CN103553580B

CN103553580B - 多晶硅还原炉用绝缘磁环及其制作方法

Info

Publication number: CN103553580B
Application number: CN201310484482.8A
Authority: CN
Inventors: 吴丹舟; 何钊煊; 邓亮亮; 孙前颂
Original assignee: XUZHOU XIEXIN SOLAR ENERGY MATERIAL CO Ltd
Current assignee: XUZHOU XIEXIN SOLAR ENERGY MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN103553580A

Abstract

本发明涉及一种多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其以熔融石英砂块料、颗粒料及纯水为原料，通过湿法球磨工艺，制备出待用的原浆，并加入分散剂，减少浆料的研磨时间，增强原浆的分散性能。在原浆中加入不同颗粒级配的50～100目石英砂原料、100～200目或120F石英砂原料，使得浆料体系的颗粒尺寸分布更宽，以更适合后续的注浆成型对浆料的颗粒级配要求。熔融石英材料机械加工精度和易加工能力较佳，因而对后续绝缘磁环打磨抛光设备要求不高，减少了后期打磨抛光设备的投入成本。此外，本发明还涉及一种使用该制作方法制作的绝缘磁环。

Description

多晶硅还原炉用绝缘磁环及其制作方法

技术领域

本发明涉及多晶硅太阳能光伏领域，尤其涉及一种多晶硅还原炉用绝缘磁环及其制作方法。

背景技术

西门子改良法是制备太阳能级多晶硅原料的主流方法。而多晶硅还原炉则是提炼多晶硅棒的专用设备。国内外多晶硅还原炉硅芯击穿启动方式，已由之前电辐射加热器加热方式变革为高压启动方式和低压启动方式（又称预热启动）。其中，低压启动方式即先通过加热装置，使多晶硅还原炉内的硅芯预热到300℃以上，此时硅芯的电阻减小，可以在施加较低电压条件下被击穿。然而低压启动方式易污染硅料，并且加工效率不高。高压启动方式是对多晶硅还原炉的硅芯两端施加高电压（一般要超过4.5kV），使之成为电阻低的导体，从而提升导通电流速度，使硅芯内部温度迅速升高，极大缩短启动时间，提高生产效率，降低能耗。因此，高压启动方式是目前主流的硅芯电极击穿方式。但是由于采用高压启动方式，对多晶硅还原炉内各部件的绝缘要求就变得更加苛刻、严格。

硅芯电极体主要由电极体、加热石墨头硅芯和电极座三大部分构成。在多晶硅还原炉硅芯采用高压启动方式时，由于电压大，电极体和电极座之间采用陶瓷材料的绝缘磁环进行绝缘处理。绝缘磁环位于电极体靠近加热石墨头硅芯一段的间隙内，其上端覆盖于还原炉的内底盘表面上。在多晶硅生产时，为了兼顾多晶硅生产的质量和效率，多晶硅还原炉还原反应的温度既不是越高越好，也不能太低，一般其温度范围在1080℃～1200℃为佳。为了获得单炉多晶硅产量，需要提高多晶硅还原炉内还原反应时间和还原反应的进料温度。因此，作为硅芯电极体中的绝缘磁环，需要在长时间、强电压（＞4.5kV）和较高温度等恶劣工况下保证有足够的耐高压性能和热稳定性。否则，在长时间高温高压运行后，绝缘磁环容易失效，发生热破坏或电击穿，产生生产事故。

发明内容

基于此，有必要提供一种高温稳定性好且绝缘性较佳的多晶硅还原炉用绝缘磁环及其制作方法。

一种多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，包括如下步骤：

按照如下质量百分比称取各组分：20%～30%的纯水、20%～30%的熔融石英砂块料以及40%～60%的4～20目熔融石英砂颗粒，加入分散剂将各组分混合后进行球磨处理，制备中值粒径（D50）为7.0～12.0μm、含水量为15%～25%的原浆，其中，所述分散剂的用量为15～30g/1000kg原浆；

在30～40℃的环境下对所述原浆进行均化陈腐处理，均化陈腐过程中保持对原浆进行持续搅拌，以得到具有如下指标的均化陈腐后的原浆：含水量16%～21%、浆料黏度不大于200cP及pH 5～6；

在30～40℃的环境下，称取质量百分比50%～80%的均化陈腐后的原浆、15%～35%的50～100目熔融石英砂颗粒以及5%～25%的100～200目或120F熔融石英砂粉末混合后进行球磨处理，再加入粘结剂溶液，混匀后制备密度不小于1.8g/cm³、黏度为1500～2500cP、含水量11%～13%、流动性为75～125mm/30s的浇注浆料，其中所述粘结剂溶液中粘结剂与水的质量比为0.5～4:100，粘结剂溶液的加入量为2～4L/1000kg浇注浆料；

以20～30mL/1000kg浇注浆料的比例向所述浇注浆料中加入消泡剂，并对加入消泡剂的所述浇注浆料进行抽真空处理；

在湿度为40%～60%、温度为25～35℃的环境中，将抽真空处理后的浇注浆料浇注进注浆模具中，待所述浇注浆料成型后，进行脱模操作，得到绝缘磁环坯体；

将所述绝缘磁环坯体依次进行烘干、烧结及抛光处理，得到所述多晶硅还原炉用绝缘磁环。

在其中一个实施例中，所述分散剂为聚乙烯二醇硬脂肪酸酯、醇类化合物、聚丙烯烯酸盐酯或聚甲基苯烯酸盐。

在其中一个实施例中，所述粘结剂为羧甲基纤维素或木质素磺酸钠。

在其中一个实施例中，所述消泡剂为正辛醇或聚醚多元醇。

在其中一个实施例中，所述均化陈腐处理的时间为5～7天。

在其中一个实施例中，将均化陈腐后的原浆、50～100目熔融石英砂颗粒以及120F熔融石英砂粉末混合后的球磨处理过程是使用行星球磨机进行球磨处理30分钟，再加入粘结剂搅拌5～10分钟混匀。

在其中一个实施例中，所述将浇注浆料浇注进注浆模具过程中使用加压浇注法，浇注过程中对浇注浆料施加高度差不小于0.3m的压力。

在其中一个实施例中，所述抛光处理包括先用粗磨刀进行粗抛处理，再对粗抛处理后得到的产品使用细磨刀进行精抛处理。

在其中一个实施例中，还包括在抛光处理后得到的绝缘磁环上涂布显影液，在光照下进行内部缺陷检测，将有内部缺陷的产品去除，并将内部缺陷检测合格的产品清洗、烘干后进行耐电压测试，得到产品的最大耐压参数，以得到符合要求的多晶硅还原炉用绝缘磁环。

一种使用上述任一实施例所述的制作方法制作得到的多晶硅还原炉用绝缘磁环。

上述多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法以熔融石英砂块料、颗粒料及纯水为原料，通过湿法球磨工艺，制备出待用的原浆，并加入分散剂，减少浆料的研磨时间，增强原浆的分散性能。在原浆中加入不同颗粒级配的50～100目石英砂原料、100～200目或120F石英砂原料，使得浆料体系的颗粒尺寸分布更宽，以更适合后续的注浆成型对浆料的颗粒级配要求。抽真空处理时，加入消泡剂，可以使得对浆料的抽真空过程进行的更彻底。熔融石英材料机械加工精度和易加工能力较佳，因而对后续绝缘磁环打磨抛光设备要求不高，减少了后期打磨抛光设备的投入成本。

通过该制作方法制作得到的绝缘磁环既能满足多晶硅还原炉硅芯电极对绝缘磁环的耐高压（可达23kV）、耐高温（1200℃，抗热冲击效果极佳）的要求，同时综合成本低，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1为一实施方式的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法流程示意图。

具体实施方式

下面主要结合附图及具体实施例对多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法作进一步详细的说明。

如图1所示，一实施方式的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，包括如下步骤：

步骤S110，制备原浆：按照如下质量百分比称取各组分：20%～30%的纯水、20%～30%的熔融石英砂块料以及40%～60%的4～20目熔融石英砂颗粒，加入分散剂将各组分混合后进行球磨处理，制备中值粒径（D50）为7.0～12.0μm、含水量为15%～25%的原浆。

在本实施方式中，分散剂为有机分散剂，优选聚乙烯二醇硬脂肪酸酯、醇类化合物、聚丙烯烯酸盐酯（其是一种混合物，包括聚丙烯酸、聚丙烯酸盐及聚丙烯酸酯）或聚甲基苯烯酸盐等。分散剂的用量为15～30g/1000kg原浆，优选为20g/1000kg原浆。

步骤S120，原浆均化陈腐：在30～40℃的环境下对原浆进行均化陈腐处理，均化陈腐过程中保持对原浆进行持续搅拌，以得到具有如下指标的均化陈腐后的原浆：含水量16%～21%、浆料黏度不大于200cP及pH 5～6。

在本实施方式中，对原浆进行均化陈腐是在均化容器中，均化时间为5～7天。

步骤S130，制备浇注浆料：在30～40℃的环境下，称取质量百分比50%～80%的均化陈腐后的原浆、15%～35%的50～100目熔融石英砂颗粒以及5%～25%的100～200目或120F熔融石英砂粉末混合后进行球磨处理，再加入粘结剂溶液混匀后制备密度不小于1.8g/cm³、黏度为1500～2500cP、含水量11%～13%、流动性为75～125mm/30s的浇注浆料。

在本实施方式中，粘结剂溶液为羧甲基纤维素或木质素磺酸钠等的水溶液，溶液中粘结剂与溶剂水的质量比为0.5～4:100，优选为3:100。粘结剂溶液的加入量为2～4L/1000kg浇注浆料，优选为3L/1000kg浇注浆料。本步骤的球磨处理是在行星球磨机中进行球磨30分钟。加入粘结剂溶液后，继续搅拌5～10分钟至粘结剂完全分散。

步骤S140，真空除泡：以20～30mL/1000kg浇注浆料的比例向浇注浆料中加入消泡剂，并对加入消泡剂的浇注浆料进行抽真空处理。

在本实施方式中，消泡剂为有机消泡剂，优选正辛醇或聚醚多元醇等。抽真空处理时间优选30～40分钟。

步骤S150，浇注成型制作绝缘磁环坯体：在湿度为40%～60%、温度为25～35℃的环境中，将抽真空处理后的浇注浆料浇注进注浆模具中，待浇注浆料成型后，进行脱模操作，得到绝缘磁环坯体。

注浆模具为根据多晶硅还原炉硅芯电极的实际结构和功能设计。本实施方式的注浆模具配置有压力注浆装置，利用较大的高度差产生的压力，使浆料浇注后处在加大的压力作用下，便于浆料的脱水固化干燥成型。在本实施方式中，将浇注浆料浇注进注浆模具过程中使用加压浇注法，浇注过程中对浇注浆料施加高度差不小于0.3m的压力。通过设置压力注浆装置，对模具中的浇注浆料施加一定的压力，可以得到致密性更高的绝缘磁环坯体。

进一步，在本实施方式中，在浇注浆料浇注前，还包括对注浆模具进行补水和喷石墨处理，随后将注浆模具组装好，并用扎带进行加固。

步骤S160，绝缘磁环坯体的后续处理：将绝缘磁环坯体依次进行烘干、烧结及抛光处理，得到多晶硅还原炉用绝缘磁环。

在本实施方式中，抛光处理包括先用粗磨刀进行粗抛处理，再对粗抛处理后得到的产品使用细磨刀进行精抛处理，以满足多晶硅还原炉硅芯电极对绝缘磁环外部平整度的要求，提高产品的绝缘性能。

步骤S170，产品筛选：在抛光处理后得到的绝缘磁环上涂布显影液，在光照下进行内部缺陷检测，将有内部缺陷的产品去除，并将内部缺陷检测合格的产品清洗、烘干后进行耐电压测试，得到产品的最大耐压参数，对于不能满足多晶硅还原炉硅芯电极要求的最大峰值电压的产品进行淘汰处理，以得到符合要求的多晶硅还原炉用绝缘磁环。

下表1为通过本实施方式的制作方法制作的绝缘磁环与氧化铝材质绝缘磁环、氮化硅材质绝缘磁环的数据对比。

表1

从表1中可以看出，氧化铝材质的绝缘磁环有高温稳定差、尺寸加工精度和易加工能力较差的两大缺陷，而氮化硅材质绝缘磁环虽然性能较为稳定，但其后续加工较复杂，制作的原料成本也较高。而本实施方式的熔融石英绝缘磁环的耐高压（可达23kV）、耐高温（1200℃，抗热冲击效果极佳）等各项性能较佳，同时综合成本低，具有良好的推广应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照如下质量百分比称取各组分：20％～30％的纯水、20％～30％的熔融石英砂块料以及40％～60％的4～20目熔融石英砂颗粒，加入分散剂将各组分混合后进行球磨处理，制备中值粒径为7.0～12.0μm、含水量为15％～25％的原浆，其中，所述分散剂的用量为15～30g/1000kg原浆；

在30～40℃的环境下对所述原浆进行均化陈腐处理，均化陈腐过程中保持对原浆进行持续搅拌，以得到具有如下指标的均化陈腐后的原浆：含水量16％～21％、浆料黏度不大于200cP及pH5～6；

在30～40℃的环境下，称取质量百分比50％～80％的均化陈腐后的原浆、15％～35％的50～100目熔融石英砂颗粒以及5％～25％的100～200目或120F熔融石英砂粉末混合后进行球磨处理，再加入粘结剂溶液，混匀后制备密度不小于1.8g/cm³、黏度为1500～2500cP、含水量11％～13％、流动性为75～125mm/30s的浇注浆料，其中所述粘结剂溶液中粘结剂与水的质量比为0.5～4:100，粘结剂溶液的加入量为2～4L/1000kg浇注浆料；

在湿度为40％～60％、温度为25～35℃的环境中，将抽真空处理后的浇注浆料浇注进注浆模具中，待所述浇注浆料成型后，进行脱模操作，得到绝缘磁环坯体；

2.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，所述分散剂为醇类化合物或聚甲基苯烯酸盐。

3.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，所述粘结剂为羧甲基纤维素或木质素磺酸钠。

4.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，所述消泡剂为正辛醇或聚醚多元醇。

5.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，所述均化陈腐处理的时间为5～7天。

6.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，将均化陈腐后的原浆、50～100目熔融石英砂颗粒以及120F熔融石英砂粉末混合后的球磨处理过程是使用行星球磨机进行球磨处理30分钟，再加入粘结剂搅拌5～10分钟混匀。

7.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，所述将浇注浆料浇注进注浆模具过程中使用加压浇注法，浇注过程中对浇注浆料施加高度差不小于0.3m的作用压力。

8.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，所述抛光处理包括先用粗磨刀进行粗抛处理，再对粗抛处理后得到的产品使用细磨刀进行精抛处理。

9.如权利要求1所述的多晶硅还原炉用绝缘磁环的制作方法，其特征在于，还包括在抛光处理后得到的绝缘磁环上涂布显影液，在光照下进行内部缺陷检测，将有内部缺陷的产品去除，并将内部缺陷检测合格的产品清洗、烘干后进行耐电压测试，得到产品的最大耐压参数，以得到符合要求的多晶硅还原炉用绝缘磁环。

10.一种使用如权利要求1-9中任一项所述的制作方法制作得到的多晶硅还原炉用绝缘磁环。