CN104071790B - 电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置及方法，装置包括保温炉体、炉膛、坩埚、电磁铁，方法是将硅与一种或几种金属加热熔化形成过共晶的硅合金熔体，然后冷却熔体使过共晶的硅晶体从熔体中结晶析出，同时对熔体施加电磁搅拌加速杂质元素从硅晶体的生长界面处扩散排除，使B，P等杂质留于合金熔体中，促进除杂效果。本发明具有能耗低，无污染，生产效率高，投资规模小，生产工艺和设备操作简单的优点。相比没有电磁搅拌的硅合金凝固结晶提纯，杂质排除速率明显提高，可以显著降低硅合金法提纯的成本，提高硅晶体的纯度和质量。
Description
技术领域
本发明涉及硅提纯技术领域，具体是一种电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置及方法。
背景技术
近年来太阳能光伏发电市场呈现快速增长，制造太阳能电池用的高纯太阳级硅料需求也快速增长。在传统的硅料提纯技术中，化学法一直是主流，化学法提纯的硅料纯度高，质量好，技术成熟，但是化学法提纯工艺复杂且较难控制，并且污染严重，投资大，成本高。而且采用化学方法提纯硅，在太阳能电池生产的产业链中，能源消耗和碳排放的占比高达50％以上。因此，开发具有低能耗，低排放，低成本的硅料提纯技术具有重要的意义。而冶金法提纯具有投资少，占地面积小，建厂快，能耗低，污染小，成本低的优点，因此是一种很有前途的提纯技术。冶金法提纯工艺的主要难点在于关键杂质元素B和P的去除，如果能够实现这两个杂质元素的高效快速去除，将会大力促进冶金法提纯硅技术的发展。
硅合金法提纯是冶金法提纯的一种，它是将硅和Al，Sn，Ga，Cu，Fe等溶剂金属混合熔炼，形成均匀的过共晶合金熔体，然后加以造渣吹气等处理，再冷却结晶，在冷却过程中，过共晶的硅会从熔体中以片状初晶硅形式生长，形成较高纯度的硅，而杂质元素和共晶硅则残留在溶剂金属中，最后要将生长出的片状初晶硅和基体溶剂金属分离，获得提纯过的硅。该方法熔炼温度低，时间短，可以大幅度降低熔炼的能耗，而且可以同时去除B，P以及合金基体元素以外的所有其它杂质元素，工艺相对简单，当熔炼熔体量增大后提纯效果不会下降，十分有利于大规模生产，近年来成为了人们的研究热点。
但是在工业生产中硅合金法提纯所用的Si,Al,Ga,Sn,Cu,Fe等是工业级的原材料，含有较高浓度的多种杂质，当以较慢的速率直接冷却结晶时，杂质元素间发生复杂的交互作用，扩散较慢，容易被生长的初晶硅片捕获而进入硅中，因此生长出的片状初晶硅仍然含有较多的杂质，特别是关键杂质元素B和P的浓度下降较慢，提纯效率不高。电磁搅拌合金熔体具有促进杂质扩散均匀的作用，因此被引入到提纯技术中来。
国际专利WO2013111314A1(K.Kaneko；K.Morita，J.Luo，M.Song，SiliconPurification Method)中,采用冷坩埚熔炼+连续铸造的方法制备Al-Si合金铸锭，对Al-Si合金熔体进行简单的定向凝固和电磁搅拌，分离出硅料后发现取得了较好的提纯效果，B，P和Fe等杂质的去除效率都很高，但是该方法设备复杂昂贵，操作难度大，而且由于采用水冷铜坩埚，大量加热能量被冷却水带走，能耗很高。
中国专利CN202106003U(肖春亭，一种生产过共晶铝硅合金铸锭的装置)中，采用电磁搅拌+垂直半连续铸造的方法对过共晶Al-Si合金组织进行了细化，但是该方法设备复杂昂贵，操作难度大，而且由于采用水冷结晶器，大量的热量被冷却水带走，需要以很高的速度进行连续铸造，再加上电磁搅拌作用，造成初晶硅组织很细，难于和Al-Si基体分离，不适合用于做硅的提纯。
中国专利CN101745620B(徐骏，陈春生，张志峰，梁博，石力开，一种低成本快速制备过共晶铝硅合金棒坯的方法)中，采用电磁搅拌+快速半连续铸造的方法对过共晶Al-Si合金组织进行了细化，但是该方法设备复杂昂贵，操作难度大，而且由于采用水冷结晶器，大量的热量被冷却水带走，需要以很高的速度进行连续铸造，再加上电磁搅拌作用，造成初晶硅组织很细，难于和Al-Si基体分离，不适合用于做硅的提纯。
Yoshikawa等(T.Yoshikawa,K.Morita,Refining of Si by the Solidificationof Si-Al Melt with Electromagnetic Force,ISIJ International,Vol.45(2005),No.7,pp.967-971)利用高频电磁感应加热方式凝固Si-Al合金，产生了电磁搅拌效果，很好地实现了硅的提纯，B和P含量大幅度下降，但是直接电磁感应加热，大量加热能量被冷却水带走，能耗高，设备投资大。
美国专利 US20090074648A1(D.Leblanc,R.Boisvert,Process For TheProduction Of Medium And High Purity Silicon From Metallurgical GradeSilicon)中，在较高纯度的硅料定向凝固时施加电磁搅拌，进一步去除硅料中的金属杂质，但是由于是接近纯硅成分，熔点接近1414℃，在这样高的温度下长时间保温，能耗很高，而且，对关键杂质元素B和P的去除效果很差。
美国专利 US20130104601A1(J.Eriksson,O.Hjortstam,U.Sand,Apparatus andMethod for Crystallization of Silicon)中，在较高纯度的硅料定向凝固时施加电磁搅拌，进一步去除硅料中的金属杂质，但是由于是接近纯硅成分，熔点接近1414℃，在这样高的温度下长时间保温，能耗很高，而且，对关键杂质元素B和P的去除效果很差。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置，以解决现有技术硅提纯技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置，包括有保温炉体，其特征在于：保温炉体内设置有非铁磁耐火隔热材料制成的炉膛，炉膛顶部及底部分别设置为膛口，其中炉膛顶部膛口处盖合有非铁磁耐火隔热材料制成的炉盖，炉膛底部膛口中设置有炉底陶瓷隔热板，炉膛内设置有陶瓷长晶坩埚，陶瓷长晶坩埚由炉底陶瓷隔热板支撑，陶瓷长晶坩埚内盛放有硅合金熔体，还包括电磁铁，所述电磁铁紧贴或靠近设置在炉膛外壁对应硅合金熔体位置，或者电磁铁紧贴或靠近设置在炉底陶瓷隔热板对应硅合金熔体位置，或者电磁铁紧贴或靠近设置在炉盖对应硅合金熔体位置。
所述的电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置，其特征在于：所述炉膛与保温炉体之间还设置有发热体。
所述的电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置，其特征在于：坩埚内的硅合金熔体凝固时，通过电磁铁对硅合金熔体施加交变电磁场，从而在坩埚内的硅合金熔体中产生电磁搅拌力，坩埚内的硅合金熔体在电磁搅拌力的作用下产生对流，促进杂质在硅合金熔体内均匀扩散。
所述的电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置，其特征在于：所述电磁铁由低频电源供电，低频电源的频率为0.1到1000Hz，电磁铁产生的交变电磁场频率亦为0.1到1000Hz。
一种基于电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置的硅提纯方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、配料：将工业硅与熔剂金属混合放入坩埚中，工业硅的比例占硅合金重量的10％～70％；
(2)加热熔炼：将坩埚放入炉膛中加热，直至工业硅和熔剂金属完全熔化为充分混合的合金熔体，然后将合金熔体冷却到稍微高于合金成分液相线的温度；
(3)结晶和电磁搅拌：控制合金熔体以0.01℃/min到10℃/min的冷却速度从液相线温度开始降温至100℃～700℃,硅会以片状的初晶硅晶体形式从熔体中析出并凝固，在硅析出并凝固的同时对合金熔体施加电磁搅拌；
(4)硅晶体与基体的分离：在硅凝固完成后用酸腐蚀去除合金基体，或者在凝固接近完成时将未凝固的合金熔体倒出或将硅晶体从熔体中捞出，均可获得提纯过的B，P以及其他杂质元素含量较低的片状硅晶体。
所述的电磁搅拌硅合金熔体硅提纯方法，其特征在于：步骤(1)中，熔剂金属是Al，或者是Sn，或者是Ga，或者是Cu，或者是Fe，或者是它们形成的合金，成分的配比可以使硅与熔剂金属形成过共晶合金。
所述的电磁搅拌硅合金熔体硅提纯方法，其特征在于：步骤(2)中，加热方式为电阻加热，或者为燃气加热，或者为感应加热，加热熔化温度为500～1500℃。
所述的电磁搅拌硅合金熔体硅提纯方法，其特征在于：步骤(4)中，采用盐酸或者硝酸在硅凝固完成后腐蚀去除合金基体。
本发明的优点是：
1)可以同时去除冶金级硅中的各种杂质，特别是B和P。
2)低能耗，操作温度远低于硅的熔点。
3)无污染，提纯过程中没有废气，废水，废渣等产生。
4)提纯效率高，关键杂质元素B和P的下降都比不施加电磁搅拌的下降快，最终获得的硅结晶体中的B和P的含量值比不施加电磁搅拌的要低。
5)由于电磁铁容易制造，因此投资规模小，设备操作和工艺简单。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置，包括有保温炉体4，保温炉体4内设置有非铁磁耐火隔热材料制成的炉膛6，炉膛6顶部及底部分别设置为膛口，其中炉膛6顶部膛口处盖合有非铁磁耐火隔热材料制成的炉盖3，炉膛6底部膛口中设置有炉底陶瓷隔热板7，炉膛6内设置有陶瓷长晶坩埚1，陶瓷长晶坩埚1由炉底陶瓷隔热板7支撑，陶瓷长晶坩埚1内盛放有硅合金熔体2，还包括电磁铁8，电磁铁8紧贴或靠近设置在炉膛6外壁对应硅合金熔体位置，或者电磁铁8紧贴或靠近设置在炉底陶瓷隔热板7对应硅合金熔体位置，或者电磁铁8紧贴或靠近设置在炉盖3对应硅合金熔体位置。
炉膛6与保温炉体4之间或炉膛顶部或炉膛下部还设置有发热体5。
炉膛6，炉底陶瓷隔热板7和陶瓷长晶坩埚1也可以结合制成一体化坩埚。
坩埚内的硅合金熔体凝固时，通过电磁铁对硅合金熔体施加交变电磁场，从而在坩埚内的硅合金熔体中产生电磁搅拌力，坩埚内的硅合金熔体在电磁搅拌力的作用下产生对流，促进杂质在硅合金熔体内均匀扩散。
电磁铁由低频电源供电，低频电源的频率为0.1到1000Hz，电磁铁产生的交变电磁场频率亦为0.1到1000Hz。
一种电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置的硅提纯方法，包括以下步骤：
(1)、配料：将工业硅与熔剂金属混合放入坩埚中，工业硅的比例占硅合金重量的10％～70％；
(2)加热熔炼：将坩埚放入炉膛中加热，直至工业硅和熔剂金属完全熔化为充分混合的合金熔体，然后将合金熔体冷却到稍微高于合金成分液相线的温度；
(3)结晶和电磁搅拌：控制合金熔体以0.01℃/min到10℃/min的冷却速度从液相线温度开始降温至100℃～700℃,硅会以片状的初晶硅晶体形式从熔体中析出并凝固，在硅析出并凝固的同时对合金熔体施加电磁搅拌；
(4)硅晶体与基体的分离：在硅凝固完成后用酸腐蚀去除合金基体，或者在凝固接近完成时将未凝固的合金熔体倒出或将硅晶体从熔体中捞出，均可获得提纯过的B，P以及其他杂质元素含量较低的片状硅晶体。
熔剂金属是Al，或者是Sn，或者是Ga，或者是Cu，或者是Fe，或者是它们形成的合金，成分的配比可以使硅与熔剂金属形成过共晶合金。
步骤(2)中，加热方式为电阻加热，或者为燃气加热，或者为感应加热，加热熔化温度为500～1500℃。
步骤(4)中，采用盐酸或者硝酸在硅凝固完成后腐蚀去除合金基体。
具体实施例1：
在两个内径80mm高纯氧化铝坩埚中，均放入180g冶金硅(牌号3303)与420g金属铝(纯度98.5％)，硅和铝的典型杂质含量见表1.将第一个装有混合物的坩埚放入图1所示的电磁搅拌硅合金熔体提纯硅的装置内，加热至1050℃使原料熔化并保温半个小时，然后以1.5℃/min的速率冷却熔体至完全凝固，从装置内取出后获得样品A。将第二个装有混合物的坩埚放入图1所示的电磁搅拌硅合金熔体提纯硅的装置内，用同样的方式熔化和冷却，不过在冷却时对电磁铁通电，产生搅拌电磁场，搅拌频率是50Hz，搅拌功率840W，直至熔体完全凝固，从装置内取出后获得样品B。用稀盐酸浸泡去除共晶基体后获得两个样品中的片状初晶硅，进行ICP-OES测试，所得的结果见表2。
表1.原材料中的典型杂质含量(ppmw)
| 杂质元素 | B | P | Al | Fe |
| 原料Si | 29 | 47 | 2377 | 2854 |
| 原料Al | 1 | 30 | Bal | 14152 |
表2.合金1.5℃/min冷却，获得的片状初晶硅杂质含量(ppmw)
| 样品名称 | B | P | Al | Fe |
| A.无电磁搅拌 | 5.5 | 18.4 | 1074 | 196 |
| B.840W搅拌 | 4.4 | 6.2 | 1206 | 20 |
具体实施例2：
在两个内径55mm高纯氧化铝坩埚中，均放入75g冶金硅(牌号3303)与175g金属铝(纯度98.5％)，硅和铝的典型杂质含量见表1.将第一个装有混合物的坩埚放入图1所示的电磁搅拌硅合金熔体提纯硅的装置内，加热至1050℃使原料熔化并保温半个小时，然后以1.5℃/min的速率冷却熔体至完全凝固，从装置内取出后获得样品C。将第二个装有混合物的坩埚放入图1所示的电磁搅拌硅合金熔体提纯硅的装置内，用同样的方式熔化和冷却，不过在冷却时对电磁铁通电，产生搅拌电磁场，搅拌频率是50Hz，搅拌功率2250W，直至熔体完全凝固，从装置内取出后获得样品D。用稀盐酸浸泡去除共晶基体后获得两个样品中的片状初晶硅，进行ICP-OES测试，所得的结果见表3。
表3.合金1.5℃/min冷却，获得的片状初晶硅杂质含量(ppmw)
| 样品名称 | B | P | Al | Fe |
| C.无电磁搅拌 | 9.6 | 13.0 | 919 | 12.9 |
| D.2250W搅拌 | 5.0 | 9.1 | 931 | 11.1 |
具体实施例3：
在两个内径55mm高纯氧化铝坩埚中，均放入75g冶金硅(牌号3303)与175g金属铝(纯度98.5％)，硅和铝的典型杂质含量见表1.将第一个装有混合物的坩埚放入图1所示的电磁搅拌硅合金熔体提纯硅的装置内，加热至1050℃使原料熔化并保温半个小时，然后以0.5℃/min的速率冷却熔体至完全凝固，从装置内取出后获得样品E。将第二个装有混合物的坩埚放入图1所示的电磁搅拌硅合金熔体提纯硅的装置内，用同样的方式熔化和冷却，不过在冷却时对电磁铁通电，产生搅拌电磁场，搅拌频率是50Hz，搅拌功率2250W，直至熔体完全凝固，从装置内取出后获得样品F。用稀盐酸浸泡去除共晶基体后获得两个样品中的片状初晶硅，进行ICP-OES测试，所得的结果见表4。
表4.合金0.5℃/min冷却，获得的片状初晶硅杂质含量(ppmw)
| 样品名称 | B | P | Al | Fe |
| E.无电磁搅拌 | 4.2 | 12.9 | 864. | 26.6 |
| F.2250W搅拌 | 3.7 | 6.4 | 827. | 10.5 |
Claims (3)
1.电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置的硅提纯方法，所述装置包括有保温炉体，其特征在于：保温炉体内设置有非铁磁耐火隔热材料制成的炉膛，炉膛顶部及底部分别设置为膛口，其中炉膛顶部膛口处盖合有非铁磁耐火隔热材料制成的炉盖，炉膛底部膛口中设置有炉底陶瓷隔热板，炉膛内设置有陶瓷长晶坩埚，陶瓷长晶坩埚由炉底陶瓷隔热板支撑，陶瓷长晶坩埚内盛放有硅合金熔体，还包括电磁铁，所述电磁铁紧贴或靠近设置在炉膛外壁对应硅合金熔体位置，或者电磁铁紧贴或靠近设置在炉底陶瓷隔热板对应硅合金熔体位置，或者电磁铁紧贴或靠近设置在炉盖对应硅合金熔体位置；所述炉膛与保温炉体之间或炉膛顶部或炉膛下部还设置有发热体；
装置的硅提纯方法包括以下步骤：
（1）、配料：将工业硅与熔剂金属混合放入坩埚中，工业硅的比例占硅合金重量的10%~70%；熔剂金属是Al，或者是Sn，或者是Ga，或者是Cu，或者是Fe，或者是它们形成的合金，成分的配比使硅与熔剂金属形成过共晶合金；
（2）加热熔炼：将坩埚放入炉膛中加热，直至工业硅和熔剂金属完全熔化为充分混合的合金熔体，然后将合金熔体冷却到稍微高于合金成分液相线的温度；加热方式为电阻加热，或者为燃气加热，或者为感应加热，加热熔化温度为500～1500℃；
（3）结晶和电磁搅拌：控制合金熔体以0.01℃/min到10℃/min的冷却速度从液相线温度开始降温至100℃～700℃, 硅会以片状的初晶硅晶体形式从熔体中析出并凝固，在硅析出并凝固的同时对合金熔体施加电磁搅拌；剩余的熔体在最后凝固时会形成共晶成分的合金基体；
（4）硅晶体与基体的分离：在硅凝固完成后用酸腐蚀去除合金基体，或者在凝固接近完成时将未凝固的合金熔体倒出或将硅晶体从熔体中捞出，均可获得提纯过的B，P以及其他杂质元素含量较低的片状硅晶体；其中，采用盐酸或者硝酸在硅凝固完成后腐蚀去除合金基体。
2.根据权利要求1所述的硅提纯方法，其特征在于：坩埚内的硅合金熔体凝固时，通过电磁铁对硅合金熔体施加交变电磁场，从而在坩埚内的硅合金熔体中产生电磁搅拌力，坩埚内的硅合金熔体在电磁搅拌力的作用下产生对流，促进杂质在硅合金熔体内均匀扩散。
3.根据权利要求1所述的硅提纯方法，其特征在于：所述电磁铁由低频电源供电，低频电源的频率为0.1到1000Hz，电磁铁产生的交变电磁场频率亦为0.1到1000Hz。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| CN101723382A (zh) * | 2008-10-21 | 2010-06-09 | 华南师范大学 | 一种硅的提纯方法 |
| CN101798705A (zh) * | 2010-03-12 | 2010-08-11 | 上海太阳能电池研究与发展中心 | 一种从低温熔体中连续拉晶提纯多晶硅的方法及专用装置 |
| CN102351188A (zh) * | 2011-07-07 | 2012-02-15 | 陈评 | 针状高纯硅聚集体的制备方法及其设备 |
| CN202766659U (zh) * | 2012-08-21 | 2013-03-06 | 北京科技大学 | 一种利用电磁法生产超纯多晶硅锭的装置 |
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