CN114308317A - 多晶硅棒破碎系统及破碎方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种多晶硅棒破碎系统及破碎方法，涉及多晶硅生产技术领域。多晶硅棒破碎系统包括运输室、加热室、冷却室、破碎室和搬运机构，运输室、加热室、冷却室和破碎室依次连通，加热室具有加热机构，冷却室具有冷却机构，破碎室具有破碎机构，加热机构包括固定于加热室的加热感应线圈，多晶硅棒能够在传输机构的传输过程中穿过加热感应线圈；运输室、加热室、冷却室和破碎室设置有传输机构，传输机构能够将多晶硅棒在运输室、加热室、冷却室和破碎室依次传输；搬运机构用于将还原炉内的具有余热的多晶硅棒直接搬运至运输室的传输机构进行传输。多晶硅棒破碎系统能够改善多晶硅棒被污染的情况，且破碎方法还能够减少细粉的产生，减少能量的损失。

Description

多晶硅棒破碎系统及破碎方法

技术领域

本申请涉及多晶硅生产技术领域，具体而言，涉及一种多晶硅棒破碎系统及破碎方法。

背景技术

多晶硅是生产太阳能电池、半导体元件的基础材料。目前多晶硅的主流制备过程包括：将冶金级硅粉通过改良西门子法，在CVD反应器中采用硅芯载体电加热的方式，气相沉积制得多晶硅棒，多晶硅棒经破碎获得块状硅材料用于拉制单晶硅棒。多晶硅棒破碎过程的污染问题是企业关注的一个焦点。目前多晶硅破碎主要由人工或机械破碎，人工破碎存在许多弊端，劳动强度大，效率低，敲击破碎时产生的汗渍等交叉污染容易造成硅棒表面沾污，影响产品质量，同时因硅棒硬度较高，破碎锤反复敲击多晶硅，易引入金属杂质；机械破碎有些是多晶硅棒直接进行破碎，这种破碎方式在破碎过程中会产生大量多晶硅细粉。还有些是通过先加热多晶硅棒再瞬间冷却使多晶硅棒释放晶间应力，再进行破碎，该方法具体操作时一般是先停炉，打开钟罩进行自然冷却到一定温度再用运输车运输至处理工序进行升温，再冷却，再通过运输车转运至破碎工序进行破碎。本申请的发明人在研究中发现，一方面，这种方式对多晶硅棒先降温，破碎时还需重新加热升温，损失了热量，造成了能源的浪费；另一方面，多晶硅棒在两次工序之间转运时长时间暴露在空气中，存在有硅棒污染的风险。另外，公开号为CN111001483A的专利公开了一种多晶硅破碎系统和多晶硅破碎方法，其是将待破碎的多晶硅棒从上料台送入真空箱内，然后将多晶硅从真空箱送入加热炉内，最后将加热炉内的多晶硅棒送入第一水箱。这种采用外部加热的方式，会导致硅棒表面和硅棒中心产生一定的温度差，从而影响破碎效果。

发明内容

本申请实施例提供一种多晶硅棒破碎系统及破碎方法，多晶硅棒破碎系统能够改善多晶硅棒被污染的情况，且破碎方法还能够减少细粉的产生，并能够减小能量的损失。

本申请实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种多晶硅棒破碎系统，包括运输室、加热室、冷却室、破碎室和搬运机构，运输室、加热室、冷却室和破碎室依次连通，加热室具有加热机构，冷却室具有冷却机构，破碎室具有破碎机构；加热机构包括固定于加热室的加热感应线圈，多晶硅棒能够在传输机构的传输过程中穿过加热感应线圈；

运输室、加热室、冷却室和破碎室设置有传输机构，传输机构能够将多晶硅棒在运输室、加热室、冷却室和破碎室依次传输；搬运机构用于将还原炉内的具有余热的多晶硅棒直接搬运至运输室的传输机构进行传输。

进一步地，传输机构包括传输带以及安装于传输带上的支撑件，支撑件被构造成能够相对传输带进行升降。

进一步地，加热室具有用于通入保护气的进气口和用于排出保护气的出气口。

进一步地，冷却室的上部安装有喷淋管，冷却室的底壁开设有出水口。

进一步地，搬运机构包括机械手。

进一步地，所述加热感应线圈设置有冷却通道，且所述加热感应线圈设置于石英管中。

第二方面，本申请实施例提供一种多晶硅棒的破碎方法，其利用第一方面实施例的多晶硅棒破碎系统进行，其包括以下步骤：

还原炉停止运行后，分别用热氢气和热氮气进行置换，置换合格后打开钟罩，利用搬运机构将还原炉内的具有余热的多晶硅棒搬运至运输室内的传输机构，通过传输机构运输至加热室利用加热机构对多晶硅棒进行加热，再运输至冷却室利用冷却机构对加热后的多晶硅棒进行冷却，然后再运输至破碎室利用破碎机构将多晶硅棒破碎。

进一步地，热氢气和热氮气的温度为100～250℃。

进一步地，多晶硅棒在运输室时进行保温处理，保温的温度为200～250℃。

进一步地，多晶硅棒被运输至加热室时，通入保护气体；可选地，保护气体包括氩气和氦气中的至少一种。

进一步地，加热感应线圈内部通入冷却水，且加热感应线圈内置于石英管中，防止加热感应线圈材质元素挥发造成硅料污染。

本申请实施例的有益效果至少包括：

本申请的多晶硅棒破碎系统及破碎方法，由于运输室、加热室、冷却室和破碎室依次连通，则传输机构将多晶硅棒在运输室、加热室、冷却室和破碎室依次传输时，不会暴露在空气中，减小了多晶硅棒受污染的几率，加热过程中不会有额外杂质引入。另外，将还原炉内的具有余热的多晶硅棒搬运至运输室内，通过传输机构传输至加热室进行加热。多晶硅棒温度过低时，其导电性能较差；而加热感应线圈只有对导体才能够有效加热；因此，上述具有余热的多晶硅棒更容易被感应加热。多晶硅棒进入到加热室从加热感应线圈内穿过时，给加热感应线圈通高频电流，通过加热感应线圈对多晶硅棒进行加热，能够使得多晶硅棒的中心和表面温度较一致，从而减少表面和中心的温差，提高破碎效果，减少细粉的产生。

另外，由于运输室、加热室、冷却室和破碎室依次连通，其使得整个破碎系统不同工序之间的连续性较强；提高了整体的生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例的多晶硅棒破碎系统的搬运机构的结构示意图；

图2为本申请实施例的多晶硅棒破碎系统的部分结构示意图。

图标：10-多晶硅棒破碎系统；11-运输室；12-加热室；1211-加热感应线圈；122-进气口；123-出气口；13-冷却室；1311-喷淋管；132-出水口；15-搬运机构；151-机械手；16-传输机构；161-传输带；162-支撑件；20-底盘；30-多晶硅棒。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

本实施例提供一种多晶硅棒破碎系统10，请参照图1和图2，其包括运输室11、加热室12、冷却室13、破碎室(图中未示出)和搬运机构15，运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室依次连通，加热室12具有加热机构，冷却室13具有冷却机构，破碎室具有破碎机构。

运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室设置有传输机构16，传输机构16能够将多晶硅棒30在运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室依次传输；搬运机构15用于将还原炉内的具有余热的多晶硅棒30直接搬运至运输室11的传输机构16进行传输。示例性地，搬运机构15包括机械手151。

本实施例的多晶硅棒破碎系统10在使用时，通过搬运机构15将还原炉内底盘20上的具有余热的多晶硅棒30直接搬运至运输室11的传输机构16进行传输，通过传输机构16传输至加热室12通过加热机构对多晶硅棒30进行加热。

加热之后，传输至冷却室13通过冷却机构进行冷却；具体地，喷淋口喷出高纯冷媒，冷却1～5分钟后使得多晶硅棒30释放晶间应力从而产生晶裂；上述晶裂有利于多晶硅棒30的破碎。

最后再通过传输机构16传输至破碎室通过破碎机构将多晶硅棒30进行破碎。

可选地，破碎机构包括破碎锤。

由于运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室依次连通，则传输机构16将多晶硅棒30在运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室依次传输时，不会暴露在空气中，减小了多晶硅棒30受污染的几率，加热过程中不会有额外杂质引入，有利于提高破碎后的多晶硅的品质。需要说明的是，运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室是各自独立的，运输室11和加热室12通过隔离门隔离，加热室12和冷却室13通过隔离门隔离，冷却室13和破碎室通过隔离门隔离，当需要传送多晶硅棒时，则打开隔离门；多晶硅棒分别在运输室11、加热室12、冷却室13和破碎室时，隔离门保持关闭以保证每个室之间的单独工作。

本申请的发明人在研究中发现，如果将多晶硅棒30放入真空箱中再通过加热炉加热，这种外部辐射、对流加热方式或其它热传导的方式，会导致多晶硅棒30温度不均，表面和中心具有一定的温度差。为了减小多晶硅棒30的表面和中心的温度差，在一些实施方案中，加热机构包括固定于加热室12的加热感应线圈1211，多晶硅棒30能够在传输机构16的传输过程中穿过加热感应线圈1211。传输机构16在传输多晶硅棒30的过程中，多晶硅棒30进入到加热室12从加热感应线圈1211内穿过，给加热感应线圈1211通高频电流，通过加热感应线圈1211对多晶硅棒30进行加热，能够使得多晶硅棒30的中心和表面温度较一致，从而减少表面和中心的温差，提高破碎效果。

进一步地，加热室12具有用于通入保护气的进气口122和用于排出保护气的出气口123。其中，进气口122设于加热室12的底部，出气口123设于加热室12的顶部。

通过加热室12的进气口122能够向加热室12内通入保护气体，加热室12内的保护气体也能够通过出气口123排出，在对多晶硅棒30加热的过程中有保护气体的保护，能够减小其他副反应的发生。示例性地，保护气体可以为氩气或者氮气等。

进一步地，传输机构16包括传输带161以及安装于传输带161上的支撑件162，支撑件162被构造成能够相对传输带161进行升降。

其中，支撑件162能够将多晶硅棒30支撑起来，与传输带161保持一定的间距，避免传输带161对多晶硅棒30造成损伤。当传输带161将多晶硅棒30传输至加热室12，传输带161上的支撑件162靠近加热感应线圈1211时，控制靠近加热感应线圈1211的支撑件162下降，由其他支撑件162将多晶硅棒30进行支撑，当多晶硅棒30的一端穿过加热感应线圈1211时，控制下降的支撑件162上升将多晶硅棒30的一端支撑，当另一个支撑件162靠近加热感应线圈1211时，控制靠近加热感应线圈1211的支撑件162下降，由其他支撑件162将多晶硅棒30进行支撑，当支撑件162对应者多晶硅棒30的部位穿过加热感应线圈1211时，控制下降的支撑件162上升对多晶硅棒30对应的部位进行支撑，从而使得多晶硅棒30能够顺利地穿过加热感应线圈1211，且能够得到有效的支撑。示例性地，在传输室和冷却室13时，三个支撑件162支撑多晶硅棒30，在加热室12时，两个支撑件162支撑多晶硅棒30。

由于加热感应线圈1211一般采用铜材料，在高温作用下，铜容易挥发，并渗入到多晶硅棒30中从而影响硅棒的纯度。因此，本实施例中，加热感应线圈内通入循环水以防止加热感应线圈温度过高，且加热感应线圈内置于石英管中。具体地，加热感应线圈内设置有冷却通道，通过向冷却通道内通入冷却水防止加热感应线圈的温度过高。而在加热感应线圈上包覆有石英管，即便是有少量铜挥发，也会被封闭在石英管中，防止硅棒被污染。

进一步地，冷却室13的上部安装有喷淋管1311，冷却室13的底壁开设有出水口132。

向喷淋管1311中通入冷却液，通过喷淋管1311对冷却室13的多晶硅棒30喷冷却液，能够对加热后的多晶硅棒30进行有效地冷却。可选地，冷却液可以为超纯水，也可以是液氮。本申请实施例对冷却液的种类不做限定，选择时优先选择不会给多晶硅棒30带来杂质污染的冷却液，并能够将加热后的多晶硅棒30有效冷却的冷却液。

本实施例还提供一种多晶硅棒30的破碎方法，其利用上述的多晶硅棒破碎系统10进行，其包括以下步骤：

S1:还原炉停止运行后，分别用热氢气和热氮气进行置换，置换合格后打开钟罩，利用搬运机构15将还原炉内的具有余热的多晶硅棒30搬运至运输室11内的传输机构16。

示例性地，热氢气和热氮气的温度为100～250℃，例如为100℃、120℃、150℃、180℃、200℃、220℃或250℃。

本实施例中，搬运机构15是将还原炉内的具有余热的多晶硅棒30搬运至运输室11内的传输机构16进行运输，无需打开钟罩进行自然冷却至低温再用搬运装置运输至加热室12进行升温，利用了多晶硅棒30卸取时具有的温度，减少了还原炉在停炉置换后的能量损失。

示例性地，多晶硅棒30在运输室11时进行保温处理，保温的温度为200～250℃。

S2:通过传输机构16运输至加热室12利用加热机构对多晶硅棒30进行加热。

可选地，传输机构16的传输速度为0.2～0.5m/min，通过加热机构将多晶硅棒30加热至450～650℃，再传输至下一工序。

S3:通过传输机构16将加热室12内的多晶硅棒30运输至冷却室13，利用冷却机构对加热后的多晶硅棒30进行冷却。

示例性地，可采用超纯水或液氮对加热后的多晶硅棒30进行冷却。采用超纯水对多晶硅棒30冷却后，多晶硅棒30表面的余温将表面残留的超纯水蒸发，使得多晶硅棒30呈干燥的状态。

S4:通过传输机构16将冷却室13冷却后的多晶硅棒30运输至破碎室，利用破碎机构将多晶硅棒30破碎。

对加热后的多晶硅棒30冷却后，使得多晶硅棒30释放晶间应力产生晶裂，然后再通过破碎机构将多晶硅棒30进行破碎，可实现多晶硅棒30的高效破碎。

综上，本发明通过热氢气和热氮气进行置换，减少了还原炉多晶硅棒在停炉置换中的能量损失，使自身具有一定温度的硅棒在进入加热感应线圈加热模块时能够被加热感应线圈感应加热。通过加热感应线圈感应加热进一步高效提升硅棒温度，使硅棒内外温度一致，温度分布均匀，利用冷媒急冷使硅棒产生晶裂，实现硅棒的高效破碎。整个过程连续性高，加热过程中无额外杂质引入，破碎时无多晶硅细粉产生，可实现多晶硅破碎的规模化生产。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多晶硅棒破碎系统，其特征在于，包括运输室、加热室、冷却室、破碎室和搬运机构，所述运输室、所述加热室、所述冷却室和所述破碎室依次连通，所述加热室具有加热机构，所述冷却室具有冷却机构，所述破碎室具有破碎机构；所述加热机构包括固定于所述加热室的加热感应线圈，所述多晶硅棒能够在传输机构的传输过程中穿过所述加热感应线圈；

所述运输室、所述加热室、所述冷却室和所述破碎室设置有传输机构，所述传输机构能够将多晶硅棒在所述运输室、所述加热室、所述冷却室和所述破碎室依次传输；所述搬运机构用于将还原炉内的具有余热的多晶硅棒直接搬运至所述运输室的所述传输机构进行传输。

2.根据权利要求1所述的多晶硅棒破碎系统，其特征在于，所述传输机构包括传输带以及安装于所述传输带上的支撑件，所述支撑件被构造成能够相对所述传输带进行升降。

3.根据权利要求1所述的多晶硅棒破碎系统，其特征在于，所述加热室具有用于通入保护气的进气口和用于排出所述保护气的出气口。

4.根据权利要求1～3任一项所述的多晶硅棒破碎系统，其特征在于，所述冷却室的上部安装有喷淋管，所述冷却室的底壁开设有出水口。

5.根据权利要求1～3任一项所述的多晶硅棒破碎系统，其特征在于，所述加热感应线圈设置有冷却通道，且所述加热感应线圈设置于石英管中。

6.一种多晶硅棒的破碎方法，其特征在于，其利用权利要求1～5任一项所述的多晶硅棒破碎系统进行，其包括以下步骤：

还原炉停止运行后，分别用热氢气和热氮气进行置换，置换合格后打开钟罩，利用所述搬运机构将所述还原炉内的具有余热的多晶硅棒搬运至所述运输室内的所述传输机构，通过所述传输机构运输至所述加热室利用加热机构对所述多晶硅棒进行加热，再运输至所述冷却室利用所述冷却机构对加热后的所述多晶硅棒进行冷却，然后再运输至所述破碎室利用破碎机构将所述多晶硅棒破碎。

7.根据权利要求6所述的多晶硅棒的破碎方法，其特征在于，所述热氢气和所述热氮气的温度为100～250℃。

8.根据权利要求6所述的多晶硅棒的破碎方法，其特征在于，所述加热感应线圈内部通入冷却水，且所述加热感应线圈至于石英管中。

9.根据权利要求6所述的多晶硅棒的破碎方法，其特征在于，所述多晶硅棒被运输至所述加热室时，通入保护气体。

10.根据权利要求9所述的多晶硅棒的破碎方法，其特征在于，所述保护气体包括氩气和氦气中的至少一种。

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