CN203144115U

CN203144115U - 一种液固分离定向凝固歧化反应炉

Info

Publication number: CN203144115U
Application number: CN 201320037274
Authority: CN
Inventors: 李绍光
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2023-01-10

Abstract

一种液固分离定向凝固歧化反应炉，包括炉盖、炉筒、炉底、加热装置、坩埚、电磁悬浮装置、水冷系统、真空系统和支架，其特征在于：(一)坩埚下方有升降机构和拉锭装置，上方有一氧化硅注入的进料装置；(二)加热装置分为两部分，分别设置在坩埚上方和下部外围，可将温度升到1420℃～1500℃；(三)坩埚中部外围安置有能产生液态硅悬浮的电磁场的强直流电磁线圈；(四)当坩埚上升至最高位置时，一氧化硅处在加热装置的均热区内；当坩埚下降至最低位置时，悬浮的硅液处在坩埚顶部的上方；(五)另设计有向炉筒内充保护气体的装置。本液固分离定向凝固歧化反应炉，不仅可将一氧化硅反应后的高纯硅与二氧化硅分离除去硼和磷，还能有效的去除硅中的金属杂质，为太阳能的利用开拓新的局面，具有极大的社会效益和经济效益。

Description

一种液固分离定向凝固歧化反应炉

技术领域

本实用新型属于硅的纯化的技术领域，具体涉及到一种在歧化反应制取太阳能级多晶硅的过程中能够同时将一氧化硅歧化反应后的液态硅与固态二氧化硅进行液固分离并定向凝固以去除硅中金属杂质的歧化反应炉。

背景技术

采用歧化反应法制取太阳能级多晶硅是本发明人多年来精心研究所取得的重大成果，为此曾先后申请过多项中国专利，其中主要的有ZL200710012825.5《一种太阳能电池用多晶硅制造方法》、CN101880044A《一种太阳能级硅的歧化反应制取法》和ZL201010107833.X《一种联体式真空高温歧化反应装置》。这些专利成功地利用一氧化硅歧化反应生成液态的高纯硅和固态二氧化硅微粉，但是采用固一液分离筛板对硅和二氧化硅进行液固分离时，感到效率和效果都还不够理想。经我们检索相关专利时，发现虽然也有的专利提到过液固分离步骤，但却都是仅仅一笔含糊带过，并没有给出具体的技术方案。事实上，虽然硅与二氧化硅其熔点相差接近摄氏三百度，但由于两者的比重极为接近，而且所析出的二氧化硅既是微粉；又是弥散分布在硅液内，这使得两者的分离显得极为困难。

中国专利ZL98813207.9《高纯硅的制造方法及装置》虽然在其权利要求3中提到过“将生成的液体硅在液态下与固体一氧化硅和/或二氧化硅分离。”但在其发明说明书〔见该说明书中(生成的硅的分离方法)〕中，也只是含糊地说：“在硅熔点1412℃以上温度下，硅可以自然溶出分离。”“如果在热处理容器下部设置能够以液态取出熔融硅，则也可以使熔融硅以滴下方式分离。”使人难以理解的是，他们后面具体介绍的却是两种将固体硅与固体一氧化硅和/或二氧化硅分离的方法，其中一种方法是将反应后的固态生成物破碎进行筛分；另一种方法则是用氢氟酸溶解固态一氧化硅和/或二氧化硅，分离硅。

事实上，经过我们的研究考察，由于氢氟酸具有极强的腐蚀性和毒性，用氢氟酸来分离硅与二氧化硅，会对环境产生极大污染，工业上不宜推广；而如前所述因析出的固态二氧化硅颗粒极小，分布又很分散，无论是采用破碎筛分或者依靠单纯的自然分离的手段，对于规模化的工业化生产来说，显然也是不可行的！看来，他们并没有解决好一氧化硅歧化反应后硅与二氧化硅液固分离的问题。

如果不能很好地解决液态硅与固态二氧化硅分离的问题，就无法推广歧化反应法制取太阳能级多晶硅的创新工艺。为此，研究如何将一氧化硅歧化反应后的液态硅与固态二氧化硅进行液固分离是极为重要的。

此外，在实际生产的过程中，我们还发现，由于原料的成分不可能保证完全一致，有时候会遇到原料中金属杂质偏高的情况。如果这样，在歧化反应获得低硼、低磷的多晶硅之后，还必需再增加一道去除金属杂质的工序。

如何去除硅中的金属杂质，最简便的方法便是采用定向凝固的工艺。中国专利ZL201010609932.8公开了《一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法》，但它主要是解决坩锅对硅体的污染问题；中国专利申请案CN102485970A报导了《一种定向凝固制备太阳能级多晶硅锭的方法》，它采用金属发热体和加热坩锅，也是为了解决多晶硅的碳污染和石墨坩锅使用寿命短的问题。而中国专利ZL200910010396.7所公开的《一种多功能真空一正压熔炼凝固设备》，它由互成90°～100°角放置的熔炼炉和定向凝固炉两部分组成，主要用于制备多孔金属材料。所有的上述这些装置均不适合于歧化反应生产太阳能级多晶硅的工艺流程采用，因为必需将定向凝固和电磁悬浮液固分离两者有机地结合起来，才能很好地完成采用歧化反应法制取太阳能级多晶硅的任务。

实用新型内容

如前所述，本实用新型的目的就在于提供一种在歧化反应制取太阳能级多晶硅的过程中能够将一氧化硅歧化反应后的液态硅与固态二氧化硅进行液固分离并同时去除硅中残余金属杂质的装置，利用该装置设计新的高温歧化反应炉，可以连续地实现歧化反应法制取太阳能级硅的新工艺，取得大规模生产太阳能级多晶硅的效果。

首先，本设计人深入地研究了液态硅与固态二氧化硅的物理性质上的差异后发现：第一，液态硅是导电体；在1450℃下其电阻率可降到80×10^-6Ω·cm；而固态二氧化硅则是绝缘体，其电导率为零。第二，液态硅与固态二氧化硅两者是互不浸润的，它们之间不会发生粘连。正是基于上述两个物理特性，我们想到采用电磁悬浮技术，在强电磁作用下使导电的硅液悬浮在真空炉的空腔内，并使它不停的搅拌，而原本在硅液中的固态二氧化硅微粉，由于不导电、又与硅液不发生粘连，受到自身重力的作用下落，便会脱离硅液慢慢地坠入到坩埚底部，从而达到硅与二氧化硅液固分离的目的。

其次，我们考虑到，在硅冶炼和凝固的过程中，对于其固一-液相的界面来说，当杂质在两相中的溶解度不一样时，它们在界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就出现所谓的杂质分凝现象。杂质的分凝现象通常用分凝系数来描述：“分凝系数”＝(杂质在固相中的溶解度)/(杂质在液相中的溶解度)。当杂质的分凝系数很小时，利用定向凝固的手段很容易将其驱赶到最后凝固的一段中去，只要将铸锭中杂质富集的那一段切掉，便可以实现去除杂质的目的。我们尝试通过考察硅中金属杂质的性质，即杂质类型和其分凝系数来寻找去除这些杂质的办法。

表1：硅中金属杂质的基本性质

杂质元素	类型	分凝系数
			Al	A	2×10^-3
Co	D A	8×10^-6
			Cr	D	1.1×10^-5
Cu	A D	4×10^-4
			Fe	D	8×10^-6
Mn	D A	4.5×10^-3
			Ni	A	3×10^-5
Zn	A D	≈1×10^-5

[0013] 上述表1中A代表受主杂质；D代表施主杂质。从表1中可以看出，金属杂质在硅中的分凝系数都在10^-3～10^-6之间，因此，通过定向凝固的方法是不难将硅中的这些杂质降低3到5个数量级，达到有效去除的目的。

综合上述的分析研究，一个新型的高温歧化反应炉的设计方案便清晰地浮现出来了，只要将一氧化硅歧化反应、液固分离和定向凝固三道工艺有机地结合起来，便可一次性地用一氧化硅生产出合格的太阳能级的多晶硅来。

但是，由于一氧化硅在固态条件下不导电，不能采用感应加热的方法使它熔化；而且我们发现在真空条件(压强低于10^-3乇)下，一氧化硅很容易升华，必需使反应室内的压强大于它的平衡蒸汽压方能确保一氧化硅歧化反应持续进行，这样在抽真空后，必须向室内充入适当的保护气体。而一旦反应室内充入了保护气体，则就必须采用等离子束加热。所以，最终我们确定了采用等离子束加热和电磁悬浮来综合实现液固分离定向凝固歧化反应的设计方案。

本实用新型所提供的液固分离定向凝固歧化反应炉，包括炉盖、炉筒、炉底、加热装置、坩埚、电磁悬浮装置、水冷系统、真空系统和支架，其特征在于：

(一)坩埚下方有升降机构和拉锭装置，坩埚上方有一氧化硅注入的进料装置；

(二)加热装置分为两部分，分别设置在坩埚上方和下部外围，可将一氧化硅加热到1420℃～1500℃；

(三)坩埚中部外围安置有能产生使液态硅悬浮电磁场的直流强电磁线圈；

(四)当坩埚上升至最高位置时，坩埚中的一氧化硅处在加热装置的均热区内；当坩埚下降至最低位置时，硅液的悬浮区在坩埚顶部的上方；

(五)另设计有可向炉筒内充入保护气体的装置。

上述歧化反应炉的加热装置分为两部分，其中设置在坩锅上方的是等离子束；设置在坩锅下部外围的是交流感应线圈。等离子束主要用于熔融一氧化硅使其产生歧化反应生成液态硅和固态二氧化硅；交流感应线圈用于硅液保温和调节硅液的降温速度以满足定向凝固的需要。

上述歧化反应炉加热装置中的交流感应线圈由一个以上的分线圈并联而成，各个分线圈均可按照硅液定向凝固的要求调节其加热电流。

上述歧化反应炉中的坩锅可以是高纯石英坩锅或者高纯刚玉坩锅。

采用高纯石英坩锅时，坩锅座落在坩锅托盘和托盘升降机构上，可随托盘和托盘升降机构下行而下移，也可以通过调节各分感应线圈的电流来调节温度使硅液定向凝固。

采用高纯刚玉坩锅时，坩锅座落在坩锅托盘和托盘升降机构上，可随托盘和托盘升降机构下行而下移，也可以通过调节各分感应线圈的电流来调节温度使硅液定向凝固。

上述歧化反应炉的强电磁线圈是直流电磁线圈，其场强依照反应炉的容量而定，磁感应强度为0.5～5T(特斯拉)，方向与重力场相反。

上述歧化反应炉可向炉壳内充入保护气体的装置是充氩气的系统，它可以向炉内充入最大约为100～350乇的高纯氩气。在歧化反应炉工作时先抽真空，在炉内压强达到1×10^-4～5×10^-5乇时，关闭高真空阀接通充氩气阀可向炉壳内充入高纯氩气，使炉内强达到100～350乇。

本实用新型的液固分离定向凝固歧化反应炉在使用时，首先在坩锅中加入高纯一氧化硅原料，盖上炉盖，封闭炉筒，抽真空，待炉内压强达到1×10^-4～5×10^-5乇时，关闭真空系统后再用充氩系统向炉内充入高纯氩气，当其压强达到100～350乇时，打开水冷系统，开动等离子束加热一氧化硅使其发生歧化反应并保持温度到1420℃～1500℃，此时出现液态硅和固态的二氧化硅，启动强直流电磁线圈建立0.5～5T的磁场，让导电的硅液悬浮同时将坩锅下降，使不导电的固态二氧化硅颗粒下落至坩锅底部。当二氧化硅颗粒落尽后，让硅液落入坩埚中，一面撤去用于电磁悬浮的强磁场，一面接通保温和调温用的交流感应线圈，与此同时，相应地调节等离子束的强度，并开动坩锅托盘升降机构即拉锭装置或通过调节各分感应线圈的电流强度，即以高速凝固法或功率降低法的技术使硅液由下而上定向凝固。等硅液全部凝固后，最终同时关闭等离子束和交流感应线圈，关闭充氩气系统。待炉内温度降到100℃以下时，再关闭冷却水系统，打开炉盖取出硅锭。此时，只需切去硅锭顶端的金属杂质富集部分和底端的二氧化硅富集部分，便可以得到合格的太阳能级多晶硅。

采用本实用新型的液固分离定向凝固歧化反应炉，不但可以很好的将一氧化硅歧化反应后的高纯硅与二氧化硅分离开来，去除杂质元素硼和磷，同时还能有效的去除其中的金属杂质，从而实现了用歧化反应法大规模制取太阳能级多晶硅的计划。这也就可以为太阳能的利用开拓新的局面，具有极大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是液固分离定向凝固歧化反应炉一氧化硅加热前(坩埚最高位时)的结构示意图；图2是液固分离定向凝固歧化反应炉硅液悬浮时(坩埚最低位时)的结构示意图；上述两图中：1炉盖；2炉筒；3炉底；4坩埚；5坩埚托盘；6等离子束；7直流电磁线圈；8一氧化硅粉体；9硅液；10固体二氧化硅；11一氧化硅注入装置；12观察窗；13坩埚托盘升降机构即拉锭杆；14交流感应线圈；15真空系统和充氩气系统接口；16等离子束电源输入接头；17直流电磁线圈母线接头；18交流感应线圈电源接头；19支架。

由于上述两图均为示意图，歧化反应炉的一些非主体部件如高真空阀、充氩气阀和炉盖、炉筒、炉底的冷却水进、出管等在图中就未予标出，这些部件对本领域的技术人员来说，只要看过本说明书，肯定是不难实施的。在设计时，我们将真空系统与充氩系统采用同一个接口同炉体连接，而在炉外通过高真空阀与充氩气阀在两者之间进行切换，实践证明，这种设计操作起来更为方便。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的内容作进一步的说明和补充。

如图1和2所示，先分别用不锈钢和低碳钢卷板加工、焊接好内、外炉筒2并安上冷却水的进、出管，再用不锈钢和低碳钢分别焊接、加工成双层结构并带有冷却水进出管的炉盖1和炉底3，在炉盖上安置一个以上的等离子束电源输入接头16，炉底开有与安装坩锅托盘升降机构13相精密配合的密封孔，在炉筒内坩埚4顶部上方位置安置直流电磁线圈7和直流电磁线圈母线接头17，直流电磁线圈的下方接近坩埚外壁则安置有分段组成的交流感应加热线圈14及其电源接头18，坩埚4固定在坩埚托盘5上，坩埚升降机构上升到它的最高位置时，坩埚顶部与一氧化硅注入装置11相接触，此时一氧化硅粉体8通过注入装置注入坩埚中，等离子束即可射入坩埚内部使粉体加热；升降机构下降到最低位置时，硅液9的悬浮区在坩埚顶部的上方处于直流电磁线圈7的磁场内。当硅液落入坩埚后，交流感应线圈即可使硅液保温，交流感应线圈各段的电流强度均可独立调节以满足硅液定向凝固的要求，通过坩埚升降机构和交流感应线圈的配合，使硅液能够更好地使硅液定向凝固。炉盖上还设置有观察窗12，观察窗通过摄像头或电子眼将信号连接到自控室的显示屏上，以实现生产过程的远距离控制。炉筒的侧壁上还安置有真空系统和充氩系统组合接口15，我们在炉外通过高真空阀与充氩气阀在该两者之间进行切换。最后将整个炉体固定在支架19上，则全部部件制造、安装完毕，配上炉外的真空系统、充氩系统、电源系统和控制系统调试后便可正常工作。

本实用新型的歧化反应炉设计参数的具体实施例如下：

实施例1采用高纯刚玉坩埚的歧化反应炉

歧化反应炉的坩埚外径为25厘米、高30厘米，采用高纯、高密度熔融刚玉制成。坩埚底部连接拉锭杆，拉锭杆即为升降机构行程为60厘米，合上炉盖开始对炉内抽真空，待炉内压强达到1×10^-5乇时，关闭高真空阀，再向炉内充入高纯氩气，使炉内压强达到100乇，此时将坩埚升至其最高位置，向坩埚内注入15Kg一氧化硅微粉，开通冷却水系统，同时接通加热装置电源，采用等离子束投向坩埚内将微粉加热到1450℃，保温，经过30～60分钟，此时固态粉体完全变成液态物质，说明歧化反应过程已经完成。另一方面，直流电磁线圈安装时必需使其中心线与坩埚的中心线重合，并使其场强的方向与重力场的方向相反。当歧化反应完成后，即可接通电磁线圈直流电源，强大的电流将产生1.5T的磁场，将液态物质(主要是硅液)悬浮起来，同时将坩埚下降，让硅液悬在坩埚上方的空中。于是通过观察窗可看到二氧化硅微粉像霰粒不断下落。待下降的微粉逐渐稀少到不见时，让硅液落入坩埚中，依序打开交流感应加热线圈电源，关闭等离子束电源，再关闭直流电磁线圈的电源。此时调节感应线圈各分线圈的电流，同时将升降机构(即拉锭杆)带动坩埚下行，使硅液定向凝固，此后关闭交流感应线圈电源。最后待冷炉后，关闭充氩系统，打开炉盖取出硅锭，分别将其底部同二氧化硅接触的部分和顶部金属杂质富集的部分去除，最终得到约4.7Kg的太阳能级高纯硅。

实施例2采用高纯刚玉坩埚的歧化反应炉

歧化反应炉的坩埚外径为50厘米、高60厘米，采用高纯、高密度熔融刚玉制成。坩埚升降机构行程为120厘米，合上炉盖开始对炉内抽真空，待炉内压强达到3×10^-5乇时，关闭高真空阀，再向炉内充入高纯氩气，使炉内压强达到350乇，开始将坩埚升至其最高位置，向坩埚内注入50Kg一氧化硅微粉，开通冷却水系统，同时接通加热装置电源，采用环形等离子束装置，将等离子束投向坩埚内使微粉加热到1500℃，保温，经过1～2小时，此时固态粉体完全变成液态物质，说明歧化反应过程已经完成。另一方面，直流电磁线圈安装时必需使其中心线与坩埚的中心线重合，并使其场强的方向与重力场的方向相反。当歧化反应完成后，即可接通电磁线圈直流电源，强大的电流将产生5T的磁场，将液态物质(主要是硅液)悬浮起来，同时将坩埚下降，让硅液悬在坩埚上方的空中。于是通过观察窗可看到二氧化硅微粉像霰粒不断下落。待下降的微粉逐渐稀少到不见时，使硅液落入坩埚中，再依序打开交流感应加热线圈电源，调节并关闭等离子束的电源，关闭电磁线圈直流电源。随后通过调节交流感应线圈各分线圈的电流，让硅液保温并逐渐从下而上分段降温使坩埚内的硅液定向凝固，此后关闭交流感应线圈电源，最后关闭充氩系统，冷炉后，打开炉盖取出硅锭，将其底部同二氧化硅接触的部分和顶部金属杂质富集的部分去除，最后得到约15.5Kg太阳能级高纯硅。

实施例3采用高纯石英坩埚的歧化反应炉

歧化反应炉的坩埚外径为10厘米、高15厘米，采用高纯熔融石英制成。坩埚升降机构行程为45厘米，合上炉盖开始对炉内抽真空，待炉内压强达到5×10^-5乇时，开始将坩埚升至其最高位置，向坩埚内注入1.5Kg一氧化硅微粉，开通冷却水系统，关闭真空系统，接通充氩系统向炉内充入高纯氩气，待炉内压强达到200乇时再接通环形等离子束电源，让等离子束投向坩埚，将坩埚内的微粉加热到1420℃，保温，经过1～1.5小时，此时固态粉体完全变成液态物质，说明歧化反应过程已经完成。另一方面，直流电磁线圈安装时必需使其中心线与坩埚的中心线重合，并使其场强的方向与重力场的方向相反。当歧化反应完成后，接通电磁线圈直流电源，强大的电流将产生0.5T的磁场，将液态物质(主要是硅液)悬浮起来，同时下降坩埚，让硅液悬在坩埚上方的空中。于是通过观察窗可看到二氧化硅微粉像霰粒不断下落。待下降的微粉逐渐稀少到不见时，可先关闭电磁线圈直流电源，使硅液落入坩埚中。此时接通交流感应线圈电源，同时调节并逐渐关闭等离子束电源，通过调节交流感应线圈各分线圈的电流，保温并逐渐从下而上分段降温使坩埚内的硅液定向凝固，此后关闭交流感应线圈电源，最后关闭充氩系统，冷炉后，打开炉盖取出硅锭，将其底部同二氧化硅接触的部分和顶部金属杂质富集的部分去掉，可得到约0.5Kg的太阳能级高纯硅。

上述的三个实施例仅是本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化、均应视为等效的替换方式，因此都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种液固分离定向凝固歧化反应炉，包括炉盖、炉筒、炉底、加热装置、坩埚、电磁悬浮装置、水冷系统、真空系统和支架，其特征在于：

(五)另设计有可向炉筒内充入保护气体的装置。

2.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的分为两部分的加热装置中，设置在坩锅上方的是等离子束；设置在坩锅下部外围的是交流感应线圈。

3.按权利要求2所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的交流感应线圈由一个以上的分线圈并联而成，各个分线圈均可按照硅液定向凝固的要求调节其加热电流。

4.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的坩锅是高纯石英坩锅或者高纯刚玉坩锅。

5.按权利要求4所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的坩锅是高纯石英坩锅，该坩锅座落在坩锅托盘和托盘升降机构上。

6.按权利要求4所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的坩锅是高纯刚玉坩锅，该坩锅座落在坩锅托盘和托盘升降机构上。

7.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的直流强电磁线圈，磁感应强度为0.5～5T，方向与重力场相反。

8.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的可向炉壳内充入保护气体的装置是充氩气的系统，它可以向炉内充入最大约为100～350乇的高纯氩气。