CN203741449U - 一种向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，属于冶金铸造技术领域。该向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，包括通气管、吹气管口、螺旋型吹气导管和储气腔，所述储气腔呈空心墩状，储气腔顶部连接通气管，储气腔壁面上均匀分布安装有若干螺旋向上的螺旋型吹气导管，螺旋型吹气导管顶面设有吹气管口。该装置不仅可以达到均匀熔体中温度场与杂质分布的效果，还能满足在凝固过程使结晶界面不受吹气的影响发生紊乱，并使熔体形成搅拌熔炼的效果，最终达到增强定向凝固过程除杂、铸锭和控制晶体生长的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，属于冶金铸造技术领域。
背景技术
直接将冶金级硅制备太阳能级硅的冶金法是最可能实现大规模生产的新方法。冶金法是用类似于金属精炼提纯的一整套方法来提纯多晶硅的新方法，如吹气精炼技术、造渣精炼技术、湿法冶金技术、定向凝固精炼技术、等离子体氧化精炼技术、真空蒸发精炼技术等。通常情况下，不同企业和研究机构所形成的冶金法多晶硅生产工艺就是上述工艺的优化组合。定向凝固指的是在凝固过程中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体形核后，沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。定向凝固技术可以较好地控制凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能、电学性能等。
工业硅中的一些杂质在硅熔体结晶过程中的平衡分凝系数远小于1，可采用定向凝固使杂质原子不断从固-液界面偏析到硅熔体中，待硅熔体全部结晶完毕，除去杂质浓度高的部分即可获得纯净的多晶硅。定向凝固技术制备多晶硅，一是去除杂，二是铸锭和控制铸锭的晶体生长。因此定向凝固在冶金法制备太阳能级多晶硅中已经是不可或缺的一道工序。
但是，定向凝固过程杂质在熔体中的扩散及迁移过程十分复杂，除与分凝作用有关外，还同时与熔体内的温度分布，熔体流动紧密相连。一般认为，均匀的温度场有利于杂质的扩散，并且熔体的流动可以增加杂质分布的均匀性。但在定向凝固过程中，由于电阻式加热，熔体的流动主要为自然对流，对于杂质扩散及分布的均匀性起不到较为明显的作用。部分杂质会沉淀到凝固结晶的表面，使杂质的去除效率降低。因此，在此过程中增强熔体的流动性不仅有利于熔体温度分布更为均匀，还使杂质的分布及扩散更为理想，将会增加杂质的去除效果。
对定向凝固过程中的熔体进行吹气是一种增强熔体流动的可行方法。然而，现有的吹气装置为通过直管向熔体内直接吹气，由于吹入的惰性气体温度较低，气体向下吹，控制不好将会直接接触温度较高的坩埚底部，将对坩埚产生较大的冷冲击，温度不均匀使坩埚破裂。同时，如果熔体已经开始凝固，直吹气体将破坏凝固结晶表面，使凝固发生紊乱，导致结晶质量下降。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置。该装置不仅可以达到均匀熔体中温度场与杂质分布的效果，还能满足在凝固过程使结晶界面不受吹气的影响发生紊乱，并使熔体形成搅拌熔炼的效果，最终达到增强定向凝固过程除杂、铸锭和控制晶体生长的目的，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，包括通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4，所述储气腔4呈空心墩状，储气腔4顶部连接通气管1，储气腔4壁面上均匀分布安装有若干螺旋向上的螺旋型吹气导管3，螺旋型吹气导管3顶面设有吹气管口2。
所述吹气管口2每个出口面与水平面夹角为30°~60°。
所述螺旋型吹气导管3为3~6根。
所述通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4的材质为石英管。
上述该装置中通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4为一体成型。
本实用新型的工作原理为：当定向凝固炉中的硅料或者其他物料熔化后，将该吹气装置放置到熔体中，通入惰性气体时，能够在熔体内形成以吹气装置为中心的旋转气流，气流带动熔体产生搅拌，做螺旋状流动，可以通过控制气体的流量和吹气面与水平面的夹角来控制熔体内的流动大小和螺旋状流动方向，达到加强定向凝固过程中熔体流动、杂质扩散与温度场均匀，提高杂质去除效果的目的。
本吹气装置设计采用螺旋出气口，3~6个出气口均匀分布在圆周上，能够使吹出气流较好的带动熔体进行流动，提高了吹气效率，同时因为吹气管道螺旋向上，且吹气口与水平面呈锐角夹角，吹出气体与流动的熔体均在吹气平面上运动，即使熔体底部已经开始凝固，吹气作用对结晶界面也基本没有影响。
本吹气装置的使用方法：首先将该吹气装置放入向定向凝固炉内多晶硅熔体中，然后将惰性气体通入到通气管1中并流入储气腔4中，经由螺旋向上的吹气管3将气体成螺旋向上的方式吹入到熔体中，吹气管口2每个出口面与水平面夹角为30°~60°，使吹入熔体的气流保持在吹气位置面及以上流动，同时因吹气气流所带动的熔体流动也位于吹气位置的表面以上，不会对结晶界面产生影响，在定向凝固长晶过程中，由于晶体从坩埚底部开始向上凝固，吹气装置也相应向上进行提拉，始终保持吹气装置的底部位于凝固晶体的上面，使之不会对凝固结晶的固-液界面产生影响。
加载本实用新型吹气装置后，定向凝固去除杂质的效果明显提升，对多晶硅铸锭效果及晶体生长条件也有明显作用，通过与无吹气的定向凝固进行对比，结果如表1和图3、图4所示。
本实用新型的有益效果是：(1)装置由于采用耐高温的石英管制成，因此装置耐热能力高，适用于高温熔体内需要吹气以增强流动的场合；(2)安全性能好，解决了定向凝固过程中吹气使熔体进行搅拌的要求，且不会对坩埚内壁产生冷冲击效果产生较大的应力，使坩埚破裂；(3)吹出的气流以管为中心进行旋转，充分利用了吹入的气流使熔体达到旋转搅动的效果，使吹气效率提高；(4)旋转气流带动熔体进行环形流动，使熔体内的温度场及杂质分布更为均匀，有利于充分去除杂质，提高定向凝固除杂效果，提升多晶硅质量；(5)通过加装本实用新型的吹气装置后，定向凝固去除杂质的效果明显提升，对多晶硅铸锭效果及晶体生长条件也有明显作用。
附图说明
图1是本实用新型立体结构示意图；
图2是本实用新型俯视示意图；
图3是本实用新型无吹气定向凝固铸锭晶型示意图；
图4是本实用新型定向吹气定向凝固铸锭晶型示意图 。
图中各标号为：1-通气管，2-吹气管口，3-螺旋型吹气导管，4-储气腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，该向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，包括通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4，所述储气腔4呈空心墩状，储气腔4顶部连接通气管1，储气腔4壁面上均匀分布安装有若干螺旋向上的螺旋型吹气导管3，螺旋型吹气导管3顶面设有吹气管口2。
其中吹气管口2每个出口面与水平面夹角为45°；螺旋型吹气导管3为6根；通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4的材质为石英管；该装置中通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4为一体成型。
实施例2
该向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，包括通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4，所述储气腔4呈空心墩状，储气腔4顶部连接通气管1，储气腔4壁面上均匀分布安装有若干螺旋向上的螺旋型吹气导管3，螺旋型吹气导管3顶面设有吹气管口2。
其中吹气管口2每个出口面与水平面夹角为30°；螺旋型吹气导管3为3根；通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4的材质为石英管；该装置中通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4为一体成型。
实施例3
该向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，包括通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4，所述储气腔4呈空心墩状，储气腔4顶部连接通气管1，储气腔4壁面上均匀分布安装有若干螺旋向上的螺旋型吹气导管3，螺旋型吹气导管3顶面设有吹气管口2。
其中吹气管口2每个出口面与水平面夹角为60°；螺旋型吹气导管3为4根；通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4的材质为石英管；该装置中通气管1、吹气管口2、螺旋型吹气导管3和储气腔4为一体成型。
Claims (4)
1.一种向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，其特征在于：包括通气管（1）、吹气管口（2）、螺旋型吹气导管（3）和储气腔（4），所述储气腔（4）呈空心墩状，储气腔（4）顶部连接通气管（1），储气腔（4）壁面上均匀分布安装有若干螺旋向上的螺旋型吹气导管（3），螺旋型吹气导管（3）顶面设有吹气管口（2）。
2.根据权利要求1所述的向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，其特征在于：所述吹气管口（2）每个出口面与水平面夹角为30°~60°。
3.根据权利要求1所述的向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，其特征在于：所述螺旋型吹气导管（3）为3~6根。
4.根据权利要求1所述的向定向凝固炉内多晶硅熔体中吹气的装置，其特征在于：所述通气管（1）、吹气管口（2）、螺旋型吹气导管（3）和储气腔（4）的材质为石英管。
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