CN111229421A - 一种多晶硅棒破碎的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多晶硅棒破碎的装置及系统。一种多晶硅棒破碎的装置和系统，包括采用电磁加热多晶硅棒，将加热后的多晶硅棒进行快速冷却，以使多晶硅棒内部产生应力，使多晶硅棒破碎。与现有技术相比，本方案解决了现有机械破碎导致的杂质污染和辐射加热速度慢、能耗高的问题，提高了生产效率、降低了能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及高纯多晶硅的制备技术领域，具体涉及一种多晶硅棒的破碎装置和方法。
背景技术
多晶硅是制造光伏太阳能电池等产品的主要原料，在制造高纯多晶硅的方法中，改良西门子法是目前主流的多晶硅生产方法，通过改良西门子法可以收割棒状多晶硅。
从还原炉生产出来的多晶硅棒需要进行破碎成块状料进行包装和仓储，同时块状料也是铸锭或直拉单晶的要求。目前通常采用人工进行破碎至3-200mm左右的多晶硅块，多晶硅块包装后进行销售，导致人力资源浪费且容易导致污染。
对此，专利US7360727B2公开了一种用于破碎多晶硅棒的机械破碎装置，其包括底座以及破碎凿和对凿，其中破碎凿和对凿的纵轴以与底座的纵轴成直角并且平行于底座的表面的方式取向，破碎凿和对凿以相对方式移动，位于底座的表面上的待破碎的硅棒可以在这些凿之间调节，从而使在硅棒的区域内的所有的凿与硅棒接触，而且在硅棒前后的破碎凿可以在其纵轴方向上移动直至相对于对凿的安全距离，破碎凿借助在其纵轴方向上的打击式移动作用在硅棒上，并将其打碎。
专利US7360727B2同样公开了一种机械破碎多晶硅棒的方法，其中多晶硅棒位于高度可调节的底座上，并在此在破碎凿与对凿之间以如下方式调节，在硅棒的区域内的所有的凿与硅棒接触，而且在硅棒前后的破碎凿和对凿彼此接近直至安全距离，随后所有紧贴着硅棒的破碎凿开始实施重复的打击冲击，该打击冲击发挥破碎硅棒的作用。
专利CN 103567040B用一个包括底座以及至少一个可移动的破碎凿及至少一个不可移动的砧座来破碎多晶硅棒来破碎多晶硅棒，该装置包括底座以及至少一个可移动的破碎凿及至少一个不可移动的砧座，其中至少一个破碎凿的纵轴以平行于或者几乎平行于底座的表面的方式取向，其中位于底座的表面上的待破碎的硅棒能够各自在破碎凿与砧座之间以如下方式加以调节，破碎凿和砧座能够各自在硅棒的区域内与硅棒接触，硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上多个破碎凿串联连接，并且在硅棒长度上交替地由外向内实施打击序列形式的打击冲击来破碎多晶硅。
专利US2011/068206A1描述了一种有效地破碎硅块体的破碎机，其中产生少量精细的经破碎的材料（粉末）。该破碎工具包括与活塞连接的锤头，其中锤头位于未使用压缩空气的静止位置，通过使用压缩空气而从静止位置移动，从而与硅块体碰撞。在破碎机中，多个彼此分离的各自具有一个锤头的破碎工具面对着位于底座上的硅块体。
专利US2010/0001106A1公开了一种生产被分级为高纯度多晶硅碎块的方法，包括利用破碎工具的设备将来自西门子法的多晶硅破碎成为碎块和利用筛分装置对碎块进行分级，并在清洗中对破碎后的多晶硅块进行纯化，其破碎多晶硅装置包括辊式破碎机或颚式破碎机，优选针辊式破碎机。
专利US2003/0159467A1公开了采用包含在钴基体重的碳化钨的颚式破碎机破碎多晶硅，专利US7950600B2则公开一种辊式破碎机，上述机械破碎装置都用碳化钨作为直接和多晶硅接触来降低污染，然而对于多晶硅的污染虽然有所降低，但是仍有负面影响此外，破碎装置所用组件的寿命也不能令人满意。
上述机械破碎的方法存在多晶硅和金属表面接触导致金属杂质污染的风险，因此专利CN102836765A公开了一种利用水电效应破碎多晶硅的方法，包括将多晶硅置于水池中，水池中的水刚好没过多晶硅；给水池施加瞬间高压电，高压电产生的电场强度大于或等于水池临界电场强度，该方法虽然突破了传统的多晶硅破碎思路，利用水电效应破碎多晶硅，可实现大规模破碎生产，并且工艺简单，但是电极容易消耗，消耗的电极同意导致了杂质污染。
为降低金属杂质污染，专利CN101508151B采用热力学的方法破碎多晶硅棒，其采用热力学的方法使多晶硅棒的内部获得极大的晶间应力，利用此应力的破坏性使硅棒轻易的破碎。所述破碎装备包括：采用热力学的方法使多晶硅棒升温的加热装置和采用骤冷介质使热态硅棒急剧降温的骤冷装置。该工艺及装备破碎任何方法制得的多晶硅棒时不产生细微离子。破碎过程中不会引起铁、铬、镍等金属离子的污染，但是其采用电加热炉进行加热，能量损耗大，加热速度慢，影响生产效率，同时向多晶硅棒表面喷射制冷剂使其骤冷容易导致破碎的多晶硅块飞溅，导致设备故障或安全隐患。
专利CN103816973A公开了一种无接触破碎多晶硅的方法，该方法利用一束激光射向多晶硅棒或者多晶硅块将多晶硅棒或多晶硅块的局部区域瞬时加热，被加热的多晶硅棒或多晶硅块的局部区域膨胀，在多晶硅柱或多晶硅块的表面或体内产生热膨胀应力，致使多晶硅棒或多晶硅块破碎，在此方法中提供如此高能量的激光装置复杂，导致成本较高。对此，专利CN102489372A采用微波为加热源加热硅棒将加热后的多晶硅棒快速冷却实现硅棒的破碎，虽然与之前相比改变了加热方式的不同，装置复杂程度有所下降，但仍然存在成本较高和加热速度较慢的问题。
现有技术表明，通过现有已知技术无法实现最佳的破碎效果，本发明采用电磁加热多晶硅棒，通过急速冷却产生应力，实现多晶硅棒的破碎，具有加热速度快、实施装置简单、避免污染、提高生产率和降低成本的优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单而有效的多晶硅棒破碎装置和系统以解决现有机械破碎和高压水压破碎的方式导致的杂质污染和效率较低的问题。
基于本发明，提供了一种多晶硅破碎装置和系统，包括：采用电磁加热装置为热源的加热系统（5）；将加热后的多晶硅棒冷却的冷却系统；
其中所述的多晶硅棒冷却系统包括水箱（6）、管道（7）、阀门（8）、水箱（9）、管道（10）、隔板（11）、阀门（12）。
基于本发明，在加热装置前可以有硅棒预热系统，优选的硅棒前预热采用电阻加热炉装置进行预热。
优选地，所述多晶硅棒在用电磁进行加热前，用电阻加热炉将硅棒预热至150-350℃；优选地，通过硅棒加热系统所述多晶硅棒将加热至350℃-850℃。
基于本发明，在采用电磁线圈将多晶硅棒加热至所需温度后，保持恒温15-60分钟，优选20-40分钟。
基于本发明，在采用电磁线圈加热多晶硅棒时，控制加热功率，使得多晶硅棒加热速率控制在50℃/小时-300℃/小时，优选100℃/小时-150℃/小时。
基于本发明，在采用电阻预热多晶硅棒时，控制电阻加热器功率，使得多晶硅棒预热速率控制在50℃/小时-300℃/小时，优选100℃/小时-150℃/小时。
基于本发明，加热装置采用的电磁加热线圈由2-10个线圈组成，优选的电磁加热线圈为2-4个。
基于本发明，电磁线圈之间有由石英或氮化硅、碳化硅、三氧化二铝制备的支撑装置支撑。
加热线圈之间的支撑装置与多晶硅棒接触的面可以为半圆形也可以是方形，也可以没有特殊的形状，满足稳定的支撑多晶硅棒即可。支撑装置的高度没有特别的要求，加热电磁线圈和多晶硅棒之间有1-50mm的空隙，便于移动电磁线圈将多晶硅棒置于其中即可。
在多晶硅棒经过预热区预热后，利用多晶硅棒支撑装置，将多晶硅棒由预热区移动到加热区，将电池加热线圈从两侧套在多晶硅棒上进行进一步的加热。在使用多个电磁线圈时，可以采用支撑装置和加热线圈交替取出、安装的方式完成多个线圈的使用。
在多晶硅棒加热过程和瞬间冷却前的移动过程中，多晶硅棒可以置于空气气氛中或惰性气氛中，优选的置于惰性气氛中以保护多晶硅棒，防止多晶硅棒被污染。在多晶硅棒瞬间冷却前的移动过程中，采用封闭的非金属保护内胆保护，防止多晶硅棒被污染。
基于本发明，使多晶硅棒瞬间冷却的介质采用液氮或者高纯水，优选地，使多晶硅棒瞬间冷却的介质为高纯水。
基于本发明，使多晶硅瞬间冷却的介质高纯水的温度控制在0-80℃，优选的控制在5-40℃。
应用上述多晶硅棒破碎装置和方法，首先采用电磁加热方式将多晶硅棒加热，其次，将加热后的多晶硅棒快速冷却，从而使多晶硅内部产生瞬间的应力使多晶硅棒自身瞬间破碎，避免产生大量的碎屑和微硅粉，与现有技术相比，本技术方案解决了现有机械破碎导致的易污染的情况和现有温差破碎方式加热速度慢、实施装置复杂或昂贵、生产效率较低和成本较高的缺点。
附图说明
图1是本发明涉及的多晶硅破碎装置和方法的流程图，图中包含电阻加热预热步骤1、采用电磁加热装置为热源加热多晶硅棒的步骤2和将加热后的多晶硅棒进行瞬间冷却以使多晶硅棒获得晶间应力的步骤3。
图2是本发明涉及的多晶硅破碎装置和方法的流程图，图中不包含多晶硅棒电阻加热预热步骤1，仅包含采用电磁加热装置为热源加热多晶硅棒的步骤2和将加热后的多晶硅棒进行瞬间冷却以使多晶硅棒获得晶间应力的步骤3。
图3是是本发明涉及的多晶硅破碎装置和方法的具体实施例。
图4是多晶硅电磁加热时电磁线圈和硅棒支撑装置布置具体实施例。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改变的前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图3是本发明的一个具体实施例，在本实施例中，多晶硅棒（19）用支撑装置（15）和（17）在预热系统4中以150℃/小时的预热速度预热至300℃，预热后用支撑装置（15）和（17）移动至加热区（5），在加热区5用电磁线圈（14）、电磁线圈（16）、电磁线圈（18）加热，控制电磁加热的功率，以150℃/小时的速率升至650℃，并保持温度30分钟。保持650℃30分钟后，将多晶硅棒放入盛满10℃高纯水的水箱6中瞬间降温，多晶硅棒在水箱6中因瞬间降温产生内应力破碎，破碎后的多晶硅散落在隔板11上，打开阀门8，将水箱6中的水通过管道7放入水箱9中，将水箱6中破碎后的多晶硅移出烘干得到干燥后的多晶硅块。水箱6中的多晶硅块被移出后，打开阀门12，将水箱9中的水通过管道10用泵13返回水箱6中重复使用。当水箱中的水高于40-50℃时，可以补充高纯水降温，也可通过制冷装置降低水温。
在本发明中，支撑加热硅棒的材料可以是石英或氮化硅、碳化硅、三氧化二铝等陶瓷材料，从而避免多晶硅棒不被金属杂质污染。
在本发明中，当硅棒不需要被预热时，可以不设立预热区。
在本发明中，当使多晶硅棒冷却的介质为液氮时，可以额外的附加氮气回收和液化设备，但不包含在本发明的方案中。
尽管上文参照附图对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域技术人员可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.本发明涉及一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征包括采用电阻加热炉装置将多晶硅棒进行预热，预热后用电磁线圈采用电磁感应方法将多晶硅棒进一步加热，将加热后的多晶硅棒进行用液氮或者高纯水进行快速冷却，以使多晶硅棒内部产生应力，从而破碎多晶硅棒。
2.根据权利要求1所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，所述采用的加热多晶硅棒的装置是电磁加热。
3.根据权利要求1所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，所述多晶硅棒在电磁加热硅棒前，用电阻加热炉进行预热。
4.根据权利要求2所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，电磁加热多晶硅的温度为350-850℃。
5.根据权利要求3所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，用电磁加热硅棒加热前，用电阻加热炉将硅棒预热至150-350℃。
6.根据权利要求1所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，加热后的硅棒用液氮或者高纯水进行快速冷却。
7.根据权利要求2所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，电磁加热线圈由2-10个线圈组成。
8.根据权利要求1所述的一多晶硅棒破碎的装置和方法，其特征在于，用电磁线圈之间有由石英或氮化硅、碳化硅、三氧化二铝制备的支撑装置支撑。
9.根据权利要求2所述的一多晶硅棒破碎的装置和系统，其特征在于，采用电磁线圈加热至所需温度后，保持恒温15-60分钟。
10.根据权利要求2所述的一多晶硅棒破碎的装置和系统，其特征在于，多晶硅棒加热速率控制在50℃/小时-200℃/小时。
11.根据权利要求3所述的一多晶硅棒破碎的装置和系统，其特征在于，多晶硅棒预热速率控制在50℃/小时-200℃/小时。
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