CN111333073A - 一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 - Google Patents
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111333073A CN111333073A CN202010182714.4A CN202010182714A CN111333073A CN 111333073 A CN111333073 A CN 111333073A CN 202010182714 A CN202010182714 A CN 202010182714A CN 111333073 A CN111333073 A CN 111333073A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- aluminum
- melting
- sample
- alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 76
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 claims abstract description 43
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 26
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 16
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 16
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 10
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 12
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 12
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 8
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 7
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 7
- 229910021364 Al-Si alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 3
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
- C30B28/08—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by zone-melting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,属于太阳能级多晶硅技术领域。在采用感应加热区域熔炼实现初生硅分离的基础上,去除铝富集部分后再次区熔,经过多次区域熔炼,硅在试样底部的富集程度逐渐提高,最终便能获得块体硅;具体为采用工业硅和工业铝为原料,制备铝硅合金铸锭,采用区域熔炼工艺对铸锭进行感应加热区域熔炼。区熔结束后取出试样,截取试样底部的初生硅富集部分再次区熔以获得更加致密的初生硅,最终获得块体硅。本发明通过区域熔炼从铝硅合金中获得块体硅,解决了合金凝固精炼分离硅时夹杂较多铝的问题,实现了初生硅高效分离的同时直接获得块体硅。
Description
技术领域
本发明涉及一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,属于太阳能级多晶硅技术领域。
背景技术
太阳能级多晶硅是硅太阳能电池的主要原料,其制备方法一直是太阳能领域的研究重点。利用冶金硅直接制备太阳能级多晶硅的众多方法中,Al-Si合金凝固精炼法因具有熔炼温度低、除杂效率高等优点,而受到了广泛关注。但是固态Al-Si合金中初生硅是弥散分布的,硅回收难,回收效率不高。如何分离及提高初生硅的回收效率,是合金凝固精炼法亟待解决的问题。
目前采用感应加热固定交变磁场,旋转磁场,超重力等技术从Al-Si合金中分离硅。这些技术能够有效将初生硅从熔体中分离并聚集,但是初生硅晶体间会夹带大量的铝,仍需酸洗等比较繁琐的步骤才能获得初生硅。另外,这些技术都是依靠外力使富硅熔体迁移至试样的相应位置,凝固后实现初生硅与熔体的分离。因为样品仅能熔化一次,初生硅富集程度难以控制,而通过一次实验获得块体硅的难度很大,因此初生硅富集部分往往夹带较多的铝。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,通过区域熔炼从铝硅合金中获得块体硅,解决了合金凝固精炼过程中分离硅时夹杂铝较多的问题,具体包括以下步骤:
(1)将铝和硅在感应电炉中熔化为铝硅合金溶液,铝硅合金溶液中硅的质量百分含量为30%-80%,将铝硅合金溶液浇铸为圆柱状铸锭。
(2)将圆柱状铸锭置于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热区域熔炼真空度小于10Pa,区域熔炼功率控制在6KW-10KW,区域熔炼温度控制在800℃-1350℃,区域熔炼速度为1mm/min-10mm/min。
(3)区域熔炼结束后,从试样底部截取40%-50%的初生硅富集部分,将截取的部分放入石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼,区域熔炼功率控制在8KW-10KW熔炼温度为1150℃-1414℃,区熔速度为1mm/min-5mm/min。
(4)重复步骤(3)2次以上,硅在试样底部的富集程度逐渐提高,最终获得块体硅。
优选的,本发明步骤(1)中圆柱状铸锭的直径为10-100mm,实际生产中试样的直径和长度可随实际情况扩大或延长,适用于规模化生产。
本发明的原理:本发明采用区域熔炼工艺对Al和Si进行分离并形成块体硅;因为Al和Si在液相中无限互溶,而Al在固态Si中的溶解度几乎为零,因此本发明通过区熔实现初生硅和铝的分离;当熔体温度达到共晶温度时,过共晶成分的铝硅合金可以分离为初生硅和共晶硅熔体;由于区域熔炼是单向凝固的,先凝固部分将会含有更低含量的铝,经过多次的感应加热区域熔炼,便能直接从熔体中获得块体硅;另外,感应加热区域熔炼工艺具有工艺简单,设备要求低,试样的直径和长度可按实际情况扩大或延长等优点,易实现规模量化生产。
本发明的有益效果是:
(1)本发明所述方法通过控制区熔速度和熔炼次数等条件实现从熔体中获得块体硅,具有工艺简单,设备要求低,试样可延长等优点,易实现规模量化生产等优点。
(2)本发明所述方法采用区域熔炼工艺,能在试样底部获得块体硅,能有效降低初生硅富集区夹杂的铝。
附图说明
图1.a为实施例1制备的铝硅合金铸锭的纵截面形貌;b为纵截面内初生硅形貌。
图2.a为实施例1中铝硅合金区域熔炼一次后凝固试样的纵截面形貌;b为试样底部的初生硅形貌。
图3为实施例2中通过对初生硅富集区部分再次区熔一次后凝固试样的纵截面显微形貌。
图4为实施例2中通过对初生硅富集区部分再次区熔两次后凝固试样的纵截面显微形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,具体包括以下步骤:
(1)按Al-45wt%Si合金成分称取工业硅(纯度95%)和纯铝(纯度为99%),利用感应加热熔炼炉进行熔炼,熔炼后浇铸为直径10mm的棒状铸锭,铸锭的纵截面形貌见图1,由图1可以看出,板条状的初生硅弥散分布在试样截面内。
(2)将棒状铸锭置于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热区域熔炼真空度小于10Pa,区域熔炼功率为6KW,区熔温度控制在1050±50℃,区熔速度为5mm/min。所得试样的纵截面形貌如图2所示,由图2.a可以看出,经过一次区域熔炼,柱状初生硅富集于试样底部;试样底部的初生硅形貌见图2.b,初生硅夹杂较多的铝。
(3)待实验结束,关闭电源和伺服电机,等待10min,待坩埚温度降低;打开区域熔炼感应炉取出合金试样,利用线切割机沿试样中部切开。
(4)取步骤(3)中试样的下半部分两根装于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热真空度小于10Pa,区域熔炼功率为8KW,区域熔炼温度控制在1200±50℃,区熔速度为5mm/min,重复步骤(3)-(4)2次,待实验结束,关闭电源和伺服电机,等待10min,待坩埚温度降低;打开区域熔炼感应炉取出合金试样;利用线切割机沿试样的纵截面切开,打磨,抛光后,利用光学显微镜拍摄试样底部显微形貌如图3所示,从图3中可以看出初生硅致密度大大提高,试样底部存在明显可见的块体硅;
实施例2
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,具体包括以下步骤:
(1)按Al-45wt%Si合金成分称取工业硅(纯度95%)和纯铝(纯度为99%),利用感应加热熔炼炉进行熔炼,熔炼后浇铸为直径50mm的棒状铸锭。
(2)将棒状铸锭置于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热区域熔炼真空度小于10Pa,区域熔炼功率为6KW,区熔温度控制在1050±50℃,区熔速度为3mm/min。
(3)待实验结束,关闭电源和伺服电机,等待10min,待坩埚温度降低;打开区域熔炼感应炉取出合金试样,利用线切割机沿试样中部切开。
(4)取步骤(3)中试样的下半部分两根装于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼。感应加热真空度小于10Pa,区熔功率为8KW,区域熔炼温度控制在1200±50℃,区熔速度为3mm/min;并重复步骤(3)-(4)4次。
(5)待实验结束,关闭电源和伺服电机,等待10min,待坩埚温度降低;打开区域熔炼感应炉取出合金试样;利用线切割机沿试样的纵截面切开,打磨,抛光后,利用光学显微镜拍摄试样底部显微形貌如图4所示;从图中可以看出初生硅致密度大大提高,试样底部存在明显可见的块体硅。
实施例3
一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,具体包括以下步骤:
(1)按Al-65wt%Si合金成分称取工业硅(纯度95%)和纯铝(纯度为99%),利用感应加热熔炼炉进行熔炼,熔炼后浇铸为直径10mm的棒状铸锭。
(2)将棒状铸锭置于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热区域熔炼真空度小于10Pa,区熔功率为8KW,区熔温度控制在1300℃±50℃,区熔速度为5mm/min。
(3)待实验结束,关闭电源和伺服电机,等待10min,待坩埚温度降低;打开区域熔炼感应炉取出合金试样,利用线切割机沿试样中部切开。
(4)取步骤(3)中试样的下半部分两根装于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热真空度小于10Pa,区熔功率为10KW,区域熔炼温度控制在1400℃,区熔速度为2mm/min,并重复步骤(3)-(4)3次。
(5)待实验结束,关闭电源和伺服电机,等待10min,待坩埚温度降低;打开区域熔炼感应炉取出合金试样;利用线切割机沿试样的纵截面切开,打磨,抛光后,试样下半部分可见块体硅,且较实施例1和2中的块体硅,其初生硅致密度大大提高。
Claims (3)
1.一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)将铝和硅在感应电炉中熔化为铝硅合金溶液,将铝硅合金溶液浇铸为圆柱状铸锭;
(2)将圆柱状铸锭置于石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼;感应加热区域熔炼真空度小于10Pa,区域熔炼功率控制在6KW-10KW,区域熔炼温度控制在800℃-1350℃,区域熔炼速度为1mm/min-10mm/min;
(3)区域熔炼结束后,从试样底部截取40%-50%的初生硅富集部分,将截取的部分放入石墨坩埚中,进行感应加热区域熔炼,区熔功率为8KW-10KW,熔炼温度为1150℃-1414℃,区熔速度为1mm/min-5mm/min;
(4)重复步骤(3)一次以上,硅在试样底部的富集程度逐渐提高,最终获得块体硅。
2.根据权利要求1所述从高硅铝合金中获得块体硅的方法,其特征在于:步骤(1)中圆柱状铸锭的直径为10-100mm。
3.根据权利要求1所述从高硅铝合金中获得块体硅的方法,其特征在于:步骤(1)中铝硅合金溶液中硅的质量百分含量为30%-80%。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010182714.4A CN111333073A (zh) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010182714.4A CN111333073A (zh) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111333073A true CN111333073A (zh) | 2020-06-26 |
Family
ID=71178768
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010182714.4A Pending CN111333073A (zh) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111333073A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113265700A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-17 | 西华大学 | 均匀晶锭溶质的方法、成分均匀的晶锭的制备方法和合金晶锭 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002068719A1 (en) * | 2001-02-26 | 2002-09-06 | Norwegian Silicon Refinery As | Process for preparing silicon by electrolysis and crystallization, and preparing low-alloyed and high-alloyed aluminum silicon alloys |
CN110257641A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-20 | 昆明理工大学 | 一种利用含钛渣和废铝合金制备硅基材料和低Fe共晶Al-Si合金的方法 |
CN110304634A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-08 | 昆明理工大学 | 一种高效节能提纯工业硅的方法 |
CN110377613A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-25 | 昆明理工大学 | 一种同时制备高纯硅化物和共晶硅基材料的方法 |
-
2020
- 2020-03-16 CN CN202010182714.4A patent/CN111333073A/zh active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002068719A1 (en) * | 2001-02-26 | 2002-09-06 | Norwegian Silicon Refinery As | Process for preparing silicon by electrolysis and crystallization, and preparing low-alloyed and high-alloyed aluminum silicon alloys |
CN110257641A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-09-20 | 昆明理工大学 | 一种利用含钛渣和废铝合金制备硅基材料和低Fe共晶Al-Si合金的方法 |
CN110304634A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-10-08 | 昆明理工大学 | 一种高效节能提纯工业硅的方法 |
CN110377613A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-25 | 昆明理工大学 | 一种同时制备高纯硅化物和共晶硅基材料的方法 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113265700A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-17 | 西华大学 | 均匀晶锭溶质的方法、成分均匀的晶锭的制备方法和合金晶锭 |
CN113265700B (zh) * | 2021-05-19 | 2022-03-29 | 西华大学 | 均匀晶锭溶质的方法、成分均匀的晶锭的制备方法和合金晶锭 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220267878A1 (en) | Method for Preparing High-purity Nickel-based Superalloy by Electron Beam Induced Refining and Casting Technology | |
CN102965529B (zh) | 一种短流程钛合金Ti-Ni-Nb的制备方法 | |
CN100595352C (zh) | 太阳能级多晶硅大锭的制备方法 | |
US7727502B2 (en) | Process for the production of medium and high purity silicon from metallurgical grade silicon | |
CN102464319A (zh) | 硅的冶金化学提纯方法 | |
CN101994015A (zh) | 大规格高性能钛及钛合金锭的熔铸方法 | |
CN110902685A (zh) | 一种分离含硅混合物收得工业硅的方法 | |
CN101798705A (zh) | 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 | |
Yu et al. | Si purification by enrichment of primary Si in Al-Si melt | |
Ren et al. | Growth control and enrichment of Si crystals from Si-Sn melt by directional solidification | |
Jie et al. | Separation and purification of Si from solidification of hypereutectic Al–Si melt under rotating magnetic field | |
CN110965120A (zh) | 一种过共晶铝硅合金中初生硅的分离方法 | |
CN114672677A (zh) | 一种铝锂合金熔体的净化方法 | |
Zou et al. | Effects of AlB2/AlP phase and electromagnetic stirring on impurity B/P removal in the solidification process of Al-30Si alloy | |
CN111333073A (zh) | 一种从高硅铝合金中获得块体硅的方法 | |
CN107557860A (zh) | 一种钛硅物料制备太阳能级多晶硅的方法 | |
JPWO2008149985A1 (ja) | 金属珪素の凝固方法 | |
CN102409187A (zh) | 电流制备半固态金属浆/坯料的方法及装置 | |
Yu et al. | Effects of melt viscosity on enrichment and separation of primary silicon from Al–Si melt | |
CN1299983C (zh) | 光电级硅的制造方法 | |
CN112110450A (zh) | 一种冶金级硅中杂质硼去除的方法 | |
CN104071790A (zh) | 电磁搅拌硅合金熔体硅提纯装置及方法 | |
CN101804984B (zh) | 一种提纯硅的方法 | |
JPS58217419A (ja) | 多結晶シリコン棒の製造方法および装置 | |
Gao et al. | Effect of Si content on the morphology evolution of the Si primary dendrites in Al-Si alloy solvent refining process |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200626 |