CN111792647A - 一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法 - Google Patents

一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，属于火法熔炼硅片切割废料再生回收硅技术领域。本发明针对硅片切割废料在火法熔炼回收硅过程中由于水分存在造成熔炼过程硅粉易氧化和熔炼过程中杂质去除效率低的问题，将微负压装置移至熔炼的炉口正上方，开启微负压装置的真空装置使硅片切割废料进行微负压熔炼，以避免超细硅粉在熔炼过程中氧化损失并除去硅中的易挥发性杂质，实现硅熔体的同步精炼。本发明在硅熔体上方营造出的微负压环境，可以避免硅熔炼过程中烟气的逸出，减少环境影响。本发明方法具有设备要求简单、操作容易、环境友好、适合规模化工业生产。

Description

一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法
技术领域
本发明涉及一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，属于火法熔炼硅片切割废料再生回收硅技术领域。
背景技术
由于在硅片切割过程中添加剂等辅助材料的使用和切割/储存和运输等工况下的氧化，使得硅片切割废料中杂质铝、钙含量较高和超细粒硅颗粒表面氧化度高而生成二氧化硅层，使得硅片切割废料再生提纯制备高纯硅过程中既要保证杂质铝、钙的去除，又要在熔炼过程中最大限度的避免硅颗粒与氧的接触从而降低硅的氧化损失。在现有的硅片切割废料直接入炉熔炼和添加造渣剂辅助熔炼中，需要分别采用不同的步骤才能实现二氧化硅层的分离和铝、钙杂质的去除，流程冗长，工艺复杂，熔炼过程中对氧的参与难以精确控制反而加剧了超细硅粉的二次氧化，且杂质的去除率较低。
发明内容
为了实现硅片切割废料中硅的高效回收和高值化再生利用，同时实现降低氧的参与和提高杂质的去除，保证熔炼过程中硅的回收率和纯度，本发明提供一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，即通过微负压装置设在硅熔炼主体设备的上部即熔炼过程中在高温硅熔体的气液界面处营造微负压状态，可以在熔炼过程中尽可能的减少空气或氧气的参与度，消除了氧与高温硅熔体的直接接触，避免高温条件下超细硅粉的氧化损失，同时通过微负压环境在熔炼过程中气液界面处产生负压状态，促进高温硅熔体中易挥发杂质在熔炼过程中挥发去除，从而实现硅片切割废料熔炼过程中硅液同步精炼提纯的目的。
一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，具体步骤如下：
将微负压装置移至熔炼的炉口正上方，开启微负压装置的真空装置使硅片切割废料进行微负压熔炼并同步精炼，以避免超细硅粉在熔炼过程中氧化损失并除去硅熔体中的易挥发性杂质。
熔炼包括吹气熔炼、造渣熔炼或吹气-造渣复合熔炼。
进一步的，通氧方式具体可以针对不同炉型采用底吹、顶吹、侧吹或偏心吹等；渣剂可以为氧化物、氟化物、氟铝酸盐中的一种或几种；气体可以为空气、湿氧、工业用氧或富氧空气，也可以通入含有氩气、氮气、水的混合气体；吹入气体不仅可以起到除杂的作用，同时还可以剧烈搅拌硅熔体，保证杂质充分与除杂剂反应的同时又使得炉口处的气液界面不断更新从而更利于挥发性杂质挥发去除。
所述微负压装置包括依次连接的集烟罩、烟道、真空机组和收尘装置，集烟罩设置在熔炼装置的炉口正上方，集烟罩与熔炼装置的炉口密闭连接以形成密闭腔体。
进一步的，集烟罩外壁可与天车悬吊或升降-旋转构件系统连接。其中，升降-旋转构件包括控制器、驱动伺服电机I、驱动伺服电机II、传动轴I、传动轴II和夹持连杆，夹持连杆一端与集烟罩外壁固定连接，夹持连杆另一端与传动轴I的顶端固定连接，传动轴I的底端通过滚珠轴承或滚针轴承与传动轴II的顶端连接，传动轴I可在传动轴II的顶端旋转，传动轴II的底端与驱动伺服电机II的输出轴固定连接，驱动伺服电机II为步进往复电机，驱动伺服电机I通过支撑杆固定设置在传动轴II上，驱动伺服电机I的输出轴上设置有齿轮I，传动轴I上套设有齿轮II，齿轮I与齿轮II位于同一水平面上且啮合传动；驱动伺服电机I、驱动伺服电机II分别与控制器电连接。
进一步的，所述集烟罩外壁设置有耐火层和冷却水套；
所述熔炼装置的顶部开口，可从顶部通入气体，加入造渣剂和倾倒出渣和硅液，熔炼过程中的烟尘烟气在气液界面处产生并在微负压作用下收集于集烟罩中，集烟罩口面积可以覆盖熔炼装置的整个顶部开口，集烟罩的升降-旋转构件可根据不同熔炼时期进行高度调整，例如通气过程和加入造渣剂时可适当升高，加入或放出硅液时可以提升集烟罩至特定高度；集烟罩的耐火层可保证烟罩承受不同的熔炼温度；
所述熔炼装置均可以为抬包炉、中间包、石墨坩埚或其它熔炼专用设备；
所述熔炼装置的加热方式包括但不限于：电阻加热、感应加热、等离子体、电弧炉加热、反应生产的自热或硅熔体热容量等；
所述集烟罩可以为圆底型、锥形型、四面体棱台型等形状，具体尺寸和截面形状可根据具体熔炼装置顶口几何形状和尺寸而定以保证烟罩与炉口的完好衔接，从而避免了炉气的跑、冒、漏等，并确保集烟罩内的微负压环境；
所述集烟罩材质可以为不锈钢壳层、钢套等，外壁衬有耐火层及冷却水套，既保证集烟罩的刚度、强度和耐高温性，又避免外来污染源对硅熔体的污染；
所述真空装置的真空设备为一级或多级联用的真空泵，真空泵为粗抽机械泵或分子泵；真空系统可根据不同来源或不同批次硅片切割废料或硅片切割废料熔融的硅熔体中杂质的含量、种类而定，如含挥发性杂质较高的硅片切割废料可采用多级真空泵保持炉口处具有相对较高的真空度，从而保证大量挥发性杂质的深度去除，又可以有效缩短熔炼周期。
所述收尘系统可以为布袋、旋风、重力或静电等收尘设备，可以同时收集熔炼过程中烟尘中夹带的微硅粉、硅粉等。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法通过微负压装置在硅熔炼主体设备的上部即硅片切割废料熔炼过程中在高温硅熔体的气液界面处营造微负压状态，避免高温条件下超细硅粉与氧接触氧化，降低超细硅粉的氧化损失提高硅的回收率，提高了生产产量；
(2)本发明方法通过微负压装置在硅熔炼主体设备的上部营造微负压状态，使得熔体中易挥发杂质在熔炼过程中挥发去除，深度脱除熔体中易挥发杂质，提高了产品工业硅的纯度；
(3)本发明方法通过微负压装置在硅熔炼主体设备的上部营造微负压状态，从而实现硅片切割废料熔炼过程中硅熔体同步精炼提纯的目的，减少了常规工业硅炉外精炼提纯的工序，缩短了高纯工业硅冶炼流程，节约了单位生产能耗，属于一种清洁生产的新技术；
(4)本发明方法通过微负压装置在硅熔炼主体设备的上部营造微负压状态，最大限度的降低了高温熔炼过程中超细硅粉与空气或氧气的氧化接触，使得熔炼过程对原料的选择性要求降低而更使用于高氧含量和高杂质含量的硅片切割废料原料，解决了高氧含量和高杂质含量原料处理困难、利用率不足的难题，减少了大量难处理原料堆积过程中对环境的污染影响；
(5)本发明方法为针对硅片切割废料的低成本高效辅助除杂方法，具有设备简单、操作容易、适合规模化工业生产等优点。
附图说明
图1为微负压装置与熔炼装置配合示意图；
图2为升降-旋转系统连接示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式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。
本发明微负压装置与熔炼装置配合示意图见图1，微负压装置包括依次连接的集烟罩、烟道、真空机组和收尘装置，集烟罩设置在熔炼装置的炉口正上方，集烟罩与熔炼装置的炉口密闭连接以形成密闭腔体；集烟罩外壁连接设置有升降-旋转构件，升降-旋转构件包括控制器、驱动伺服电机I、驱动伺服电机II、传动轴I、传动轴II和夹持连杆，夹持连杆一端与集烟罩外壁固定连接，夹持连杆另一端与传动轴I的顶端固定连接，传动轴I的底端通过滚珠轴承或滚针轴承与传动轴II的顶端连接，传动轴I可在传动轴II的顶端旋转，传动轴II的底端与驱动伺服电机II的输出轴固定连接，驱动伺服电机II为步进往复电机，驱动伺服电机I通过支撑杆固定设置在传动轴II上，驱动伺服电机I的输出轴上设置有齿轮I，传动轴I上套设有齿轮II，齿轮I与齿轮II位于同一水平面上且啮合传动；驱动伺服电机I、驱动伺服电机II分别与控制器电连接；集烟罩外壁设置有耐火层和冷却水套；熔炼装置的顶部开口，可从顶部通入气体，加入造渣剂和倾倒出渣和硅液，熔炼过程中的烟尘烟气在气液界面处产生并在微负压作用下收集于集烟罩中，集烟罩口面积可以覆盖熔炼装置的整个顶部开口，集烟罩的升降-旋转构件可根据不同熔炼时期进行高度调整，例如通气过程和加入造渣剂时可适当升高，加入或放出硅液时可以提升集烟罩至特定高度；集烟罩的耐火层可保证烟罩承受不同的熔炼温度；集烟罩可以为圆底型、锥形型、四面体棱台型等形状，具体尺寸和截面形状可根据具体熔炼装置顶口几何形状和尺寸而定以保证烟罩与炉口的完好衔接，从而避免了炉气的跑、冒、漏等，并确保集烟罩内的微负压环境；集烟罩材质可以为不锈钢壳层、钢套等，外壁衬有耐火层及冷却水套，既保证集烟罩的刚度、强度和耐高温性，又避免外来污染源对硅熔体的污染；真空装置的真空设备为一级或多级联用的真空泵，真空泵为粗抽机械泵或分子泵；真空系统可根据不同来源或不同批次硅熔体中杂质的含量、种类而定，如含挥发性杂质较高的硅熔体可采用多级真空泵保持炉口处具有相对较高的真空度，从而保证大量挥发性杂质的深度去除，又可以有效缩短熔炼周期；收尘系统可以为布袋、旋风、重力或静电等收尘设备，可以同时收集熔炼过程中烟尘中夹带的微硅粉、硅粉等。
实施例1：一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，具体步骤如下：
(1)云南某地的硅片切割废料进行感应熔炼，使得散装的粉料熔化为高温硅液；以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为6000ppm，Ca为3000ppm；
(2)为进一步降低Al、Ca，在步骤(1)感应熔炼同时，进行微负压熔炼，将微负压装置的集烟罩通过升降-旋转构件移至熔炼装置(感应炉)的炉口正上方，使得集烟罩口可覆盖过炉口，开启微负压装置的真空装置(两级联用机械真空泵)硅片切割废料进行微负压熔炼并同步精炼，以避免超细硅粉在熔炼过程中氧化损失并除去硅熔体中的易挥发性杂质，其中炉口压力约为0.1个大气压，微负压熔炼的时间持续至通气结束后10min；
(3)微负压熔炼结束后关闭微负压装置，将微负压装置移至初始位置，将步骤(2)微负压熔炼的除杂硅熔体进行炉外浇铸得到工业硅产品；
以质量百分数计，本实施例工业硅产品中杂质含量为Al<800ppm，Ca<600ppm。
实施例2：一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，具体步骤如下：
(1)云南某地的硅片切割废料进行感应熔炼，使得散装的粉料熔化为高温硅液；以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为11000ppm，Ca为3000ppm；
(2)为进一步降低Al、Ca，将步骤(1)感应熔炼的高温硅液进行造渣熔炼；其中造渣剂为CaO，以硅片切割废料的质量计，CaO的添加量为2kg/吨；加入造渣剂CaO后通入工业用压缩氮气，通气时间约为15min；
(3)在步骤(2)造渣熔炼的同时进行微负压熔炼，将微负压装置的集烟罩通过升降-旋转构件移至熔炼装置的抬包口正上方，使得集烟罩口可覆盖过抬包口，开启微负压装置的真空装置(两级联用机械真空泵)硅片切割废料进行微负压熔炼，使硅片切割废料熔化的硅熔体进行微负压熔炼并同步精炼提纯，以除去硅熔体中的易挥发性杂质，其中炉口压力约为0.1个大气压，微负压熔炼的时间持续至通气结束后5～10min；
(4)微负压熔炼结束后关闭微负压装置，将微负压装置移至初始位置，将步骤(3)微负压熔炼的除杂硅熔体进行炉外浇铸得到工业硅产品；
以质量百分数计，本实施例工业硅产品中杂质含量为Al<600ppm，Ca<800ppm。
实施例3：一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，具体步骤如下：
(1)云南某地的硅片切割废料进行感应熔炼，使得散装的粉料熔化为高温硅液；以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为8000ppm，Ca为500ppm；
(2)为进一步降低Al、Ca，将步骤(1)感应熔炼的高温硅液进行吹气造渣复合熔炼；其中吹气为顶吹通气，气体为工业氧气，通气时间约为10min，通气压力为1.2-2个大气压，气体流速为0.2-1m3/s；造渣剂为CaO，以硅片切割废料的质量计，CaO的添加量为1kg/吨；
(3)在步骤(2)吹气造渣熔炼的同时进行微负压熔炼，将微负压装置的集烟罩通过升降-旋转构件移至熔炼装置的炉口正上方，使得集烟罩口可覆盖过炉口，开启微负压装置的真空装置(两级联用机械真空泵)硅片切割废料进行微负压熔炼，使硅片切割废料熔化的硅熔体进行微负压熔炼并同步精炼提纯，以除去硅熔体中的易挥发性杂质，其中炉口压力约为0.1个大气压，微负压熔炼的时间持续至通气结束后5～10min；
(4)微负压熔炼结束后关闭微负压装置，将微负压装置移至初始位置，将步骤(3)微负压熔炼的除杂硅熔体进行炉外浇铸得到工业硅产品；
以质量百分数计，本实施例工业硅产品中杂质含量为Al<200ppm，Ca<300ppm。

Claims (5)

1.一种硅片切割废料微负压下熔炼的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将微负压装置移至熔炼的炉口正上方，开启微负压装置的真空装置使硅片切割废料进行微负压熔炼并同步精炼，以避免超细硅粉在熔炼过程中氧化损失并除去硅熔体中的易挥发性杂质。
2.根据权利要求1所述硅片切割废料微负压下熔炼的方法，其特征在于：熔炼包括吹气熔炼、造渣熔炼或吹气-造渣复合熔炼。
3.根据权利要求1所述硅片切割废料微负压下熔炼的方法，其特征在于：微负压装置包括依次连接的集烟罩、烟道、真空机组和收尘装置，集烟罩设置在熔炼装置的炉口正上方且集烟罩与熔炼装置的炉口密闭连接以形成密闭腔体。
4.根据权利要求3所述硅片切割废料微负压下熔炼的方法，其特征在于：集烟罩外壁与天车悬吊或升降-旋转构件系统连接。
5.根据权利要求4所述硅片切割废料微负压下熔炼的方法，其特征在于：升降-旋转构件包括控制器、驱动伺服电机I、驱动伺服电机II、传动轴I、传动轴II和夹持连杆，夹持连杆一端与集烟罩外壁固定连接，夹持连杆另一端与传动轴I的顶端固定连接，传动轴I的底端通过滚珠轴承或滚针轴承与传动轴II的顶端连接，传动轴I可在传动轴II的顶端旋转，传动轴II的底端与驱动伺服电机II的输出轴固定连接，驱动伺服电机II为步进往复电机，驱动伺服电机I通过支撑杆固定设置在传动轴II上，驱动伺服电机I的输出轴上设置有齿轮I，传动轴I上套设有齿轮II，齿轮I与齿轮II位于同一水平面上且啮合传动；驱动伺服电机I、驱动伺服电机II分别与控制器电连接。
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