CN112584950A

CN112584950A - 造粒方法及装置

Info

Publication number: CN112584950A
Application number: CN201980042366.6A
Authority: CN
Inventors: 齐·奇奇格诺德; 欧雷莉·佛沃
Original assignee: Grenoble Polytechnic Institute; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Grenoble Polytechnic Institute; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2021-03-30
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: WO2020007720A1; EP3817877A1; TW202014258A; CN112584950B; FR3083465A1; FR3083465B1

Abstract

本发明目的在于一种造粒方法，所述造粒方法包括用于形成液滴流形式的不连续液态金属流的预造粒步骤、以及用于通过在一冷却旋转盘上接收到的液滴的碎裂以及固化来形成固态金属晶粒的雾化步骤。本发明的另一个目的是一种造粒系统，所述造粒系统包括坩埚及与所述坩埚连接的毛细管、以及用于在毛细管的出口处产生不连续液态金属流的装置，所述装置被配置为形成液滴流。所述系统也包括冷却转盘，所述冷却转盘被配置为接收液滴流、碎裂及固化所述液滴以形成固态金属晶粒。

Description

造粒方法及装置

技术领域

本发明与熔融金属造粒领域有关。更具体地，本发明与设备件及使得可以从熔融金属获得金属晶粒的方法有关。其在产生硅晶粒中将具有益处但非限制应用。

背景技术

可以有利地执行从熔融金属产生晶粒以再利用硅粉。

这些硅粉通常来自例如在太阳能电池生产链中的硅晶圆生产期间对硅铸锭的切割。因此，多达50％的铸锭可被还原成粉末并浪费掉。

硅晶圆工业生产的一个重大挑战在于：增强这些粉末，特别是以可重复使用的再利用材料的形式，来生产铸锭。

然而，这些粉末不能直接在铸锭固化坩埚中重复使用。它们确实具有增加的氧气速率、仅可能使坩埚填充率低、并且易挥发。

因此，在能重新被插入太阳能电池生产链中的铸锭固化坩埚前，这些粉末需要成形。

成形解决方案包括将这些粉末熔化、然后从熔融材料形成固态金属晶粒。此解决方案称为造粒。

已经公开了几种熔融金属造粒解决方案。

文献「L.Nygaard等人，Water granulation of ferrosilicon and siliconmetal(硅铁及硅金属的水造粒)，Infacon，挪威，1995」提出一种通过将熔融金属液滴喷射到液态水浴中的造粒方法。

然而，此方法不适用于硅的工业造粒，且更广泛来说，不适用于其氧化物不是钝化剂的金属的造粒。

对于这些金属，此方法的缺点是在液滴固化为晶粒及其氧化的期间气态二氢的形成。气态二氢确实具有板爆炸性域。与此气体有关的安全问题使此方法在工业上不适用。

文献US 5094832公开一种通过以加压气流将连续的熔融硅射流雾化来产生硅粉的方法。

此方法的缺点是其实施成本。使用加压气流实际上需要流体网路，其维护成本增加。此外，雾化期间的气体消耗也增加了这种方法的作业成本。

文献「S.J.Savage等人，Production of rapidly solidified Metals andAlloys(快速固化的金属及合金的生产)，Journal of Metals(金属学报)，1984年4月」提出了金属及合金的不同快速固化技术。特别地，其提出了通过离心法的液态金属快速固化。此方法包括将连续的液态金属流喷射到冷却的旋转盘上。旋转盘的转速约为35000rpm。

此方法的缺点是，其需要增加离心能量。特别地，大约35000rpm的这种转速在实施上是复杂的。

此方法的另一个缺点是设备的机械零件的快速劣化。特别地，以此转速旋转的盘的机械元件承受高机械应力、并且可能遭受快速磨损。因此，此方法的可靠性降低。其实施具有增加的运作成本。

此方法的另一个缺点是旋转盘中冷却系统的复杂管理。适于旋转盘的这种转速的冷却系统确实特别复杂且实现上是昂贵的。

本发明的目的是克服上述缺点中的至少其一。

特别地，本发明的目的是提出一种用于形成固态金属晶粒的方法，其实施成本降低及/或其可靠性提高。

本发明的另一个目的是提出一种与工业生产相容的用于形成固态金属晶粒的方法。

本发明的另一个目的是提出一种用于从来自切割硅铸锭的硅粉来形成硅晶粒的方法。

本发明的另一个目的是提出一种用于形成固态金属晶粒的系统，所述系统是可靠的并且与固态金属晶粒的工业生产相容。

发明内容

本发明的第一方面与一种用于从此液态金属形成固态金属晶粒的方法(称为造粒法)有关。

有利地，此方法至少包括下列步骤：

-向坩埚提供此固态金属粉末的步骤，

-预造粒步骤，至少包括下列步骤：

ο例如通过熔化所述固态金属粉末(M_pow)，在坩埚中提供此液态金属，

ο在与所述坩埚连接的至少一毛细管的入口处形成液态金属的连续流，然后

ο从所述连续流形成液态金属的不连续流，以产生落在所述至少一毛细管的出口处的液态金属液滴流，以及

-雾化步骤，至少包括以下步骤：

ο接收在旋转容器的接收表面上产生的液滴流，所述表面旋转以分裂液滴，并且所述表面具有的温度比金属熔化温度低至少两倍，优选低至少十倍，以将液滴的液体部分固化为固态晶粒。

根据本发明的造粒方法具有降低的实施成本。特别地，此方法的实施成本小于通过加压气流的雾化方法的实施成本。

相反地，使用足够冷的旋转表面来分开液态金属流并以晶粒形式固化所述金属使得可以限制造粒方法的成本。接着，关于所述方法的附加价值，此造粒方法的实施成本是可以接受的。因此，此方法可以在工业上使用。

根据本发明，可以有利地显著降低将连续的液态金属流分成足够小的部分使得这些部分以晶粒的形式被固化所需的离心能量，特别是相对于文献「S.J.Savage等人，Production of rapidly solidified Metals and Alloys(快速凝固的金属及合金的产生)，Journal of Metals(金属学报)，1984年4月」中提出的不同的快速固化技术。

根据本发明的方法，液滴流的预先形成实际上可能显著降低将这种流在用于接收旋转容器的表面上分开所需的离心能量。特别地，旋转容器的接收表面的转速可以例如大幅降低十倍。

因此，相对于现有的造粒方法，本发明的造粒方法具有降低的实施成本以及提高的可靠性。

因此，本发明的造粒方法对于固态金属晶粒的工业生产特别有利。

此外，所提出的造粒方法属于称为「干」的造粒方法的范围，所述造粒方法不产生任何氢。

本发明的第二方面与一种用于形成固态金属晶粒的系统(称为造粒系统)有关，所述系统包括用于在系统上部的水平供应所述固态金属的粉末的装置；旨在用于容纳在液态的所述金属的坩埚；从坩埚延伸且被配置为赋能液态金属流的至少一毛细管；以及至少一旋转容器，具有接收表面以及包括用于冷却所述接收表面的装置，所述接收表面旨在用于接收液态金属流。

有利地，所述系统包括用于从在至少一毛细管的入口处的连续液态金属流产生不连续的液态金属流的装置，以产生落在所述至少一毛细管的出口处的液态金属液滴流，旋转容器被配置为使得所述接收表面被旋转，以及冷却装置被配置为使得所述接收表面具有的温度比金属熔化温度低至少两倍、且优选地低至少十倍，以将液滴的液体部分固化成固态晶粒。

此系统有利地使得可以实施根据本发明的第一方面的造粒方法。此系统的技术效果及优点在比照、对应于根据本发明的第一方面的方法的技术效果及优点。

附图说明

在阅读以下详细说明并参考作为非限制性范例给出的所附图式，本发明的其他特征、目的以及优点将显现，且其中：

-图1示出了根据本发明实施方式的用于形成固态金属晶粒的系统；

-图2示出了图1所示系统的一部分的放大图。

图式作为范例给出、并不限制本发明。这些图式构成旨在促进对本发明的暸解的原理示意图、并且不一定达到实际应用的规模。特别地，落入坩埚中的粉末颗粒的尺寸实际上可以比最终形成的固态金属晶粒的尺寸小很多。

具体实施方式

根据本发明的第一方面，本发明尤其包括以下可选特征，这些可选特征可以结合使用或替代地使用：

-所述方法包括：在雾化步骤之后，通过离心将晶粒排出。

-所述方法包括：在排出晶粒之后，收集所排出的固态晶粒的步骤。

-所述雾化步骤被配置为使得接收表面的转速在100rpm与3000rpm之间，优选地实质上等于500rpm。

这样的雾化步骤特别是在要求转速大于超出十倍的技术方面需要减少的实施能量。

-产生不连续流的步骤包括通过在所述连续液态金属流上施加调变磁场以使连续流失稳的步骤。

这种失稳步骤有利地使得可以形成包括均一尺寸的液滴的液滴流。在雾化步骤之后，均一尺寸的此液滴流以均一尺寸的固态金属晶粒发生。

-将调变磁场施加到至少部分地被包含在至少一毛细管内的连续液态金属流。

-将调变磁场施加到落在至少一毛细管的出口处的连续液态金属流。

-例如根据100Hz与10kHz之间的频率对磁场进行频率调变。

在此范围中的频率调整使得可以控制液滴的尺寸。此外，这种调整使得可以从不同的液态金属产生均一尺寸的液滴流。

-不连续流的产生是通过至少一毛细管内的毛细作用来完成。

-不连续流的产生是通过至少一毛细管内的毛细作用以及对连续流施加调变磁场来完成。

-不连续流的产生是仅通过对连续流施加调变磁场来完成。

-所述方法更包括向坩埚提供固态金属粉末的步骤。

所述方法有利地使得可以再利用固态金属粉末。

-所述金属是硅、铝、铝硅合金以及镓中的一种。

所述方法有利地使得可以产生硅、铝、铝硅合金以及镓中的一种的晶粒。

-所述金属是铂(Pt)、钨(W)、铑(Rh)、铱(Ir)、钽(Ta)中的一种。

所述方法有利地使得可以产生铂、钨、铑、铱、钽中的一种的晶粒。称为贵金属的这些金属的粉末的再利用具有显著的经济利益。此外，这些金属具有与硅的熔点及/或热行为类似的增高的熔点及/或热行为。因此，为硅粉的再利用所确定的方法的参数(例如，转速、冷却温度、液滴的流动)可以容易且有利地转移并适于具有高熔点的这些贵金属的粉末的再利用。

根据本发明的第二方面，本发明尤其包括以下可选特征，这些可选特征可以结合使用或替代地使用：

-旋转容器被配置为使得接收表面具有的转速在100rpm与3000rpm之间，优选地实质上等于500rpm。

这样的速度使得可以限制旋转的机械部件的磨损。因此，提高了可靠性并且降低了系统的维护成本。此外，这样的速度使得可以简化用于冷却接收表面的装置的管理。冷却装置的成本也降低了。

-用于产生不连续流的装置包括用于产生调变磁场的装置以及至少一毛细管中的至少其一。

-所述用于产生调变磁场的装置被配置为通过在所述连续流上施加根据100Hz与10kHz之间的频率的调变磁场以使液态金属的连续流失稳。

对于不同的液态金属，此装置使得可以精确地控制液滴的尺寸。

-所述用于产生调变磁场的装置被配置为至少部分地与所述至少一毛细管接合，使得所述磁场在所述至少一毛细管内及/或外部产生所述液态金属的流动的不稳定性，以在所述至少一毛细管的出口处形成均一尺寸的液滴。

此用于产生磁场的装置例如可以有利地放置在所述至少一毛细管附近，以改善根据本发明形成的晶粒的均匀性。

-所述接收表面是凹的。

凹的接收表面使得可以增加冷却的表面与液态金属液滴的部分之间的接触时间，特别是在通过离心排出晶粒之前。液滴的部分的冷却更快地完成。液滴的部分的快速固化成晶粒被改善。

-所述接收表面具有旋转中心，所述旋转中心相对于流动轴线或在所述至少一毛细管的出口处的液滴的落下偏移距离d，所述距离d优选大于所述接收表面的一半-半径。

偏移的旋转中心使得可以避免在速度为零的所述接收表面的中心积聚液滴及/或晶粒。

-所述接收表面被涂覆有阻隔材料，所述阻隔材料被配置为限制由构成旋转容器的材料对液态金属液滴的污染。

在本专利申请案中，高度是沿着与经由重力落下的液态金属流的自由流动平行的方向取得。

在本发明的范围中，关于「金属」，这是指具有液态金属性能的材料。此材料可以单体形式或合金形式呈现。因此，在本申请案中硅被认为是金属。

由本发明的造粒方法及/或系统处理的金属优选具有增加的熔点，例如大于1400℃。以非限制性方式，可以通过本发明的造粒方法及/或系统有利地处理以下金属：硅、铂(Pt)、钨(W)、铑(Rh)、铱(Ir)、钽(Ta)。

硅可以元素形式呈现、组成或化合。此处所称的硅对应于其元素硅含量为至少90质量％的材料。金属类型(例如，Fe、Cu、Al)或轻质(例如，C、O、N)的主要杂质可以表示单独占硅组成物的数个百分点，合计最多是其组成物的10质量％。

本发明尤其旨在将固态金属粉末运送到固态金属晶粒中。粉末及晶粒是通过其各自的粒径范围而不同的粒子集合体。

特别地，粉末包括其尺寸(即较大尺寸)优选大于几百奈米(例如500nm)并且小于几百微米(例如500μm)的颗粒。

晶粒包括其尺寸优选大于500μm并且小于几毫米(例如15mm)的颗粒。此外，晶粒优选具有球形形状。其尺寸随后对应于其平均直径或其最大直径。

相对于粉末的粒径，晶粒的粒径更大，优选大得多，例如至少大十倍。

关于「毛细管」，这是指内径非常小的管，例如，在0.1mm与5mm之间、并且优选在0.5mm与5mm之间的内径。特别地，毛细管使得可以降低循环通过的流体的压力。

关于「阻隔材料」，这是指对液态金属是化学惰性的材料。被插入在液态金属与支撑此金属的表面之间的这种材料有利地形成了对液态金属的种类与构成所述表面的一种或多种材料之间的种类相互扩散的阻隔。

关于「实质上等于」，这是指「等于给定值、多于或少于几乎是此值的10％」的给定值。

关于「钝化剂」，这是指在固态金属上形成保护膜的金属氧化物的性质。可以将其氧化物是钝化剂的金属的晶粒例如在水中冷却而无需进一步氧化。

现在，将参照附图详细描述本发明。

图1示出了根据本发明的造粒系统的实施方式，其使得可以实施根据本发明的造粒方法。因此，以下描述是基于此图1，以描述造粒系统的部分以及造粒方法的步骤。

根据本发明的造粒方法包括旨在形成液态金属液滴流的至少一预造粒步骤、接着是旨在从所述液态金属液滴流形成固态金属晶粒的雾化步骤。

根据本发明的造粒系统包括至少一坩埚1，所述坩埚1具有的直径优选在5cm与50cm之间，能够容纳液态金属M_liq。此坩埚1可以例如是石墨基的。

坩埚1的壁对所述金属优选是化学惰性的，以避免所述液态金属M_liq的玷污或污染。壁可以被涂覆有对构成坩埚1的种类的扩散形成阻挡的材料。

特别地，此坩埚1可以容纳例如液态硅或液态铝、或其金属氧化物不是钝化剂的任何其他金属。

这样的坩埚1是广为本领域中具有通常知识者所知的。

造粒系统优选地被限制在大气压外壳100中。可以例如通过抽真空或通过以例如氩之类的中性气体进行填充来控制此气压。

这样的受控气压有利地使得例如可以将在固态金属熔化期间形成的气体吹扫成液态金属。

这样的受控气压也使得可以避免在外壳100中包含的金属的氧化。

为了开始所述方法，优选地，在熔化固态金属以获得直接在坩埚1内的液态金属M_liq浴之前，所述坩埚1首先被预填充例如粉末M_pow形式的此固态金属。

为了更有效，此预填充步骤也可以用固态金属块部分地进行。因此，可以在坩埚1中混合所述固态金属粉末M_pow以及固态金属块。

固态金属块的熔化比此金属的粉末的熔化有利地更容易实现，特别是如果所述粉末被部分氧化。随后，首先在金属块的水平上开始所述金属的熔化。来自熔融金属块的液态金属因此可以润湿周围的金属粉末并促使所述金属粉末的熔化。

此外，对于通过给定的固态金属预填充坩埚1的高度，特别是因为金属块的密度大于金属粉末的密度，由于固态金属块熔化而产生的液态金属M_liq浴的体积可以大于由于此金属的粉末熔化而产生的液态金属的体积。

在高度氧化的硅粉的情况中，例如在专利申请案FR 18/00572中描述了一种从此粉末产生熔融硅的装置。

为了在坩埚1内获得液态金属M_liq浴，所述系统优选地包括加热装置，所述加热装置被配置为优选地直接在坩埚1内熔化固态金属。

此加热装置可以被配置为通过坩埚1的壁以及底部的辐射及/或传导来加热固态金属。其可以替代地被配置为通过感应或电阻性地直接加热所述金属。

螺旋部12例如可以被布置在坩埚1附近、并且通过隔离元件13与坩埚1分隔开，以在所述金属内产生电磁感应现象并且随后熔化此金属。

来自预填充步骤，加热最初由坩埚1包含的、以块及/或粉末形式的固态金属使得可以获得初始的液态金属浴。

坩埚1优选地在坩埚1的底部的水平处具有出口孔口10，使得液态金属M_liq流动。此孔口10优选地被连接至毛细管2，以控制所述液态金属的流动。

随后可以有利地开始所述方法。

因此，坩埚1可以再次被填充有固态金属，所述固态金属然后可以被熔化，使得所述液态金属经由毛细管2再次流动。

此方法优选是连续的。

坩埚1优选是在上部水平处被供应有金属粉末M_pow。

所述系统在上部中可以包括粉末储槽11或另一个粉末M_pow供应装置11。在上部的所述供应装置11的定位使得可以经由重量测定法进行粉末供应。粉末的细粒度确实需要合适的供应装置11，以通过静电粘附防止或限制颗粒的聚集。例如，加压供应装置有利于静电吸附并且不适合粉末供应。

向坩埚供应粉末的步骤可以被配置为连续地或间歇地递送所述金属粉末M_pow。

粉末M_pow供应装置11优选地被配置为递送非常高的粉末体积流量，例如大于1kg.h^-1。

这使得可以补偿供给坩埚1的粉末的低密度(通常是小于块形式的压缩形状的密度的更低量值)。这使得可以获得具有符合工业需要或需求的晶粒的质量流量的造粒方法或系统。

粉末M_pow供应装置11优选地被配置为避免粉末M_pow阻塞所述供应装置11。为此，供应装置11可包括至少一个通道，所述通道具有粉末M_pow的足够大的通道横截面，通常严格大于3cm，优选大于或等于5cm，以避免所述通道中的压力变化，这会有利于在通道壁上粉末M_pow的聚集或粘附。通道的壁也优选地分别具有最佳化的大尺度以及小尺度粗糙度R_g及R_p，以避免任何粉末M_pow开始在所述壁上积聚。例如，大尺寸以及小尺寸粗糙度可以使得R_p≤0.4μm以及R_g≤0.3.R_p。

这使得可以避免粉末在壁上的积聚，粉末的积聚通常通过形成压实的粉末状金属实心圆顶而通常导致通道的阻塞。

这最终使得可以改善在供应装置11中粉末M_pow的流动性。

优选地维持坩埚1内的金属的加热，以在坩埚1内维持液态金属浴。

仅是可选的以及随意的预填充步骤使得可以更快速地熔化来自储槽11的金属粉末M_pow。

实际上，金属粉末M_pow通过与初始液态金属浴的接触而比仅通过与坩埚1接触的作用更容易被熔化。因此，初始液态金属浴使得可以更快地形成并维持液态金属M_liq浴，从所述液态金属M_liq浴可以连续实施造粒方法。

为了使液态金属流过毛细管2，液态金属M_liq浴必须在坩埚1中具有最小高度H_min。此最小高度H_min可以根据所考虑温度下金属的固有物理特性、以及根据毛细管2的尺寸来界定。

图2示出了液态金属浴的流动条件。如果与液态金属管柱20的重量相关联的重力大于此管柱20的圆周上的表面张力，则液态金属流过半径为R的圆柱形毛细管2。

管柱20具有总高度H、以及部分地位于坩埚1中且部分地位于毛细管2中。

坩埚1中的管柱20高度为h₁、以及毛细管2中的管柱20高度为h₂，使得H＝h₁+h₂。

随后，如果满足以下条件，则流动条件被证实：

ρgπR²H＞γ2πR

即

其中ρ是液体的密度，

且γ为所考虑温度下液体的表面张力。

使得流动能进行的最小管柱20高度为：

因此，使得流动能够进行的坩埚1中的最小高度H_min为：

粉末供应流优选地被配置为使得坩埚1中的液体浴的高度总是大于H_min。

随后，造粒方法可以是连续的。

下表以非限制性方式示出了：针对硅以及针对铝，根据毛细管2的半径的在管柱20中的一些最小高度值。

例如，对于1450℃的硅：

根据「F.Millot等人，The surface tension of liquid silicon at hightemperature(高温下液态硅的表面张力),Materials Science and Engineering(材料科学与工程)A 495(2008)8–13」，表面张力γ_Si ^1450℃等于730mN/m，以及，根据「H.Sasaki等人，Density Variation of Molten Silicon Measured by an Improved ArchimedianMethod(通过改进的阿基米德方法测得的熔融硅密度变化),Jpn J Appl.Phys.33(1994)，第3803-3807页」，密度ρ_Si ^1450℃等于2.57g.cm^-3。

因此，一旦管柱20的高度H大于下表中指出的值H_min，则1450℃下液态硅将流动：

毛细管2的半径R(mm)	管柱20的高度H<sub>min</sub>(cm)
		3	1.93
4	1.44
		5	1.15
6	0.96

例如，对于660℃下的铝：

例如，根据「V.Sarou-Kanian，Surface Tension and Density of Oxygen-FreeLiquid Aluminum at High Temperature(高温下无氧液态铝的表面张力和密度),International Journal of Thermophysics(国际热物理学杂志),(2003)Vol.24,No.1」，表面张力γ_Al ^660℃等于1040mN/m，以及，根据https://www.aqua-calc.com/page/density- table/substance/liquid-blank-aluminum，密度ρ_Al ^660℃等于2.38g.cm^-3。

因此，只要管柱20的高度H大于下表中指出的值H_min，660℃下液态铝将会流动：

毛细管2的半径R(mm)	管柱20的高度H<sub>min</sub>(cm)
		3	2.97
4	3
		5	1.78
6	1.48

毛细管2的半径R可以在2mm与10mm之间。

优选地且有利地，毛细管2的高度h₂为非零、并且在1mm与50mm之间。

也称为「液滴尖端」的这种毛细管2使得可以避免坩埚1底部中的出口孔口10的水平处(特别是在此孔口10边缘的水平处)液态金属不受控制地流动。

此「液滴尖端」使得可以平衡在管柱20的高度与管柱20的底部之间的压力，因此避免了在管柱20内中央气体管柱的形成。因为这是在孔口10边缘如此进行的，这样的气体管柱确实对控制液态金属流动有害。

此外，液滴尖端使得能够防止液态金属液滴从坩埚1底部的外表面上的孔口10边缘扩散。

液态金属的流动在液滴尖端存在下导致液滴尖端出口处的液滴放大、或者在不存在任何液滴尖端下导致液滴以液膜形式(通过最小化表面能量)在坩埚1底部的外表面上扩散。

液滴尖端可能产生垂直壁，以利于通过重力而以液滴形式流动。

液态金属M_liq随后可以在毛细管2的出口孔口10的水平处、在毛细管2的入口处连续地流动、并且在毛细管2的出口处以液滴M_drop的形式不连续地流动。

为了引起在连续流与不连续流之间的过渡，在液态金属的连续流中自发地产生不稳定性。

这种不稳定性可能通过毛细作用、通过选择坩埚1中液态金属的高度h₁＝h_1eq、以及通过使高度h₁在h_1eq附近变化而引起。

这样的高度h_1eq优选地被选择，使得与高度h_1eq的液态金属管柱20的重量相关联的重力实质上等于在此管柱20的圆周处的表面张力。此高度h_1eq随后对应于液态金属流的平衡点。

通过使液态金属浴的条件在这种平衡点附近略有变化，可以形成不连续流动。

特别地，略高于此高度h_1eq的管柱20高度将导致液态金属液滴的落下。因此，将粉末M_pow添加到坩埚1中将最终导致液滴的落下。

略小于此高度h_1eq的管柱20高度将中止液态金属流动。因此，在液滴落下之后，管柱20高度将减小并且液态金属流动将停止，特别是直到再次将粉末M_pow另外添加到坩埚1中使得以液滴形式的流动成为可能为止。

这种不稳定性也可能由具有的频率约为1kHz的可变磁场引起。

磁场被施加到连续的液态金属流，优选是在毛细管2的水平上。

这样的磁场使得可以在液态金属流中产生可控制且可再现的不稳定性。随后，在毛细管2的出口处形成的液滴M_drop有利地具有均一尺寸。

磁场的特征，特别是其频率，取决于所考虑的金属的特性。

例如，标题为「Formation of uniformly-sized droplets from capillarityjet by electromagnetic force(通过电磁力从毛细管喷射形成均匀尺寸的液滴),Seventh International Conference on CFD in the Minerals and ProcessIndustries,Australia,2009」的文献提出了流经磁场的液态镓流的失稳、以及均一尺寸的镓液滴的产生。

根据此文献，对于约320Hz的磁场，产生了均一尺寸的镓液滴。

此磁场使得其在液滴之间产生距离间隔，所述距离间隔对应于液态金属流的固有失稳波长。此波长特别是取决于液态金属的表面张力及电阻率。

磁场的频率可以根据要使其流动失稳的金属来调节。

磁场的频率可以在100Hz与1500Hz之间。

有利地，造粒系统可以包括围绕毛细管2布置的电磁铁线圈21，以产生此电磁场、以及随后在连续流中的不稳定性。

根据一种优选的可能性，不稳定性是由毛细作用以及可变磁场一起引起的。

液滴尺寸的分布随后具有减小的标准差。此外，此分布的再现性提高。

根据毛细管2的尺寸，在毛细管2的出口处流动的液滴流的质量流量(称为出口质量流量)可以是在0与60kg.h^-1之间，优选是在1与20kg.h^-1之间。

可以根据期望的出口质量流量来调整粉末供应流量。

在毛细管2的出口处的液滴流的形成对应于预造粒步骤的结束。

接下来的雾化步骤旨在从液滴M_drop流形成固态金属晶粒M_grain。

液态金属液滴M_drop优选被收集在旋转盘3的旋转接收表面30上。

此接收表面30可以具有的直径在10cm与50cm之间，优选地在10cm与30cm之间。

液滴优选地直接落在旋转接收表面30上。在毛细管2与表面30之间取得的液态金属液滴的落下高度可以在1cm与1m之间。

此旋转盘3的旋转使得可以雾化液滴，亦即将液滴碎裂。这种碎裂使得可以获得液滴的部分，其可以通过冷却而迅速被固化。

冷却优选地通过与接收表面30接触而直接进行。接触时间尤其是取决于表面30的旋转。接触时间尤其取决于表面30的旋转。旋转盘3的转速尤其是被选择为使得液态金属液滴在离开旋转盘3的接收表面30之前被固化。

此表面30优选是通过旋转盘3中的环境温度下的流体(例如18℃的水)的循环而被冷却。

为了增加液态金属液滴与旋转盘3的冷却表面30之间的热交换，此表面30优选地由具有导热率增加的金属(例如铜或铸铁)制成。

优选地，旋转盘3的接收表面30是凹的，以增加冷却表面30与液态金属液滴之间的接触时间。冷却因此被最佳化。

根据一种优选可能性，冷却被配置为排出大量热流，例如大于250W。这使得可以充分、迅速地冷却金属液滴，以获得足够低的晶粒温度，例如小于或等于所考虑的金属的熔融温度Tf的一半。称为「冷晶粒」的这种晶粒有利地限制了在晶粒与造粒系统(旋转盘、容器)的不同壁之间的接触期间可能发生的固体扩散(热活化)现象。因此减少了晶粒的污染。

这样的冷却也使得可以冷却具有增加的质量热容量c_x及/或熔化潜热的液滴，使得硅液滴(c_x～1000J.kg^-1.K^-1)。

硅是可能需要冷却的材料的范例，其尺寸可以排出大于400W的热流。实际上，相较于针对铝的8.5.10⁶J以及针对铁的1.1.10⁶J，为了将一公斤的熔融温度Tf的液态硅冷却到所述温度的一半(Tf/2)，必须排出大约1.6.10⁶J。因此，使用硅涉及排出相对于铁为50％的热余量以及相对于铝为100％的热余量。此外，硅的导热率比过渡金属的导热率低很多，例如，相较于铝的超过200W.m^-1.K^-1，在[Tf/2-Tf]范围内，硅具有的值在20与40W.m^-1.K^-1之间。因此，硅的冷却可能需要排出约400W的热流。

根据本发明的系统优选包括冷却装置，所述冷却装置被配置为排出大于或等于400W的热流。根据本发明的方法优选包括冷却步骤，所述冷却步骤被比照配置为排出大于或等于400W的热流。这使得可以避免在冷晶粒(即例如具有低于Tf/2的温度)朝向容器排出之前热晶粒(即具有例如Tf/2与Tf之间的温度)在旋转盘3上滞留时间的延长。因此改善了所产生的晶粒的质量流动。

与通过连续流的旋转碎裂相较下，通过液滴流的旋转的碎裂有利地需要更少的能量。

旋转盘3的转速随后可以在100与3000rpm之间。

这种速度小于文献中描述的快速凝固方法的转速的十分之一，有利地使得可以简化造粒系统、并使造粒系统及方法可靠。

特别地，与用于以大约35000rpm的转速冷却旋转盘的装置(对于此，例如会出现空腔问题)相反，旋转盘3的冷却装置可以相对简单地实现。

为了限制液态金属与盘3的表面30之间的任何污染，表面30也可以由阻隔材料保护。例如，在硅的情况下，表面30可以由氮化硅、二氧化硅或石墨层保护。

替代地或组合地，使用由无污染材料制成的容器(例如来自西门子的超清洁硅床)、或FBR(流化床反应器)型化学方法也可以限制污染。

在碎裂并冷却后，液滴的部分以晶粒M_grain的形式被固化。

然后，这些晶粒可以通过离心力朝向旋转盘3的外部排出。

根据优选的可能性，由轴线B支撑的接收表面30的旋转中心与液滴流的流动轴线A偏移距离d，以避免材料在旋转盘3的中心(转速为零)处积聚，距离d优选地大于所述盘的半径的50％。

考虑到其后来的使用，在排出之后，固态金属晶粒M_grain然后可以被收集在例如漏斗形式的容器4中、并且被引入可拆卸的容器5中。

特别地，根据本发明的装置及方法可以有利地被实施以从硅粉来工业生产硅晶粒。这些硅晶粒然后可以有利地用于光伏硅工业生产链中。

产生晶粒可以具有的质量流量为0与60kg.h^-1之间，优选为1与20kg.h^-1之间。

本发明不限于上述实施方式，而是扩展到落于权利要求内的所有实施方式。

特别地，金属可以是金属合金，例如铝硅AlSi合金。

液滴流的流动轴线A以及旋转盘的旋转轴线B不必彼此平行。

Claims

1.一种用于从一液态金属(M_liq)形成固态金属晶粒(M_grain)的方法，其特征在于所述方法包括至少下列步骤：

-向坩埚(1)提供所述固态金属的粉末(M_pow)的步骤，

-预造粒步骤，至少包括下列步骤：

○例如通过熔化所述固态金属粉末(M_pow)，在所述坩埚(1)中提供所述液态金属(M_liq)，

○在与所述坩埚(1)连接的至少毛细管(2)的入口处形成液态金属的连续流，然后

○从所述连续流形成液态金属(M_liq)的不连续流，以产生落在所述至少毛细管的出口处的液态金属液滴(M_drop)流，以及

-雾化步骤，至少包括以下步骤：

○接收在旋转容器(3)的接收表面(30)上的所述产生的液滴(M_drop)流，所述表面(30)旋转以分裂所述液滴，所述表面(30)还具有比一金属熔化温度低至少两倍、且优选低至少十倍的温度，以将液滴的液体部分固化为固态晶粒(M_grain)。

2.根据前述权利要求所述的方法，其中所述雾化步骤被配置为使得所述接收表面(30)的转速是在100rpm与3000rpm之间。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述产生所述不连续流的步骤包括通过在所述连续液态金属流上施加调变磁场以使所述连续流失稳的步骤。

4.根据前述权利要求所述的方法，其中所述调变磁场是根据100Hz与10kHz之间的频率而被调变。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述金属是硅、铂(Pt)、钨(W)、铑(Rh)、铱(Ir)、钽(Ta)中的一种。

6.一种用于形成固态金属晶粒(M_grain)的系统，包括用于在所述系统的上部的水平处供应(11)固态金属的粉末(M_pow)的装置；坩埚(1)，旨在用于容纳在液态的所述金属(M_liq)；至少毛细管(2)，从所述坩埚(1)延伸且被配置为赋能液态金属(M_liq)流；以及至少旋转容器(3)，具有旨在用于接收所述液态金属流(M_liq)的接收表面(30)以及包括用于冷却所述接收表面(30)的装置，所述系统的特征在于，其包括用于在所述至少毛细管(2)的入口处从连续液态金属流产生不连续液态金属流的装置，以产生落在所述至少毛细管(2)的出口处的液态金属液滴流(M_drop)，且特征在于，所述旋转容器(3)被配置为使得所述接收表面(30)被旋转，以及所述冷却装置被配置为使得所述接收表面(30)具有的温度比所述金属的一熔化温度低至少两倍、且优选为低至少十倍，以固化固态晶粒液滴(M_grain)的液体部分。

7.根据前述权利要求所述的系统(10)，其中所述旋转容器(3)被配置为使得所述接收表面(30)具有在100rpm与3000rpm之间的转速。

8.根据前述两项权利要求中任意一项所述的系统(10)，其中用于产生所述不连续流的所述装置包括用于产生调变磁场的装置以及所述至少一毛细管(2)中的至少其一。

9.根据前述权利要求所述的系统(10)，其中用于产生调变磁场的所述装置被配置为通过根据100Hz与10kHz之间的频率以在所述连续流上施加调变磁场来使所述液态金属连续流失稳。

10.根据权利要求6～9中任意一项所述的系统(10)，其中所述接收表面(30)是凹的。

11.根据权利要求6～10中任意一项所述的系统(10)，其中所述接收表面(30)具有旋转中心，所述旋转中心相对于所述至少毛细管(2)的所述出口处的所述液滴(M_drop)的流动轴线(A)偏移一距离d，所述距离d优选大于所述接收表面(30)的一半-半径。

12.根据权利要求6～11中任意一项所述的系统(10)，其中所述接收表面(30)被涂覆有阻隔材料，所述阻隔材料被配置为限制由构成所述旋转容器(3)的所述材料对所述液态金属液滴(M_drop)的污染。