CN103708465A - 一种利用混渣的介质熔炼工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于介质熔炼领域，具体涉及一种利用混渣的介质熔炼工艺。介质熔炼包括2～3次造渣熔炼，其步骤包括将渣剂与硅料按比例混合后放入熔炼炉内，调整功率分次进行造渣熔炼，介质熔炼结束后，把渣剂倒出，将硅液倒入耐热铸铁模具中冷却后取出，在每次造渣熔炼中，除了最后一次造渣熔炼加入的渣剂为新渣外，其它每次造渣熔炼加入的渣剂是任意比的新渣和旧渣，且每次加入的新渣和旧渣的总质量与最后一次加入的新渣的质量相同。本发明的优点在于：介质熔炼后，所得硅锭中硼杂质含量小于0.3ppmw，渣剂利用率提高100%～200%，耗电量减少2000～3000度/吨，介质熔炼生产成本直接降低4000～8000元/吨。

Description

一种利用混渣的介质熔炼工艺

技术领域

本发明属于介质熔炼领域，具体涉及一种利用混渣的介质熔炼工艺。

背景技术

当今世界能源危机与环境污染压力并存，人们急需清洁、安全，可持续的新能源。太阳能作为满足这样要求的能源，一直都是人们追求的目标。人们对太阳能的使用最早是其热效应的利用，但难以完全满足现代社会的需要。直到半导体光电效应的发现，太阳能电池的制造，人们找到太阳能新的利用方式。硅作为太阳能电池的最理想原料，其中的杂质主要有Fe、Al、Ca等金属杂质和B、P等非金属杂质，而这些杂质元素会降低硅晶粒界面处光生载流子的复合程度，而光生载流子的复合程度又决定了太阳能电池的光电转换效率，所以有效的去除这些杂质在太阳能电池的应用方面有着至关重要的作用。

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯，在冶金法提纯多晶硅的过程中包括介质熔炼、定向凝固、电子束提纯和铸锭工艺。冶金法因具备工艺简单、成本较低的优点极具发展潜力。诸多步骤中以介质熔炼要求设备最为简单，最容易工业化推广。因而介质熔炼最具现实的研究价值和应用前景。

传统的介质熔炼过程中，造渣剂只使用一次，介质熔炼结束后旧渣倒出自然冷却成为废渣。造渣剂成本高，约占介质熔炼总成本的1/3，传统过程渣剂浪费严重，同时单独处理废渣也增加了成本投入。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种利用混渣的介质熔炼工艺，将介质熔炼工艺使用后的渣剂，按照一定比例在新的介质熔炼工艺中重复利用，在保证原工艺效果的基础上，大大降低了渣剂的成本。同时液态条件下进行液态渣剂传输，减少了再次熔化所需热能，降低熔炼的耗电量。

本发明所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，介质熔炼包括2～3次造渣熔炼，其步骤包括将渣剂与硅料按比例混合后放入熔炼炉内，调整功率分次进行造渣熔炼，介质熔炼结束后，把渣剂倒出，将硅液倒入耐热铸铁模具中冷却后取出，在每次造渣熔炼中，除了最后一次造渣熔炼加入的渣剂为新渣外，其它每次造渣熔炼加入的渣剂是任意比的新渣和旧渣，且每次加入的新渣和旧渣的总质量与最后一次加入的新渣的质量相同。

优选方案如下：

每一次造渣熔炼中，硅料与渣剂的质量比为（0.5～3）：1。

当介质熔炼包括2次造渣熔炼时，第一次加入新旧渣剂质量比为(2～4)：1。

当介质熔炼包括3次造渣熔炼时，第一次加入渣剂全部为旧渣，第二次加入新旧渣剂质量比为(0.2～1)：1。

旧渣为参与1～3次造渣熔炼后的渣剂。这部分的渣剂的利用率可以达到70～95%；参与造渣熔炼次数多于3次的渣剂，其中的有效成分已经大量损耗，经多次实验得出，使用参与1～3次造渣熔炼后的渣剂是可以参与进行介质熔炼工艺的。

第一次造渣熔炼在熔炼炉中加入占渣剂总质量15～25%的渣剂和全部待提纯硅料，控制加热功率使硅料全部熔化后，再分3～5次加入剩余渣剂进行熔炼。分次加渣的目的是为了使硅料与渣剂反应完全。

介质熔炼温度为1600～1800℃，每次造渣熔炼中硅料全部熔化后，继续熔炼20～30min，保证渣剂反应完全。

控制造渣熔炼的功率为180～300kW。

在本发明中采用的设备及装置，都是介质熔炼过程中的常用设备，包括盛装反应硅渣料坩埚容器、进行熔炼的熔炼炉和感应加热的线圈等。介质熔炼中的造渣剂为常用造渣剂，包括二氧化钛、二氧化硅、氟化钙、碳酸钠或硅酸钠等组成。在实际工业生产中，可以按照生产需求来增加或者减少熔炼炉子的数量；将熔炼后的旧渣倒入耐热铸铁模具中，尽量保证旧渣剂在液态条件下再次转入其它熔炼炉子进行介质熔炼，以满足工业连续化生产的要求，同时，减少了渣剂由固态变成液态时的时间和能耗，大大的节约了生产成本。

本发明的优点在于：介质熔炼后，所得硅锭中硼杂质含量小于0.3ppmw，渣剂利用率提高100%～200%，耗电量减少2000～3000度/吨，介质熔炼生产成本直接降低4000～8000元/吨。

具体实施方式

以下结合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：

本实施例中，介质熔炼包括2次造渣熔炼。

每份混合渣剂100kg，由80kg新渣（8kg二氧化钛，16kg二氧化硅，8kg氟化钙和48kg的硅酸钠组成）和20kg旧渣组成；向1#炉中加入20kg该混合渣剂，再加入100kg硅料；调节感应线圈，控制加热功率为250kW至硅料全部熔化后，分3次加入剩余80kg渣剂，每次加渣后继续熔炼20min；调节感应线圈，使熔炼温度为1800℃，再将上层渣剂的20kg倒入到装好100kg硅料的2#炉内，剩余旧渣倒入耐热铸铁模具中，2#炉内再加入80kg新渣，调节功率到180kW，使2#炉内硅料全部熔化，2#炉进行第一次造渣熔炼；同时，向1#炉中分4次加入100kg新渣剂，进行1#炉第二次造渣熔炼。

2#炉第一次造渣熔炼结束后，将2#炉的上层渣剂的20kg倒入到装好100kg硅料的3#炉内，剩余旧渣倒入耐热铸铁模具中，3#炉内再加入80kg新渣，调节功率到180kW，使3#炉内硅料全部熔化，3#炉进行第一次造渣熔炼；同时，向2#炉中分4次加入100kg新渣剂，进行2#炉第二次造渣熔炼。

3#炉第一次造渣熔炼结束后，将3#炉的上层渣剂全部倒入耐热铸铁模具中，向3#炉中分4次加入100kg新渣剂，进行3#炉第二次造渣熔炼。

控制功率直到1#、2#、3#炉内硅料完全熔化后，将上层渣剂倒入耐热铸铁模具中，硅液冷却后得到硅锭。

实验统计数据如下：

实验检测结果：GDMS检测仪检测到所得硅锭中的硼杂质含量小于0.3ppmw，符合工艺生产的要求。

实施例2：

本实施例中，介质熔炼包括2次造渣熔炼。

每份混合渣剂100kg，由20kg新渣（8kg二氧化钛，16kg二氧化硅，8kg氟化钙和48kg的硅酸钠组成）和80kg旧渣组成；向1#炉中加入20kg该混合渣剂，再加入100kg硅料；调节感应线圈，控制加热功率为300kW至硅料全部熔化后，分5次加入剩余80kg渣剂，每次加渣后继续熔炼20min；调节感应线圈，使熔炼温度为1600℃，再将上层渣剂的80kg倒入到装好100kg硅料的2#炉内，剩余旧渣倒入耐热铸铁模具中，2#炉内再加入20kg新渣，调节功率到190kW，使2#炉内硅料全部熔化，2#炉进行第一次造渣熔炼；同时，向1#炉中分3次加入100kg新渣剂，进行1#炉第二次造渣熔炼。

2#炉第一次造渣熔炼结束后，将2#炉的上层渣剂的80kg倒入到装好100kg硅料的3#炉内，剩余旧渣倒入耐热铸铁模具中，3#炉内再加入20kg新渣，调节功率到190kW，使3#炉内硅料全部熔化，3#炉进行第一次造渣熔炼；同时，向2#炉中分3次加入100kg新渣剂，进行2#炉第二次造渣熔炼。

3#炉第一次造渣熔炼结束后，将3#炉的上层渣剂全部倒入耐热铸铁模具中，向3#炉中分3次加入100kg新渣剂，进行3#炉第二次造渣熔炼。

控制功率直到1#、2#、3#炉内硅料完全熔化后，将上层渣剂倒入耐热铸铁模具中，硅液冷却后得到硅锭。

实验统计数据如下：

实验检测结果：GDMS检测仪检测到所得硅锭中的硼杂质含量小于0.3ppmw，符合工艺生产的要求。

实施例3：

本实施例中，介质熔炼包括3次造渣熔炼。

每份混合渣剂100kg，由50kg新渣（5kg二氧化钛，15kg二氧化硅，5kg氧化钙和25kg的硅酸钠组成）和50kg旧渣组成；向1#炉中加入25kg旧渣，再加入100kg硅料；调节感应线圈，控制加热功率为220kW至硅料全部熔化后，分4次加入剩余75kg旧渣，每次加渣后继续熔炼25min；调节感应线圈，使熔炼温度为1600℃，再将上层渣剂全部倒入到装好100kg硅料的2#炉内，再加入5kg旧渣，调节功率到190kW,使2#炉内硅料全部熔化，2#炉进行第一次造渣熔炼；同时，向1#炉中分4次加入100kg混合渣剂，进行1#炉第二次造渣熔炼。

2#炉第一次造渣熔炼结束后，将2#炉的上层渣剂全部倒入到装好100kg硅料的3#炉，再加入5kg旧渣，调节功率到180kW，使3#炉内硅料全部熔化，3#炉进行第一次造渣熔炼；3#炉熔炼结束后，将3#炉的上层渣剂全部倒入到耐热铸铁模具中。

2#炉分4次加入100kg混合渣剂，进行2#炉第二次造渣熔炼。调节功率到180kW，使2#炉内硅料全部熔化，2#炉进行第二次造渣熔炼，熔炼结束后，将2#炉的上层渣剂倒入到耐热铸铁模具中。

3#炉分4次加入100kg混合渣剂，进行3#炉第二次造渣熔炼。调节功率到180kW,使3#炉内硅料全部熔化，3#炉进行第二次造渣熔炼，熔炼结束后，将上层渣剂倒入到耐热铸铁模具中。

1#、2#、3#炉每炉都分4次加入100kg新渣剂，进行第三次造渣熔炼，控制功率直到硅料完全熔化后，将上层渣剂倒入耐热铸铁模具中，硅液冷却后得到硅锭。

实验统计数据如下：

实验检测结果：GDMS检测仪检测到所得硅锭中的硼杂质含量小于0.3ppmw，符合工艺生产的要求。

实施例4：

本实施例中，介质熔炼包括3次造渣熔炼。

每份混合渣剂100kg，由40kg新渣（2kg二氧化钛，10kg二氧化硅，2kg氟化钙和26kg的硅酸钠组成）和60kg旧渣组成；向1#炉中加入15kg旧渣，再加入100kg硅料；调节感应线圈，控制加热功率为220kW至硅料全部熔化后，分5次加入剩余85kg旧渣，每次加渣后继续熔炼25min；调节感应线圈，使熔炼温度为1700℃，再将上层渣剂全部倒入到装好100kg硅料的2#炉内，再加入5kg旧渣，调节功率到190kW,使2#炉内硅料全部熔化，2#炉进行第一次造渣熔炼；同时，向1#炉中分5次加入100kg混合渣剂，进行1#炉第二次造渣熔炼。

2#炉第一次造渣熔炼结束后，将2#炉的上层渣剂全部倒入到装好100kg硅料的3#炉，再加入5kg旧渣，调节功率到200kW，使3#炉内硅料全部熔化，3#炉进行第一次造渣熔炼；3#炉熔炼结束后，将3#炉的上层渣剂全部倒入到耐热铸铁模具中。

2#炉分5次加入100kg混合渣剂，进行2#炉第二次造渣熔炼。调节功率到200kW，使2#炉内硅料全部熔化，2#炉进行第二次造渣熔炼，熔炼结束后，将2#炉的上层渣剂倒入到耐热铸铁模具中。

3#炉分5次加入100kg混合渣剂，进行3#炉第二次造渣熔炼。调节功率到200kW,使3#炉内硅料全部熔化，3#炉进行第二次造渣熔炼，熔炼结束后，将上层渣剂倒入到耐热铸铁模具中。

1#、2#、3#炉每炉都分5次加入100kg新渣剂，进行第三次造渣熔炼，控制功率直到硅料完全熔化后，将上层渣剂倒入耐热铸铁模具中，硅液冷却后得到硅锭。

实验统计数据如下：

实验检测结果：GDMS检测仪检测到所得硅锭中的硼杂质含量小于0.3ppmw，符合工艺生产的要求。

在本发明的实施例中，按照工艺生产的要求，在1#炉进行完第一次造渣熔炼后，将上层渣剂倒入到2#炉，此时2#炉进行第一次造渣熔炼，以此循环；在连续生产过程中，1#、2#、3#炉是一个连续循环的过程，本实施例中，只采用了3个熔炼炉，但是本发明并不局限于具体实施例。在实际工业生产中，可以按照生产需求来增加或者减少熔炼炉子的数量；将熔炼后的旧渣倒入耐热铸铁模具中，尽量保证旧渣剂在液态条件下再次转入其它熔炼炉子进行介质熔炼，以满足工业连续化生产的要求，同时，减少了渣剂由固态变成液态时的时间和能耗，大大的节约了生产成本。

Claims (8)

1.一种利用混渣的介质熔炼工艺，介质熔炼包括2～3次造渣熔炼，其步骤包括将渣剂与硅料按比例混合后放入熔炼炉内，调整功率分次进行造渣熔炼，介质熔炼结束后，把渣剂倒出，将硅液倒入耐热铸铁模具中冷却后取出，其特征在于在每次造渣熔炼中，除了最后一次造渣熔炼加入的渣剂为新渣外，其它每次造渣熔炼加入的渣剂是任意比的新渣和旧渣，且每次加入的新渣和旧渣的总质量与最后一次加入的新渣的质量相同。

2.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于每一次造渣熔炼中，硅料与渣剂的质量比为（0.5～3）：1。

3.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于介质熔炼包括2次造渣熔炼，第一次加入新旧渣剂质量比为(2～4)：1。

4.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于介质熔炼包括3次造渣熔炼，第一次加入渣剂全部为旧渣，第二次加入新旧渣剂质量比为(0.2～1)：1。

5.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于所述旧渣为参与1～3次造渣熔炼后的渣剂。

6.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于第一次造渣熔炼在熔炼炉中加入占渣剂总质量15～25%的渣剂和全部待提纯硅料，控制加热功率使硅料全部熔化后，再分3～5次加入剩余渣剂进行熔炼。

7.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于介质熔炼温度为1600～1800℃，每次造渣熔炼中硅料全部熔化后，继续熔炼20～30min。

8.根据权利要求1所述的一种利用混渣的介质熔炼工艺，其特征在于控制造渣熔炼的功率为180～300kW。