CN104402204B - 一种石英坩埚成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英坩埚成型模具，包括金属合金模具、外模具、多孔合金底座、旋转台、旋转轴，所述的金属合金钢模具的外层套有外模具，所述的金属合金钢模具的底部装有多孔合金底座，所述的多孔合金底座置于旋转台上，所述的旋转台下面设置有旋转轴，本发明具有强度高、使用寿命长、高效利用热能、降低电能消耗的优点，本发明提高了熔制温度，能够快速去除原料中的金属杂质，解决了原材料只能依靠进口石英砂的弊端，而且通过高温熔制提高了颗粒间的紧密结合度，减少了气泡数量，提高了产品质量，缩短了生产周期，提高了生产效率，充分节约了能源，降低了生产成本。

Description

一种石英坩埚成型模具

技术领域

本发明主要涉及用于拉制单晶硅的石英坩埚生产设备，具体涉及一种石英坩埚成型模具。

背景技术

单晶硅是转化太阳能、电能的主要材料。晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90％以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料,硅纯度要求99.999%。

石英坩埚是拉制单晶硅的消耗性器皿，每生产一炉单晶硅就用掉一只石英坩埚。石英坩埚是单晶硅生产关键必需品。因此单晶硅的需求量和石英坩埚的需求量是成正比的。全国单晶硅行业年需坩埚数量在280-360万只左右。目前国内年生产能力仅为200万只，远不能满足国内单晶硅行业的需求。

目前，国内石英坩埚生产企业使用的生产设备源于上世纪70年代初从日本引进的生产设备，该项技术设备自动化程度不高，整个生产过程中更多的依靠人工来实现。

生产石英坩埚的核心技术在于熔制模具。目前的熔制模具主要是采用石墨模具和钢模模具，其普遍存在的问题主要有以下几点：①熔制温度较低，很难剔除原料中的金属杂质；②需加装水冷套，模具耐高温性能差；③模具使用寿命较短，每个石墨模具能够熔制200只坩埚左右，而用生铁浇铸的钢模模具也只能达到600只左右；④原材料要求较高，不能使用品质较低的国产石英砂，只能依赖价格昂贵的进口石英砂；⑤熔制时间较长，生产效率低；⑥能耗太高，电费负担较重。

随着光伏行业的复苏，作为基础材料的制备容器，石英坩埚必定向着高品质，低能耗，大直径，高拉晶成功率方向发展，光伏行业的快速发展对石英坩埚在大直径、高纯度、气泡少、杂质分布高均匀、规格精度高，耐温性能好等专业领域提出了更高的要求。又由于制备石英坩埚的核心技术在于熔制模具，因此，迫切需要一种新的石英坩埚熔制模具的出现来填补市场空白。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的弊端，提供一种强度高、使用寿命长、电能消耗低、节约能源、气泡数量少、生产周期短、成本又低的石英坩埚成型模具。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种石英坩埚成型模具，包括金属合金模具、外模具、多孔合金底座、旋转台、旋转轴，所述的金属合金模具的外层套有外模具，所述的金属合金模具的底部装有多孔合金底座，所述的多孔合金底座置于旋转台上，所述的旋转台下面设置有旋转轴。其中，所述的金属合金模具与所述的外模具之间形成一个空腔，所述的旋转台上装有真空管道，所述的真空管道与所述的空腔相通并且穿过水冷套和金属合金模具的中心孔，所述的真空管道在旋转轴内部汇集成一个真空管道与外部的抽气泵相连接。

所述的金属合金模具设有多个微气孔。

所述的外模具去掉了原来水冷套的冷水循环器，外模具内部填充的是石英棉。

其使用方法包括如下步骤：

步骤一、用抽气泵给模具系统抽气，控制其真空度为0.01pa～0.1pa；

步骤二、向模具内投入石英砂原料；

步骤三、真空电弧高温熔制原料，控制熔制温度为2200ºC～2600ºC，电极棒起弧电压130V～150V，然后高速旋转模具；

步骤四、将模具内部的温度略微降低；

步骤五、变换的倾角，较高温下再次向金属合金模具内投入石英砂原料；

步骤六、再次真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2200ºC～2600ºC，电击棒起弧电压130V～150V，然后高速旋转模具；

步骤七、自然冷却脱离模具。

本发明所具有的有益效果为：一方面，本发明通过对熔制模具材质的改进，采用钨钼锌合金模具，提高了模具强度，使模具在高温熔制过程中不会爆裂，降低了模具的消耗和热处理能耗，减少了能源浪费，延长了模具使用寿命。另一方面，本发明通过模具夹层的改进，解决了传统模具外部需提供为模具降温的水冷套，水冷套内流通循环水，必须有循环水池及循环水泵，而且在产品熔制完成脱模时要进行降温脱模，这种模具操作复杂、生产成本高，模具材料的消耗和热处理能耗高的问题。本发明采用保温石英棉，解决了模具外部需提供水冷套降温，造成热处理能耗的浪费，生产成本高的弊端，通过改进后有效解决了热量损失，提高热能利用率，真正实现了节能降耗的目的。

本发明的使用方法所产生的有益效果为：本发明在使用时采用的是“真空电弧高温熔制”技术，在石英砂熔制坩埚时，提高模具系统的真空度，同时降低电极棒的起弧电压。压力的提升可以使石英砂颗粒间的结合更加紧密，这样大大降低了降低颗粒与颗粒之间的空隙，因而在很大程度上降低了气泡出现的概率，提高拉制单晶硅的拉制成晶率。另外，在熔制过程中，提高了熔制温度，一方面能够快速去除国产石英砂原料中锂、铝、钾、钠等金属杂质，解决了原料只能依赖进口石英砂的弊端，大幅降低了生产成本。另一方面，模具内温度提高后，石英坩埚模内表面呈现的液态化更加彻底，降低液态石英的粘稠度，使坩埚内表层液态石英内部的气泡快速释放，起到了快速移除气泡的作用，同时使石英坩埚的外层石英砂颗粒紧密结合，提高石英坩埚的强度，同时提高了产品质量，缩短了生产周期，节约了熔制时间，使单个成品熔制时间减至9分钟，提高了生产效率，原材料利用率提高到85%以上，降低了生产成本，真正达到节能降耗的目的。

附图说明

图1为本发明的纵向剖面示意图。

图2为本发明的斜视示意图。

图3为本发明的俯视示意图。

图中：1为金属合金模具，2为外模具，3为多孔合金底座，4为旋转台，5为旋转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，而本发明的保护范围并不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种石英坩埚成型模具，包括金属合金模具1、外模具2、多孔合金底座3、旋转台4、旋转轴5，所述的金属合金内模具1的外层套有外模具2，所述的金属合金模具1的底部装有多孔合金底座3，所述的多孔合金底座置3于旋转台4上，所述的旋转台4下面设置有旋转轴5。其中，所述的金属合金模具1与所述的外模具2之间形成一个空腔，所述的旋转台上装有真空管道，所述的真空管道与所述的空腔相通并且穿过外模具2和金属合金模具1的中心孔，所述的真空管道在旋转轴5的内部汇集成一个真空管道与外部的抽气泵相连接。

模具在使用时，首先抽气泵通过与其相连接的真空管道给金属合金模具系统抽气，使其真空度为0.05pa，然后向金属合金模具内投入石英砂原料，当模具系统内达到所需要的真空度后开始加热模具使其内部温度达到2300ºC，控制电极棒起弧电压130V，并通过旋转轴带动金属合金模具高速旋转以实现金属合金模具内石英砂的均匀成型，电极放电以及高温将石英砂熔化成坩埚壁。待坩埚壁成型后，将金属合金模具内的温度略微降低，再变换金属合金模具的倾角，再次向金属合金模具内投入石英砂原料，接着加热模具使其内部温度达2300ºC，控制电极棒起弧电压130V，并通过旋转轴带动金属合金模具高速旋转以实现金属合金模具内石英砂的均匀成型，电极放电以及高温将第二次投入的石英砂熔化成坩埚底。最后是自然冷却成型坩埚脱离模具。

本发明的内模具采用的是钨、钼、锌合金模具，提高了模具强度，使模具在高温熔制过程中不会爆裂，降低了模具的消耗和热处理能耗，减少了能源浪费，延长了模具使用寿命。本发明在使用时，采用“真空电弧高温熔制”技术，同时提高了模具系统的真空度和降低了电极棒的起弧电压。模具在旋转的同时，石英砂可以快速的依附在模具内表面，压力的提升可以使石英砂颗粒间的结合更加紧密，这样大大降低了降低颗粒与颗粒之间的空隙，因而在很大程度上降低了气泡出现的概率，提高拉制单晶硅的拉制成晶率。另外，在熔制过程中熔制温度的提高，一方面能够快速去除国产石英砂原料中锂、铝、钾、钠等金属杂质，解决了原料只能依赖进口石英砂的弊端，大幅降低了生产成本。另一方面，模具内温度提高后，石英坩埚模内表面呈现的液态化更加彻底，降低液态石英的粘稠度，使坩埚内表层液态石英内部的气泡快速释放，达到快速移除气泡，使石英坩埚的外层石英砂颗粒紧密结合，提高石英坩埚的强度，同时提高了产品质量，缩短了生产周期，节约了熔制时间，使单个成品熔制时间减至9分钟，提高了生产效率，原材料利用率提高到85%以上，降低了生产成本，真正达到节能降耗的目的。

综上，本发明具有强度高、使用寿命长、电能消耗低、节约能源、气泡数量少、生产周期短、生产成本低的优点。

实施例2

如图1、图2和图3所示，一种石英坩埚成型模具，包括金属合金模具1、外模具2、多孔合金底座3、旋转台4、旋转轴5，所述的金属合金内模具1的外层套有外模具2，所述的金属合金模具1的底部装有多孔合金底座3，所述的多孔合金底座置3于旋转台4上，所述的旋转台4下面设置有旋转轴5。其中，所述的金属合金模具1与所述的外模具2之间形成一个空腔，所述的旋转台上装有真空管道，所述的真空管道与所述的空腔相通并且穿过外模具2和金属合金模具1的中心孔，所述的真空管道在旋转轴5的内部汇集成一个真空管道与外部的抽气泵相连接。

所述的金属合金模具1设有多个微气孔。

所述的外模具2去掉了原来水冷套的冷水循环器，外模具内部填充的是石英棉。

模具在使用时，首先抽气泵通过与其相连接的真空管道给金属合金模具系统抽气，使其真空度为0.07pa，然后向金属合金模具内投入石英砂原料，当模具系统内达到所需要的真空度后开始加热模具使其内部温度达到2400ºC，控制电极棒起弧电压140V，并通过旋转轴带动金属合金模具高速旋转以实现金属合金模具内石英砂的均匀成型，电极放电以及高温将石英砂熔化成坩埚壁。待坩埚壁成型后，将金属合金模具内的温度略微降低，再变换金属合金模具的倾角，再次向金属合金模具内投入石英砂原料，接着加热模具使其内部温度达2400ºC，控制电极棒起弧电压140V，并通过旋转轴带动金属合金模具高速旋转以实现金属合金模具内石英砂的均匀成型，电极放电以及高温将第二次投入的石英砂熔化成坩埚底。最后是自然冷却成型坩埚脱离模具。

本发明的内模具采用的是钨、钼、锌合金模具，提高了模具强度，使模具在高温熔制过程中不会爆裂，降低了模具的消耗和热处理能耗，减少了能源浪费，延长了模具使用寿命。本发明的外模具去掉了原来水冷套的冷水循环器，内部填充保温石英棉，解决了模具外部需提供水冷套降温，造成热处理能耗的浪费，生产成本高的弊端，通过改进后有效解决了热量损失，提高热能利用率。本发明在使用时，采用“真空电弧高温熔制”技术，同时提高了模具系统的真空度和降低了电极棒的起弧电压。模具在旋转的同时，石英砂可以快速的依附在模具内表面，压力的提升可以使石英砂颗粒间的结合更加紧密，这样大大降低了降低颗粒与颗粒之间的空隙，因而在很大程度上降低了气泡出现的概率，提高拉制单晶硅的拉制成晶率。另外，在熔制过程中熔制温度的提高，一方面能够快速去除国产石英砂原料中锂、铝、钾、钠等金属杂质，解决了原料只能依赖进口石英砂的弊端，大幅降低了生产成本。另一方面，模具内温度提高后，石英坩埚模内表面呈现的液态化更加彻底，降低液态石英的粘稠度，使坩埚内表层液态石英内部的气泡快速释放，达到快速移除气泡，使石英坩埚的外层石英砂颗粒紧密结合，提高石英坩埚的强度，同时提高了产品质量，缩短了生产周期，节约了熔制时间，使单个成品熔制时间减至9分钟，提高了生产效率，原材料利用率提高到85%以上，降低了生产成本，真正达到节能降耗的目的。

综上，本发明具有强度高、使用寿命长、电能消耗低、节约能源、气泡数量少、生产周期短、生产成本低的优点。

实施例3

如图1、图2和图3所示，一种石英坩埚成型模具，包括金属合金模具1、外模具2、多孔合金底座3、旋转台4、旋转轴5，所述的金属合金内模具1的外层套有外模具2，所述的金属合金模具1的底部装有多孔合金底座3，所述的多孔合金底座置3于旋转台4上，所述的旋转台4下面设置有旋转轴5。其中，所述的金属合金模具1与所述的外模具2之间形成一个空腔，所述的旋转台上装有真空管道，所述的真空管道与所述的空腔相通并且穿过外模具2和金属合金模具1的中心孔，所述的真空管道在旋转轴5的内部汇集成一个真空管道与外部的抽气泵相连接。

所述的金属合金模具1设有多个微气孔。

所述的外模具2去掉了原来水冷套的冷水循环器，外模具内部填充的是石英棉。

模模具在使用时，首先抽气泵通过与其相连接的真空管道给金属合金模具系统抽气，使其真空度为0.09pa，然后向金属合金模具内投入石英砂原料，当模具系统内达到所需要的真空度后开始加热模具使其内部温度达到2500ºC，控制电极棒起弧电压150V，并通过旋转轴带动金属合金模具高速旋转以实现金属合金模具内石英砂的均匀成型，电极放电以及高温将石英砂熔化成坩埚壁。待坩埚壁成型后，将金属合金模具内的温度略微降低，再变换金属合金模具的倾角，再次向金属合金模具内投入石英砂原料，接着加热模具使其内部温度达2500ºC，控制电极棒起弧电压150V，并通过旋转轴带动金属合金模具高速旋转以实现金属合金模具内石英砂的均匀成型，电极放电以及高温将第二次投入的石英砂熔化成坩埚底。最后是自然冷却成型坩埚脱离模具。

本发明的内模具采用的是钨、钼、锌合金模具，提高了模具强度，使模具在高温熔制过程中不会爆裂，降低了模具的消耗和热处理能耗，减少了能源浪费，延长了模具使用寿命。本发明的外模具去掉了原来水冷套的冷水循环器，内部填充保温石英棉，解决了模具外部需提供水冷套降温，造成热处理能耗的浪费，生产成本高的弊端，通过改进后有效解决了热量损失，提高热能利用率。本发明在使用时，采用“真空电弧高温熔制”技术，同时提高了模具系统的真空度和降低了电极棒的起弧电压。模具在旋转的同时，石英砂可以快速的依附在模具内表面，压力的提升可以使石英砂颗粒间的结合更加紧密，这样大大降低了降低颗粒与颗粒之间的空隙，因而在很大程度上降低了气泡出现的概率，提高拉制单晶硅的拉制成晶率。另外，在熔制过程中熔制温度的提高，一方面能够快速去除国产石英砂原料中锂、铝、钾、钠等金属杂质，解决了原料只能依赖进口石英砂的弊端，大幅降低了生产成本。另一方面，模具内温度提高后，石英坩埚模内表面呈现的液态化更加彻底，降低液态石英的粘稠度，使坩埚内表层液态石英内部的气泡快速释放，达到快速移除气泡，使石英坩埚的外层石英砂颗粒紧密结合，提高石英坩埚的强度，同时提高了产品质量，缩短了生产周期，节约了熔制时间，使单个成品熔制时间减至9分钟，提高了生产效率，原材料利用率提高到85%以上，降低了生产成本，真正达到节能降耗的目的。

综上，本发明具有强度高、使用寿命长、电能消耗低、节约能源、气泡数量少、生产周期短、生产成本低的优点。

以上所述只是本发明的几个实施例而已，并非是对本发明做出的任何形式的限制。应当指出，任何本专业内的普通技术人员都可以根据上述实施例揭示的技术内容做出若干改进。在未脱离本发明技术原理的前提下，根据本发明的方案内容做出的任何改进都落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种石英坩埚成型模具，其特征在于：包括金属合金模模具、外模具、多孔合金底座、旋转台、旋转轴，所述的金属合金模具设有多个微气孔，金属合金模具的外层套有外模具，所述的外模具去掉了原来水冷套的冷水循环器，外模具内部填充的是石英棉，所述的金属合金模具的底部装有多孔合金底座，所述的多孔合金底座置于旋转台上，所述的旋转台下面设置有旋转轴，所述的金属合金模具与所述的外模具之间形成一个空腔，所述的旋转台上装有真空管道，所述的真空管道与所述的空腔相通并且穿过外模具和金属合金模具的中心孔，所述的真空管道在旋转轴内部汇集成一个真空管道与外部的抽气泵相连接，其使用方法包括如下步骤：

步骤一、用抽气泵给模具系统抽气，控制其真空度为0.01pa～0.1pa；

步骤二、向模具内投入石英砂原料；

步骤三、真空电弧高温熔制原料，控制熔制温度为2200ºC～2600ºC，电极棒起弧电压130V～150V，然后高速旋转模具；

步骤四、将模具内部的温度略微降低；

步骤五、变换模具的倾角，较高温下再次向金属合金模具内投入石英砂原料；

步骤六、再次真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2200ºC～2600ºC，电极棒起弧电压130V～150V，然后高速旋转模具；

步骤七、自然冷却脱离模具。

2.如权利要求1所述的一种石英坩埚成型模具，其特征在于：其使用方法包括如下步骤：

步骤一、用抽气泵给模具系统抽气，控制其真空度为0.01pa～0.1pa；

步骤二、向模具内投入石英砂原料；

步骤三、真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2300ºC，电极棒起弧电压130V，然后高速旋转模具；

步骤四、将模具内部的温度略微降低；

步骤五、变换模具的倾角，较高温下再次向金属合金模具内投入石英砂原料；

步骤六、再次真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2300ºC，电极棒起弧电压130V，然后高速旋转模具；

步骤七、自然冷却脱离模具。

3.如权利要求1所述的一种石英坩埚成型模具，其特征在于：其使用方法包括如下步骤：

步骤一、用抽气泵给模具系统抽气，控制其真空度为0.01pa～0.1pa；

步骤二、向模具内投入石英砂原料；

步骤三、真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2400ºC，电极棒起弧电压140V，然后高速旋转模具；

步骤四、将模具内部的温度略微降低；

步骤五、变换模具的倾角，较高温下再次向金属合金模具内投入石英砂原料；

步骤六、再次真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2400ºC，电极棒起弧电压140V，然后高速旋转模具；

步骤七、自然冷却脱离模具。

4.如权利要求1所述的一种石英坩埚成型模具，其特征在于：其使用方法包括如下步骤：

步骤一、用抽气泵给模具系统抽气，控制其真空度为0.01pa～0.1pa；

步骤二、向模具内投入石英砂原料；

步骤三、真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2500ºC，电极棒起弧电压150V，然后高速旋转模具；

步骤四、将模具内部的温度略微降低；

步骤五、变换的倾角，较高温下再次向金属合金模具内投入石英砂原料；

步骤六、再次真空电弧高温熔制原料，其中熔制温度为2500ºC，电极棒起弧电压150V，然后高速旋转模具；

步骤七、自然冷却脱离模具。