墨保护环3的上沿，再加入造渣剂，使其表面仍然低于石墨保护环3的上沿，从而进行熔炼；熔炼温度为1900℃，熔炼时间为20h。
（4）熔炼结束后，硅液与石墨坩埚1反应得到碳化硅涂层，然后取出石墨柱2和石墨保护环3，分离硅液和造渣剂，降低温度至1500℃后倒出硅液和渣剂留用。
综上所述，本发明可以在石墨坩埚内表面生成3～5mm厚的碳化硅保护层，生成这种含有碳化硅保护层的石墨坩埚的使用寿命可以由8次/个提高到16-20次/个，避免普通石墨坩埚中的大量杂质进入硅液中，其次不使用碳化硅坩埚，直接使得介质熔炼的生产成本降低2000～4000元/吨。

Claims (8)

1.一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，石墨坩埚（1）放置于炉体（5）内，石墨坩埚（1）和炉体（5）之间安装有感应线圈（4），其特征在于方法如下：
（1）先将石墨保护环（3）固定在石墨坩埚（1）上沿，然后向石墨坩埚（1）内加入工业硅；
（2）开启感应线圈（4），加热使工业硅熔化成硅液，在石墨坩埚（1）的中心轴处立放入石墨柱（2），使得硅液液面上升；
（3）向石墨坩埚（1）内继续添加工业硅，控制感应线圈（4）升高温度，使熔化后的硅液液面高度高于石墨坩埚（1）壁上沿，但低于石墨保护环（3）的上沿，再加入造渣剂，使其表面仍然低于石墨保护环（3）的上沿，从而进行熔炼；
（4）熔炼结束后，硅液与石墨坩埚（1）反应得到碳化硅涂层，然后取出石墨柱（2）和石墨保护环（3），降低温度后倒出硅液。
2.根据权利要求1所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:所述的步骤（1）加入的工业硅质量为坩埚容量的0.25～0.3倍。
3.根据权利要求1所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:所述的步骤（2）中石墨柱（2）的上端高出石墨保护环（3）的上沿50～100mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:所述的石墨柱（2）的直径为石墨坩埚（1）内径的0.5～0.8倍。
5.根据权利要求1所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:所述的步骤（3）中熔炼温度为1800～1900℃，熔炼时间为10～20h。
6.根据权利要求1所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:所述的步骤（4）中降低温度至1450～1500℃。
7.根据权利要求1所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:所述的步骤（4）中碳化硅涂层厚度为3～5mm。
8.根据权利要求1所述的一种提高介质熔炼中石墨坩埚使用寿命的方法，其特征是:石墨坩埚（1）壁上沿到石墨保护环（3）上沿的距离为100～150mm。
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