CN104928486A

CN104928486A - 一种分离硅及铝硅合金的方法

Info

Publication number: CN104928486A
Application number: CN201510318445.9A
Authority: CN
Inventors: 余文轴; 郑忠; 田茂洪; 陈红生; 高小强
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: CN104928486B

Abstract

本发明公开一种分离硅及铝硅合金的方法，将过共晶铝硅合金加热至熔化，然后对熔体采用从上到下的吹氩气或氮气搅拌处理，同时对熔体进行向下定向凝固处理，使熔体下部粘度高，上部粘度低，逐渐析出的固相硅颗粒在气流搅拌力的作用下，从上部粘度低的区域运动至下部粘度高的区域，在熔体下部逐渐富集成硅团，得到高纯硅，而上部保留的液相铝硅熔体通过冷却成形，得到铝硅合金锭。本发明方法工艺流程短、能耗低、生产成本低廉；采用本发明方法获得的铝硅合金中硅的含量在11.8%～12.6%之间，铁的含量小于0.5%，余量为铝，铝硅合金成分符合国家牌号标准；获得的高纯硅纯度高于99.999%，品质优良。

Description

一种分离硅及铝硅合金的方法

技术领域

本发明属于分离提纯冶金技术领域，具体涉及一种分离硅及铝硅合金的方法。

背景技术

铝硅合金是铝加工行业最常用必不可少的中间合金；铝硅合金还被用作炼钢时使用的脱氧剂和发热剂，铝硅合金在高温时还原性很强，如果在冶炼时使用铝硅合金作为脱氧剂，可以减少钢产生皮下气泡的敏感性，从而提高钢的质量；铝硅合金作为发热剂可用于冶炼高熔点金属，如：铬、锰、钼、钒等。目前铝硅合金世界年需求量达数百万吨，中国每年需求铝硅合金50万吨。铝硅合金质轻而坚韧，铸造性能好，具有良好的机械强度，耐腐蚀性强，合金熔点低，适用于铸造形状复杂、要求高强度、高耐腐蚀性、高气密性的铝合金铸件和压铸公差小、表面质量高的铝合金铸件，一般用于汽车、拖拉机、船舶、飞机、火箭及内燃机车零件以及医疗器械、仪器零件、日用品、装饰用品、电子工业、建筑业等行业或领域。

目前硅仍是太阳能电池最重要的转换材料，特别是晶体硅太阳能电池，2012年晶体硅电池所占比例约90%，且硅太阳能电池组件的转化效率研究在2014年也取得了一些可喜的技术进步，为进一步推广硅太阳能电池的应用奠定了坚实的基础。中国工程院咨询项目组专家根据广泛调研可知，2020年估计世界太阳能发电占到世界总能源的0.01%，需要多晶硅13万吨，到2030年，太阳能发电达到10%，需要多晶硅1300万吨，到2050年，太阳能发电达到20%，则需要多晶硅2600万吨；由此可见，对硅的需求量正在逐步加大。

现有铝硅合金的生产方法主要有兑掺法、熔盐电解法以及电热法等等。目前在我国主要是采用兑掺法生产的，即用电解法生产的原铝和用工业生产的硅经过重熔、按比例熔融混合制得。这样从矿石到成品要经过氧化铝厂、电解铝厂、工业硅厂等多道工序才能完成，使得生产流程长、能耗高，而使铝硅合金成本居高不下，且生产过程对环境影响大，具有一定的缺陷。

现有世界上其他国家制备高纯硅的方法主要有：用氢气还原SiHCl₃并在硅芯发热体上沉积硅的西门子法以及SiH₄热分解制备高纯硅的硅烷法；其中，西门子法技术成熟，但是这种生产技术投资大、生产成本高、成本降低潜力不大；硅烷法在生产过程中产生易爆气体，带来了安全隐患。而我国的高纯硅生产基本上都是采用改良西门子法的技术路线，生产成本远高于国际先进水平。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种分离硅和铝硅合金的方法，使其可以从过共晶铝硅合金中分离出高纯硅和铝硅合金，且具有工艺流程短、能耗低、生产成本低廉的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种分离硅和铝硅合金的方法，将过共晶铝硅合金加热至熔化，然后对熔体采用从上到下的吹氩气或氮气搅拌处理，同时对熔体进行向下定向凝固处理，使熔体下部逐渐富集成硅团，得到高纯硅，而上部保留的液相铝硅熔体通过冷却成形，得到铝硅合金锭。

这样，在熔体向下定向凝固的过程中，熔体下部粘度高，上部粘度低，逐渐析出的深褐色固相硅颗粒在气流搅拌力的作用下，从上部粘度低的区域运动至下部粘度高的区域，并在下部逐渐富集成硅团，而液相铝硅熔体则在上部，分别得到高纯硅和铝硅合金锭。

作为优化，上述分离硅和铝硅合金的方法，具体包括如下步骤：

（1）原料预处理：将过共晶铝硅合金置于炉内加热至铝硅合金熔化；其中，控制炉内操作压力为常压，加热温度为580～1900℃，加热时间为10～200分钟；

（2）吹气搅拌定向凝固处理：对步骤1）熔化后的熔体采取从上到下吹氩气或氮气搅拌处理，同时对熔体进行向下定向凝固处理，使逐渐析出的固相硅颗粒在气流搅拌力的作用下，在熔体下部逐渐富集成团；而液相铝硅熔体则保留在上部；其中，吹氩气或氮气的气体流量为1～10000 mL/s；向下定向凝固处理的凝固速率为2～20000 μm/s；

（3）抬包倾倒分离：将步骤（2）中所获得的上部液相铝硅熔体冷却成形，得到铝硅合金锭；而下部富集成团的硅则为高纯硅。

采用加热温度为580～1900℃，加热时间为10～200分钟，可以使过共晶铝合金充分熔化为熔体；吹氩气或氮气的气体流量为1～10000 mL/s，既避免了气体流量过慢导致硅与铝硅合金分离效果不好的问题，又避免采用过大气体流量而加大生产成本的问题；向下定向凝固处理的凝固速率为2～20000 μm/s，保证了熔体上下部分的粘度差，使析出的硅颗粒可以运动至下部的高粘度区域，富集成硅团，达到分离效果。

作为优化，所述过共晶铝硅合金优选铝硅比为1:1的过共晶铝硅合金。采用铝硅比为1:1的过共晶铝硅合金，具有更优良的分离效果，使分离出的硅达到高纯度。

作为又一优化，步骤1）中所述加热温度优选1100℃。在此温度下，铝硅合金可以充分熔化为熔体，又避免使用过高加热温度浪费能源的问题。

作为再一优化，步骤1）中所述加热时间优选30分钟。加热30分钟，可以在保证充分熔化的同时，节约能源。

作为另一优化，步骤2）中所述吹氩气或氮气的气体流量优选5 mL/s。在此气体流量下，析出的硅颗粒可以更均匀地运动至熔体下部，形成高纯硅，保证分离效果。

作为进一步优化，步骤2）中所述凝固速率优选10 μm/s。在此凝固速率下，可以保证熔体上下部形成合适的粘度差，使析出的硅颗粒能更加完全地在熔体下部富集，保证分离效果。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过吹气搅拌定向凝固处理，使熔体上下部形成粘度差，使析出的硅颗粒在气流搅拌力的作用下，从熔体上部粘度低的区域运动至下部粘度高的区域，在熔体下部富集，达到分离效果，得到高纯硅和铝硅合金；经检测采用本发明方法分离得到的铝硅合金中硅的含量在11.8%～12.6%之间，铁的含量小于0.5%，余量为铝，铝硅合金成分符合国家牌号标准，获得的高纯硅纯度高于99.999%，经济效益高，产品质量好。

2、本发明方法工艺流程短、工艺操作简单、生产成本低，且采用的设备均为常用设备，具有良好的市场前景，可推广性强。

3、本发明方法实施过程中并未产生危险副产物，不存在安全隐患，也不会对环境造成不良影响，具有友好性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

实施例1 一种分离硅和铝硅合金的方法，包括如下步骤：

1）用铝硅比为6:1的过共晶铝硅合金为原料，在炉内将所述过共晶铝硅合金加热至熔化；控制炉内操作压力为常压，加热温度为750℃，加热时间为30分钟。

2）然后对步骤1）熔化后的熔体采取从上到下吹氩气搅拌处理，氩气的流量为5 mL/s；同时对熔体进行向下定向凝固处理，凝固速率为1000 μm/s；在熔体向下定向凝固的过程中，熔体下部粘度高，上部粘度低，逐渐析出的深褐色固相硅颗粒在气流搅拌力的作用下，从上部粘度低的区域运动至下部粘度高的区域，并在下部逐渐富集成团，而液相铝硅熔体则在上部。

3）将步骤2）所获得的上部液相铝硅熔体从容器中倒入铸模中冷却成形，得到铝硅合金锭；而下部富集成团的硅则留在容器中，得到高纯硅。

采用本实施例分离方法，获得的铝硅合金中硅的含量为12.5%，铁的含量为0.45%，余量为铝，铝硅合金成分符合国家牌号标准；获得的高纯硅纯度为99.9995%，具有极高纯度。

实施例2 一种分离硅和铝硅合金的方法，包括如下步骤：

1）采用铝硅比为1:1的过共晶铝硅合金为原料，在炉内将所述过共晶铝硅合金加热至熔化；控制炉内操作压力为常压，加热温度为1100℃，加热时间为60分钟。

2）然后对步骤1）熔化后的熔体采取从上到下吹氮气搅拌处理，氮气流量为100 mL/s；同时对熔体进行向下定向凝固处理，凝固速率为100 μm/s；在熔体向下定向凝固的过程中，熔体下部粘度高，上部粘度低，逐渐析出的深褐色固相硅颗粒在气流搅拌力的作用下，从上部粘度低的区域运动至下部粘度高的区域，并在下部逐渐富集成团，而液相铝硅熔体则在上部。

采用本实施例分离方法，获得的铝硅合金中硅的含量为12.3%，铁的含量为0.41%，余量为铝，铝硅合金成分符合国家牌号标准；获得的高纯硅纯度高达99.9996%

实施例3 一种分离硅和铝硅合金的方法，包括如下步骤：

1）采用铝硅比为1:6的过共晶铝硅合金为原料，在炉内将所述过共晶铝硅合金加热至熔化；控制炉内操作压力为常压，加热温度为1400℃，加热时间为80分钟。

2）然后对步骤1）熔化后的熔体采取从上到下吹氩气搅拌处理，氩气流量为500 mL/s；同时对熔体进行向下定向凝固处理，凝固速率为10 μm/s；在熔体向下定向凝固的过程中，熔体下部粘度高，上部粘度低，逐渐析出的深褐色固相硅颗粒在气流搅拌力的作用下，从上部粘度低的区域运动至下部粘度高的区域，并在下部逐渐富集成团，而液相铝硅熔体则在上部。

采用本实施例分离方法，获得的铝硅合金中硅的含量为12.1%，铁的含量为0.36%，余量为铝，铝硅合金成分符合国家牌号标准；获得的高纯硅纯度为99.9998%。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，将过共晶铝硅合金加热至熔化，然后对熔体采用从上到下的吹氩气或氮气搅拌处理，同时对熔体进行向下定向凝固处理，使熔体下部逐渐富集成硅团，得到高纯硅，而上部保留的液相铝硅熔体通过冷却成形，得到铝硅合金锭。

2.根据权利要求1所述分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，所述过共晶铝硅合金优选铝硅比为1:1的过共晶铝硅合金。

4.根据权利要求2所述分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，步骤1）中所述加热温度优选1100℃。

5.根据权利要求2所述分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，步骤1）中所述加热时间优选30分钟。

6.根据权利要求2所述分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，步骤2）中所述吹氩气或氮气的气体流量优选5 mL/s。

7.根据权利要求2所述分离硅和铝硅合金的方法，其特征在于，步骤2）中所述凝固速率优选10 μm/s。