CN111468260A - 制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制热‑冷冻‑声波联用硅块破碎装置和方法。该破碎装置包括：传动装置；加热区、缓冲区、冷冻区和声波区，加热区、缓冲区、冷冻区和声波区沿传动装置的长度方向依次布置，加热区内设有加热设备和进料口，冷冻区内设有冷冻设备，声波区内设有声波发生设备和出料口。采用该破碎装置对硅块进行破碎处理，硅块经过加热‑冷冻预处理，脆度显著提升。进而经过预处理的硅块进入声波区，在声波辐射的作用下可以被轻易震碎，得到粒度均匀的碎料。由此，采用该制热‑冷冻‑声波联用硅块破碎装置对硅块进行破碎处理，有效避免了破碎处理中二次污染的问题，且无需人工破碎，具有破碎效率高、劳动强度低、设备成本低及使用寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体而言，本发明涉及制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置和方法。
背景技术
在多晶硅行业中，经还原生产的硅棒组织致密，硬度很高，很难破碎。国内外厂家大部分采用锤锻破碎、鄂式破碎等机械破碎大块硅料的方法，并人工用硬质合金锤进一步破碎。采用这种方法进行破碎硅料的方法，有以下缺点：(1)用锤锻破碎、鄂式破碎和硬质合金锤破碎，料损失较大，很容易二次引入Fe等金属杂质，降低硅料的纯度。(2)因为硅料硬度很高，破碎难度大，使用人工破碎，劳动强度高，产量低。(3)破碎工具使用寿命短，造成生产维护及成本上升。
为了降低二次污染硅料、提高破碎效率、降低生产及维护成本等，国内外厂家近年来都在进行硅料破碎的改进。专利CN200820182364.6中提出了一种多晶硅破碎台，在破碎台面上铺放多晶硅碎料，用气锤锻碎上面的硅锭。专利201721810171.6中提出一种自由落体式硅块破碎机，根据硅块的热、硬、脆的特性，利用所述破碎锤提升机构将所述破碎锤提升，以自由落体式下落将硅块进行破碎，实现了自动化破碎。但以上各专利全部是采用机械破碎的方法，没有对硅料进行前期处理，这样破碎不可避免地在破碎时引入Fe等金属杂质，污染硅料，同时由于硅料硬度高，设备破碎机构使用寿命短，维护成本增高。综上所述，现有的硅块破碎方法仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置和方法。该破碎装置可以显著提高硅块破碎效率，且具有无二次污染、能耗低、生产快等优点。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置。根据本发明的实施例，该制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置包括：传动装置；加热区、缓冲区、冷冻区和声波区，所述加热区、缓冲区、冷冻区和声波区沿所述传动装置的长度方向依次布置，所述加热区内设有加热设备和进料口，所述冷冻区内设有冷冻设备，所述声波区内设有声波发生设备和出料口。
采用根据本发明上述实施例的硅块破碎装置对硅块进行破碎处理，硅块经过加热区和冷冻区的加热-冷冻预处理，脆度显著提升。进而经过预处理的硅块进入声波区，在声波辐射的作用下可以被轻易震碎，得到粒度均匀的碎料。由此，采用该制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置对硅块进行破碎处理，有效避免了破碎处理中二次污染的问题，且无需人工破碎，具有破碎效率高、劳动强度低、设备成本低及使用寿命长等优点。
另外，根据本发明上述实施例的硅块破碎装置还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述硅块破碎装置进一步包括：第一隔离门，所述第一隔离门设在所述加热区和所述缓冲区之间。第二隔离门，所述第二隔离门设在所述缓冲区和所述冷冻区之间。第三隔离门，所述第三隔离门设在所述冷冻区和所述声波区之间。
在本发明的一些实施例中，所述硅块破碎装置进一步包括：速度控制模块，所述速度控制模块与所述传动装置相连，且被配置为控制所述传动装置使物料在所述加热区的停留时间为2～4h，在所述冷冻区的停留时间为15～30min。
在本发明的一些实施例中，所述硅块破碎装置进一步包括：第一温度控制模块，所述第一温度控制模块与所述加热设备相连，且被配置为控制所述加热设备使所述加热区的温度为600～700℃。第二温度控制模块，所述第二温度控制模块与所述冷冻设备相连，且被配置为控制所述冷冻设备使所述冷冻区的温度为0～30℃。
在本发明的一些实施例中，所述硅块破碎装置进一步包括：功率控制模块，所述功率控制模块与所述声波发生设备相连，且被配置为控制所述声波发生设备的功率为5000～8000W。
在本发明的一些实施例中，所述声波发生设备具有环绕式排列的振子。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种硅块破碎方法。根据本发明的实施例，该硅块破碎方法采用上述实施例的硅块破碎装置实施，该硅块破碎方法包括：将硅块依次进行热处理和冷处理，得到高脆度硅块；将所述高脆度硅块进行声波处理，得到硅块碎料。
采用根据本发明上述实施例的硅块破碎方法对硅块进行破碎处理，硅块经过加热-冷冻预处理，脆度显著提升。进而经过预处理的硅块在声波辐射的作用下可以被轻易震碎，得到粒度均匀的碎料。由此，采用该制热-冷冻-声波联用硅块破碎方法对硅块进行破碎处理，有效避免了破碎处理中二次污染的问题，且无需人工破碎，具有破碎效率高、劳动强度低、设备成本低及使用寿命长等优点。
另外，根据本发明上述实施例的硅块破碎方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述热处理在600～700℃下进行2～4h完成；所述冷处理在0～30℃下进行15～30min完成。
在本发明的一些实施例中，所述声波处理在5000～8000W声波功率下进行。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的硅块破碎装置的结构示意图。
附图标记：
100：传动装置；
210：加热区；220：缓冲区；230：冷冻区；240：声波区；
211：进料口；241：出料口；
310：第一隔离门；320：第二隔离门；330：第三隔离门。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置。参考图1，根据本发明的实施例，该制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置包括：传动装置100；加热区210、缓冲区220、冷冻区230和声波区240，加热区210、缓冲区220、冷冻区230和声波区240沿传动装置100的长度方向依次布置，加热区210内设有加热设备(附图中未示出)和进料口211，冷冻区220内设有冷冻设备(附图中未示出)，声波区240内设有声波发生设备和出料口241。
上游硅块产品可置于非金属篮筐内送至本发明的硅块破碎装置，采用根据本发明的硅块破碎装置对硅块进行破碎处理，硅块经过加热区和冷冻区的加热-冷冻预处理，脆度显著提升。进而经过预处理的硅块进入声波区，在声波辐射的作用下可以被轻易震碎，得到粒度均匀的碎料。由此，采用该制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置对硅块进行破碎处理，有效避免了破碎处理中二次污染的问题，且无需人工破碎，具有破碎效率高、劳动强度低、设备成本低及使用寿命长等优点。
另外，发明人在研究中发现，如果在加热-冷冻工序之后，将经过预处理的硅块进行人工破碎，硅料中仍会不可避免地在人工破碎的过程中被污染，纯度无法满足电子级多晶硅对硅料纯度的要求。如果不经加热-冷冻工序对硅料进行预处理而直接进行声波破碎，由于硅料材质致密、破碎难度大，对声波的功率和强度要求高，会导致声波破碎所需时间过长、成本过高。而通过将加热-冷冻预处理工序与声波破碎工序联用，既可以有效提高生产效率、降低生产成本，又可以避免人工操作对硅料的二次污染。
下面进一步对根据本发明实施例的硅块破碎装置进行详细描述。
根据本发明的实施例，上述传动装置、加热设备、冷冻设备、声波发生设备的具体种类并不受特别限制，可以采用本领域的常见设备。
根据本发明的实施例，本发明的制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置进一步包括：第一隔离门310、第二隔离门320和第三隔离门330。第一隔离门310设在加热区210和缓冲区220之间。第二隔离门320设在缓冲区220和冷冻区230之间。第三隔离门330设在冷冻区230和声波区240之间。由此，可利用第一至第三隔离门将破碎装置的各区域间隔开来，以保证各区域温度稳定，避免各区域之间温度相互影响，进一步提高硅料的预处理效果和破碎效果。
根据本发明的实施例，本发明的制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置进一步包括：速度控制模块(附图中未示出)，该速度控制模块与传动装置相连，且被配置为控制传动装置使物料在加热区的停留时间为2～4h，在冷冻区的停留时间为15～30min。由此，可以进一步提高加热-冷冻预处理所得硅料的脆度，从而便于后续声波处理破碎得到粒度均匀的碎料。
根据本发明的实施例，本发明的制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置进一步包括：第一温度控制模块(附图中未示出)，所述第一温度控制模块与所述加热设备相连，且被配置为控制所述加热设备使所述加热区的温度为600～700℃。由此，可以进一步提高加热-冷冻预处理所得硅料的脆度，从而便于后续声波处理破碎得到粒度均匀的碎料。在一些实施例中，加热设备可通过程序升温，以控制加热区温度稳定。
根据本发明的实施例，本发明的制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置进一步包括：第二温度控制模块(附图中未示出)，该第二温度控制模块与冷冻设备相连，且被配置为控制冷冻设备使冷冻区的温度为0～30℃。由此，可以进一步提高加热-冷冻预处理所得硅料的脆度，从而便于后续声波处理破碎得到粒度均匀的碎料。
根据本发明的实施例，本发明的制热-冷冻-声波联用硅块破碎装置进一步包括：功率控制模块(附图中未示出)，该功率控制模块与声波发生设备相连，且被配置为控制声波发生设备的功率为5000～8000W，例如5000W、6000W、7000W、8000W等。经过加热-冷冻预处理所得硅料脆度较高，在相对较低的声波功率下即可完成破碎，且通过控制声波发生设备的功率，容易控制破碎所得硅料的粒度。
根据本发明的实施例，上述声波发生设备具有环绕式排列的振子(附图中未示出)。由此，可以进一步提高硅料破碎的均匀度。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种硅块破碎方法。根据本发明的实施例，该硅块破碎方法采用上述实施例的硅块破碎装置实施，该硅块破碎方法包括：将硅块依次进行热处理和冷处理，得到高脆度硅块；将所述高脆度硅块进行声波处理，得到硅块碎料。
采用根据本发明上述实施例的硅块破碎方法对硅块进行破碎处理，硅块经过加热-冷冻预处理，脆度显著提升。进而经过预处理的硅块在声波辐射的作用下可以被轻易震碎，得到粒度均匀的碎料。由此，采用该制热-冷冻-声波联用硅块破碎方法对硅块进行破碎处理，有效避免了破碎处理中二次污染的问题，且无需人工破碎，具有破碎效率高、劳动强度低、设备成本低及使用寿命长等优点。
下面进一步对根据本发明实施例的硅块破碎方法进行详细描述。
根据本发明的实施例，热处理在600～700℃下进行2～4h完成；冷处理在0～30℃下进行15～30min完成。具体的，热处理温度可以为600℃、620℃、650℃、680℃、700℃等，热处理时间可以为2h、2.5h、3h、3.5h、4h等。冷处理温度可以为0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、30℃等，冷处理时间可以为15min、18min、20min、22min、25min、30min等。发明人在研究中发现，热处理和冷处理的具体温度参数会对硅块的处理效果造成显著影响，通过在上述条件下对硅块进行加热-冷冻预处理，可以进一步提高硅块的脆度，从而使经过预处理的硅块更易于被声波破碎。
发明人在研究中发现，热处理中保温时间过短，可能无法使硅块达到预定的温度，进而在进行后续冷处理之前无法获得较高的起始温度，无法通过剧烈的冷热变化来有效提高硅块脆度。如果冷处理中的降温速率过低，也无法通过剧烈的冷热变化来有效提高硅块脆度。
根据本发明的实施例，上述声波处理在5000～8000W声波功率下进行，例如5000W、6000W、7000W、8000W等。由于硅块在声波处理之前已经经过加热-冷冻预处理，具有较高的脆度，进而在较低的声波功率下即可完成破碎，且破碎产品的粒度可以通过调整声波功率来调整。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种硅块破碎装置，其特征在于，包括：
传动装置；
加热区、缓冲区、冷冻区和声波区，所述加热区、缓冲区、冷冻区和声波区沿所述传动装置的长度方向依次布置，所述加热区内设有加热设备和进料口，所述冷冻区内设有冷冻设备，所述声波区内设有声波发生设备和出料口。
2.根据权利要求1所述的硅块破碎装置，其特征在于，进一步包括：
第一隔离门，所述第一隔离门设在所述加热区和所述缓冲区之间；
第二隔离门，所述第二隔离门设在所述缓冲区和所述冷冻区之间；
第三隔离门，所述第三隔离门设在所述冷冻区和所述声波区之间。
3.根据权利要求1所述的硅块破碎装置，其特征在于，进一步包括：
速度控制模块，所述速度控制模块与所述传动装置相连，且被配置为控制所述传动装置使物料在所述加热区的停留时间为2～4h，在所述冷冻区的停留时间为15～30min。
4.根据权利要求1所述的硅块破碎装置，其特征在于，进一步包括：
第一温度控制模块，所述第一温度控制模块与所述加热设备相连，且被配置为控制所述加热设备使所述加热区的温度为600～700℃；
第二温度控制模块，所述第二温度控制模块与所述冷冻设备相连，且被配置为控制所述冷冻设备使所述冷冻区的温度为0～30℃。
5.根据权利要求1所述的硅块破碎装置，其特征在于，进一步包括：
功率控制模块，所述功率控制模块与所述声波发生设备相连，且被配置为控制所述声波发生设备的功率为5000～8000W。
6.根据权利要求1所述的硅块破碎装置，其特征在于，所述声波发生设备具有环绕式排列的振子。
7.一种硅块破碎方法，其特征在于，所述硅块破碎方法采用权利要求1～6任一项所述的硅块破碎装置实施，所述硅块破碎方法包括：
将硅块依次进行热处理和冷处理，得到高脆度硅块；
将所述高脆度硅块进行声波处理，得到硅块碎料。
8.根据权利要求7所述的硅块破碎方法，其特征在于，所述热处理在600～700℃下进行2～4h完成；所述冷处理在0～30℃下进行15～30min完成。
9.根据权利要求7所述的硅块破碎方法，其特征在于，所述声波处理在5000～8000W声波功率下进行。
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