CN109133069A

CN109133069A - 精炼法提纯工业硅的工艺及设备

Info

Publication number: CN109133069A
Application number: CN201811376972.5A
Authority: CN
Inventors: 羊实; 庹开正
Original assignee: Chengdu Sili Kang Polytron Technologies Inc
Current assignee: Chengdu Sili Kang Polytron Technologies Inc
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明公开了精炼法提纯工业硅的工艺及设备，具体步骤为：将造渣剂粉碎后，加水润湿造粒获得粒径为40～80目、密度为3.0～3.5g/cm^3、湿度为10～15％的精炼颗粒制剂；将硅熔体注入包体内，同时向包体内通入精炼气、加入精炼颗粒制剂，在1450～1550℃温度条件下进行精炼2～8h；冷却至室温，进行渣硅分离获得精炼硅。本发明通过优化各组分及配比提供造渣剂、以及基于上述造渣剂的造渣精炼提纯工业硅工艺、设备，利于促进造渣剂与硅熔体混合均匀，除杂效果显著，可以将工业硅中的硼、铝、钙等杂质显著降低，有效避免引入新的杂质，获得纯度较高的高品质的工业硅；且对于低含量的硼杂质去除效率较高；操作工艺简单，对设备要求低，成本较低。

Description

精炼法提纯工业硅的工艺及设备

技术领域

本发明涉及一种太阳能多晶硅技术领域，具体涉及一种精炼法提纯工业硅的工艺及设备。

背景技术

相关研究表明，大面积使用太阳能光伏发电电能，能有效减少二氧化碳的排放，减少温室效应，改善地球气候。光伏产业的迅速发展带来了太阳能级硅(Solar GradeSilicon,SOG-Si)的短缺，造成满足光伏产业要求的多晶硅价格不断攀升。目前，太阳能级硅材料没有形成独立的供应系统，大部分来源于电子级硅的废料以及单晶硅的头尾料，远远不能满足太阳能电池产业快速发展的需求，原料供应已成为制约光伏产业发展的瓶颈。商业上，硅通常是在石墨电极的电弧炉中由高纯度的二氧化硅和焦炭反应得到的，这种方法得到的硅纯度至少为95％，被称为工业硅(Metallurgical Grade Silicon，MG-Si)。但是，要制成太阳能电池，有些杂质元素的含量不能超过1ppmw。为了满足日益增长的对有太阳能级硅的需要，开发一种低成本精炼硅的冶金法已是刻不容缓。

其中，造渣精炼是一种相对耗时少，能耗低的冶金级硅提纯技术，对新能源时代太阳能的发展具有重要影响。日本东京大学的L.A.V.Teixeira等人在论文“Behavior andState of Boron in CaO-SiO2Slags during Refining ofSolar Grade Silicon”(ISIJInt.2009,49:777-782)中提出，CaO-SiO2二元渣混合冶金级硅放，在1823K下通氩气保护的感应炉中氧化精炼，得杂质硼元素的分配系数(LB)最大为和5.5，精炼后硅中最低硼含量为1.9ppmw。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中采用造渣精炼提纯工业硅过程中，精炼后对硼杂质的除去效率较低，本发明提供了解决上述问题的精炼法提纯工业硅的工艺及设备。

本发明通过下述技术方案实现：

精炼法提纯工业硅的工艺，具体步骤为：

步骤A，将造渣剂粉碎后，加水润湿造粒获得粒径为40～80目、密度为3.0～3.5g/cm³、湿度为10～15％的精炼颗粒制剂；

步骤B，将硅熔体注入包体内，同时向包体内通入精炼气、加入精炼颗粒制剂，在1450～1550℃温度条件下进行精炼2～8h；

步骤C，冷却至室温，进行渣硅分离获得精炼硅。

优选地，所述造渣剂采用BaO、NaO和SiO₂的混合物。

优选地，所述BaO、NaO和SiO₂的配比为2:5:1。

优选地，所述步骤A中，将造渣剂粉碎成粒径为100～120目的粉末后，加入水、水合硅酸镁细粉混合均匀用于造粒；造渣剂与水合硅酸镁细粉的质量配比10:0.3。

优选地，所述步骤B中，造渣剂和硅熔体的质量配比为1:10～1:5。

优选地，所述步骤B中精炼气体为空气和氩气混合气。

优选地，所述步骤B中，通入精炼气的流量为20～28L/min，包体内气压为0.6～1.0MPa。

实施上述精炼法提纯工业硅的工艺的设备，包括包体，所述包体的侧壁上开设有若干进气孔，若干进气孔沿包体的周向均匀分布，每个进气孔的轴线方向与包体的轴线方向平行；进气孔的底部延伸至包体的底部，且通过透气砖与包体内部连通，进气孔的顶部与进气元件连通；包体的顶部敞口端设有盖板，盖板上设有进料管。

优选地，所述盖板为中空壳体结构，盖板的下板面上凸设有若干与进气孔敞口端嵌入适配的导管，导管连通进气孔和盖板的中空腔室；盖板上还设有进气管，进气管与盖板的中空腔室连通。

优选地，若干进气孔底部的透气砖在沿周向方向上错位排布。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过优化各组分及配比提供造渣剂、以及基于上述造渣剂的造渣精炼提纯工业硅工艺，造渣剂颗粒制剂中的表面水及结晶水进入硅熔体后会立即蒸发成水蒸气，一方面大大促进造渣剂与硅熔体混合均匀，另一方面直接用作精炼气作用，除杂效果显著，可以将工业硅中的硼、铝、钙等杂质显著降低，且有效避免引入新的杂质，获得纯度较高的高品质的工业硅；且对于低含量的硼杂质去除效率较高；操作工艺简单，对设备要求低，成本较低，能耗低，污染小，对环境友好；

2、本发明提供的提纯工业硅设备，精炼气体经包体侧壁开设的进气孔底部的通入，且开设多个进气孔，多个进气孔底部的透气砖出气气流方向错位排布，利于在气流最大限度搅动硅熔体，使硅熔体、造渣剂及精炼气混合均匀，提高提纯效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的轴向截面结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-包体，2-进气孔，3-透气砖，4-盖板，5-进料管，6-导管，7-进气管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种精炼法提纯工业硅的工艺，具体步骤为：

步骤A，将造渣剂粉碎后，加水润湿造粒获得粒径为40～80目、密度为3.0g/cm3、湿度为10～15％的精炼颗粒制剂；所述造渣剂采用6gBaO、15gNaO和3gSiO₂的混合物，BaO、NaO和SiO₂的配比为2:5:1；将造渣剂粉碎成粒径为100～120目的粉末后，加入水、0.72g水合硅酸镁细粉混合均匀用于造粒；造渣剂与水合硅酸镁细粉的质量配比10:0.3；

步骤B，将硅熔体注入包体内，同时向包体内通入精炼气、加入精炼颗粒制剂，在1450℃温度条件下进行精炼8h；造渣剂和硅熔体的质量配比为1:5；精炼气体为空气和氩气混合气，通入精炼气的流量为20L/min，包体内气压为0.6MPa；

步骤C，冷却至室温，进行渣硅分离获得精炼硅。

实施例2

步骤A，将造渣剂粉碎后，加水润湿造粒获得粒径为40～80目、密度为3.5g/cm3、湿度为10～15％的精炼颗粒制剂；所述造渣剂采用8gBaO、20gNaO和4gSiO₂的混合物，BaO、NaO和SiO₂的配比为2:5:1；将造渣剂粉碎成粒径为100～120目的粉末后，加入水、0.96水合硅酸镁细粉混合均匀用于造粒；造渣剂与水合硅酸镁细粉的质量配比10:0.3；

步骤B，将硅熔体注入包体内，同时向包体内通入精炼气、加入精炼颗粒制剂，在1550℃温度条件下进行精炼2h；造渣剂和硅熔体的质量配比为1:10；精炼气体为空气和氩气混合气，通入精炼气的流量为28L/min，包体内气压为1.0MPa；

步骤C，冷却至室温，进行渣硅分离获得精炼硅。

实施例3

步骤A，将造渣剂粉碎后，加水润湿造粒获得粒径为40～80目、密度为3.3g/cm3、湿度为10～15％的精炼颗粒制剂；所述造渣剂采用10gBaO、25gNaO和5gSiO₂的混合物，BaO、NaO和SiO₂的配比为2:5:1；将造渣剂粉碎成粒径为100～120目的粉末后，加入水、1.2g水合硅酸镁细粉混合均匀用于造粒；造渣剂与水合硅酸镁细粉的质量配比10:0.3；

步骤B，将硅熔体注入包体内，同时向包体内通入精炼气、加入精炼颗粒制剂，在1500℃温度条件下进行精炼5h；造渣剂和硅熔体的质量配比为1:7；精炼气体为空气和氩气混合气，通入精炼气的流量为25L/min，包体内气压为0.8MPa；

步骤C，冷却至室温，进行渣硅分离获得精炼硅。

实施例4

基于实施例3所述的精炼法提纯工业硅工艺的实施设备，包括包体1，所述包体1的侧壁上开设有若干进气孔2，若干进气孔2沿包体1的周向均匀分布，每个进气孔2的轴线方向与包体1的轴线方向平行；进气孔2的底部延伸至包体1的底部，且通过透气砖3与包体1内部连通，进气孔2的顶部与进气元件连通；包体1的顶部敞口端设有盖板4，盖板4上设有进料管5。

实施例5

在实施例4的基础上进一步改进，所述盖板4为中空壳体结构，盖板4的下板面上凸设有若干与进气孔2敞口端嵌入适配的导管6，导管6连通进气孔2和盖板4的中空腔室；盖板4上还设有进气管7，进气管7与盖板4的中空腔室连通。若干进气孔2底部的透气砖3在沿周向方向上错位排布。

性能测试：

表1实施例1～5提纯工业硅测试结果

试例

B含量(前)

B含量(后)

B的去除率

Al含量

Ca含量

硅含量

实施例1

1ppmw

0.014ppmw

98.6％

<0.002％

<0.001％

99.99

实施例2

600ppmw

3ppmw

99.5％

<0.002％

<0.001％

99.97

实施例3

1000ppmw

21ppmw

97.9％

<0.002％

<0.001％

99.91

实施例4

5ppmw

0.045ppmw

99.1％

<0.002％

<0.001％

99.97

实施例5

1ppmw

0.009ppmw

99.1％

<0.001％

99.99

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，具体步骤为：

步骤C，冷却至室温，进行渣硅分离获得精炼硅。

2.根据权利要求1所述的精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，所述造渣剂采用BaO、NaO和SiO₂的混合物。

3.根据权利要求2所述的精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，所述BaO、NaO和SiO₂的配比为2:5:1。

4.根据权利要求1所述的精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，所述步骤A中，将造渣剂粉碎成粒径为100～120目的粉末后，加入水、水合硅酸镁细粉混合均匀用于造粒；造渣剂与水合硅酸镁细粉的质量配比10:0.3。

5.根据权利要求1所述的精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，所述步骤B中，造渣剂和硅熔体的质量配比为1:10～1:5。

6.根据权利要求1所述的精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，所述步骤B中精炼气体为空气和氩气混合气。

7.根据权利要求1所述的精炼法提纯工业硅的工艺，其特征在于，所述步骤B中，通入精炼气的流量为20～28L/min，包体内气压为0.6～1.0MPa。

8.实施权利要求1至7任一项所述的精炼法提纯工业硅的工艺的设备，其特征在于，包括包体(1)，所述包体(1)的侧壁上开设有若干进气孔(2)，若干进气孔(2)沿包体(1)的周向均匀分布，每个进气孔(2)的轴线方向与包体(1)的轴线方向平行；进气孔(2)的底部延伸至包体(1)的底部，且通过透气砖(3)与包体(1)内部连通，进气孔(2)的顶部与进气元件连通；包体(1)的顶部敞口端设有盖板(4)，盖板(4)上设有进料管(5)。

9.根据权利要求8所述的精炼法提纯工业硅的设备，其特征在于，所述盖板(4)为中空壳体结构，盖板(4)的下板面上凸设有若干与进气孔(2)敞口端嵌入适配的导管(6)，导管(6)连通进气孔(2)和盖板(4)的中空腔室；盖板(4)上还设有进气管(7)，进气管(7)与盖板(4)的中空腔室连通。

10.根据权利要求9所述的精炼法提纯工业硅的设备，其特征在于，若干进气孔(2)底部的透气砖(3)在沿周向方向上错位排布。