DE19650856A1

DE19650856A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von gerichtet erstarrten Stranggußblöcken

Info

Publication number: DE19650856A1
Application number: DE19650856A
Authority: DE
Inventors: Alok Dr Choudhury; Matthias Dr Blum; Harald Scholz
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-12-07
Filing date: 1996-12-07
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2016-12-08
Also published as: DE19650856B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrich tung zur Herstellung von Stranggußblöcken unter einer Schutzgasatmosphäre mit einer Chargiervor richtung zum Zuführen von Ausgangsmaterial in ei nen Schmelzbereich innerhalb einer Schmelzkammer mit mindestens einer Energiequelle zum Aufschmel zen des Ausgangsmaterials und mit einer unterhalb der Schmelzkammer angeordneten Abzugsvorrichtung zum Abstützen des erstarrenden Stranggußblocks.

Im Folgenden wird unter dem Ausdruck "Schutzgasatmosphäre" eine solche Atmosphäre ver standen, bei der eine Reaktion des umschmelzenden Materials mit der umgebenden Gasatmosphäre vermie den wird. Hierzu kann die Schutzgasatmosphäre auch aus einem entsprechenden Unterdruck (Vakuum), ei nem Inertgas oder einem sonstigen nicht reaktiven Gas bestehen.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit welchem unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung Stranggußblöcke unter einer Schutz gasatmosphäre herstellbar sind.

Gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Stranggußblöcken mittels Schmelzöfen sind z. B. aus der US 3,740,530 bekannt. Gemäß dem in der DE 37 40 530 A1 beschriebenen Verfahren wird das zu schmelzende Material z. B. mittels einer Elek tronenkanone zunächst geschmolzen und in eine Stranggußkokille eingefüllt. Das verflüssigte Schmelzgut erstarrt während seines Durchgangs durch die Stranggußkokille zu einem festen Block, der, aufliegend auf einem Stempel, mit einer vor gewählten Abzugsgeschwindigkeit abgesenkt wird, wobei der Stranggußblock in seiner hänge wächst.

Bei den bekannten stranggußverfahren ist es erfor derlich, den bereits fertiggestellten Block in der Stranggußkokille abkühlen zu lassen, damit beim Abkühlen des Blocks an dessen Außenseite keine flüssige Phase mehr vorhanden ist. Das Abkühlver halten des Stranggußblocks limitiert somit die ma ximal wählbare Abzugsgeschwindigkeit des Blocks und damit die Wirtschaftlichkeit des Herstellungs verfahrens. Zur Vermeidung dieses Problems sind in der DE 37 40 530 A1 zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordnete stranggußkokillen mit zuge ordneten Abzugsvorrichtungen vorgesehen, in welche das Schmelzgut aus nur einer Schmelzkammer jeweils quasi-kontinuierlich zuführbar ist. Ein Nachteil der in der DE 37 40 530 A1 vorgeschlagenen Lösung besteht darin, daß die Bereitstellung einer zwei ten Stranggußkokille und einer zugeordneten Ab zugsvorrichtung kostenintensiv ist und erst für große Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ei ne einfachere und kompaktere Anlage zur Herstel lung von Stranggußblöcken und seinen Legierungen unter Schutzgasatmosphäre bereitzustellen, die es ermöglicht, Stranggußblöcke bei Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile wirt schaftlich herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer eingangs beschriebenen gat tungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Stranggußblöcken Mittel zum Erzeugen eines gerich teten Gasstroms vorgesehen sind, der auf das aus der Schmelzkammer austretende Schmelzgut gerichtet ist, wodurch die Schmelze im Schmelzkammeraus trittsbereich kühlbar ist. Hierbei erstarrt die Schmelze zunächst unter Ausbildung einer festen Randschale gerichtet, wobei die erstarrte Rand schale auf einer Bodenplatte abgestützt ist und mittels der Abzugsvorrichtung zur Ausbildung eines Stranggußblockes abgesenkt wird. Durch das Einbla sen des kühlenden Gasstroms auf den gesamten Um fang des aus der Schmelzkammer austretenden Schmelzgutes wird diesem in relativ kurzer Zeit soviel Wärme entzogen, daß die erstarrte Randscha le entsteht, durch die ein unerwünschtes Auslaufen der Schmelze auch bei höheren Abzugsgeschwindig keiten verhindert wird. Mit der Erfindung sind Ab zugsgeschwindigkeiten im Bereich von 4 mm/min bis 10 mm/min realisierbar. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stranggußblockkühlung mittels anströmendem Gas ist, daß auch größere Blockforma te mit Blockdurchmessern von bis zu 400 mm, die üblicherweise eine lange Abkühlzeit von mehr als 15 min benötigen, mit höheren Abzugsgeschwindig keiten und entsprechend kürzeren Herstellungszei ten formbar sind.

Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Herstel lungsverfahren von Stranggußblöcken den Vorteil auf, daß durch den zusätzlichen, gasstrombedingten Wärmeentzug an der Austrittsstelle des Blockes die Schmelzsumpftiefe kleiner und somit eine gewünsch te gerichtete Erstarrung im ganzen Block erzielt wird.

Wie in Anspruch 3 vorgeschlagen, ist der mit der Abzugsvorrichtung abgesenkte Stranggußblock von einer thermischen Isolierung und/oder einer Heiz vorrichtung umlaufend umgeben. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die gerichtete Erstarrung des Blocks durch kontrollierte Wärmezufuhr durch die Heizvorrichtung zu steuern.

Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dem Schmelzgut über eine zusätzliche, vorzugsweise oberhalb der Schmelzkammer angeordnete Heizvorrichtung Wärmee nergie zuzuführen. Hierdurch wird im Schmelzbe reich eine homogene Temperaturverteilung im Schmelzgut erzielt. Als vorteilhaft hat es sich weiter erwiesen, daß die Schmelzkammer als Kalt wandinduktionstiegel ausgebildet ist (siehe An spruch 8), der von einer von Wechselstrom durch flossenen Induktionsspule auf seinem Außenumfang umgeben ist, und wodurch in dem Kaltwandindukti onstiegel befindlichen Schmelzgut Wärmeenergie produzierende Wirbelströme erzeugbar sind. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere Siliziumblöcke in der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Siliziumgra nulaten als Ausgangsmaterial herstellbar sind, wie in Patentanspruch 6 und 7 angegeben. Die derartig hergestellten Siliziumblöcke weisen einen typi schen Durchmesser zwischen 100 mm und 400 mm auf und werden mit Abzugsgeschwindigkeiten zwischen typischerweise 4 mm/min bis 10 mm/min aus der Schmelze gezogen.

Weitere vorteilhafte Merkmale des Erfindungsge genstandes ergeben sich aus den übrigen Unteran sprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfin dungsgegenstandes wird im folgenden anhand der einzigen Figur, die eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Stranggußblöcken zeigt, näher erläutert.

In der Figur ist eine Vakuumkammer 2 dargestellt, die über einen Evakuierungsanschluß 4 und eine nicht dargestellte Evakuierungsleitung unter das für solche Prozesse Betriebsvakuum von 10^-2 bis 10^-4 mbar gesetzt werden kann.

In der Vakuumkammer 2 befindet sich ein Kaltinduk tionstiegel 12, der auf seinem Außenumfang von ei ner Induktionsspule 14 umgeben ist. Die Indukti onsspule 14 wird von in der Zeichnung nicht darge stellten elektrischen Zuleitungen mit Wechselstrom versorgt. Bevorzugt wird als Baumaterial für den Kaltinduktionstiegel 12 Kupfer verwendet. Zum Be schicken des Kaltinduktionstiegels 14 mit einzu schmelzendem Ausgangsmaterial 10 dient eine ober halb des Kaltinduktionstiegels 12 angeordnete Chargiervorrichtung 8. Aus der Chargiervorrichtung 8 wird das Ausgangsmaterial 10 über eine Förder kante 13 in den Kaltinduktionstiegel 12 transpor tiert, wobei der Kaltinduktionstiegel 12 bodensei tig zunächst mit einer in vertikaler Richtung ver fahrbaren Bodenplatte 20 verschlossen ist.

Zum Einschmelzen des in dem Kaltinduktionstiegel 12 lagernden Siliziumgranulats wird durch die In duktionsspule 14 elektrischer Wechselstrom gelei tet, wodurch im Schmelzbereich 11 in Folge von im Schmelzgut 16 entstehenden Wirbelströmen ausrei chende Wärme zum Verflüssigen des Schmelzgutes 16 entsteht. Die Heizleistung der Induktionsspule 14 wird durch eine oberhalb des nach oben offenen Kaltwandtiegels 12 angeordnete Heizvorrichtung 7, welche dem Schmelzgut 16 weitere Heizleistung zu führt, unterstützt. Das in dem Kaltinduktionstie gel 12 aufgeschmolzene und einen Schmelzsee bil dende Schmelzgut 16 wird durch Absenken der Boden platte 20 mittels einer in der Figur nicht näher dargestellten Abzugsvorrichtung wie durch die Richtungspfeile angedeutet abgesenkt und tritt aus der begrenzenden Wandung des Kaltinduktionstiegels 12 bodenseitig aus, wobei das austretende Schmelz gut 16 im Austrittsbereich 19 umlaufend mittels einer Düsenanordnung 9 einem auf das Schmelzgut 16 gerichteten Gasstrom 17 ausgesetzt wird. Das auf das Schmelzgut 16 einströmende Gas 17, welches vorzugsweise aus Helium besteht, kühlt das austre tende Schmelzgut 16 auf seiner Oberfläche derartig stark ab, daß dieses unter gerichteter Erstarrung in den festen Zustand übergeht. Die derartig ge bildete Randschale verhindert, daß das noch nicht geschmolzene Silizium aus dem schmelzbereich 11 bodenseitig entweicht. Durch sukzessives Absenken der Randschale verfestigt diese sich in ihrem In neren zu einem Siliziumblock 18 unter gerichteter Erstarrung. Gleichzeitig wird aus der Chargiervor richtung 8 Ausgangsmaterial 10 in den Schmelzbe reich 11 nachgefüllt und die zugeführte Schmelz leistung über die Induktionsspule 14 und das Hei zelement 7 derartig eingestellt, daß insgesamt ein Material- und Energie- bzw. Wärmegleichgewicht für die gesamte Dauer des Umschmelzprozesses aufrecht erhalten wird.

Um ein kontrolliertes Abkühlen, insbesondere um einen gerichteten Erstarrungsprozeß des auf der Abzugsvorrichtung 20 lagernden Siliziumblocks zu gewährleisten, sind über den gesamten Verfahrweg der Bodenplatte 20 benachbart zum Außenumfang des abgesenkten Siliziumblocks 18 eine Heizvorrichtung 24 und eine thermische Isolierung 22 vorgesehen. Die Isolierung 22 verhindert ein zu rasches Abküh len des Siliziumblocks 18, wobei durch die gere gelte Zufuhr von Wärmeenergie über die Heizvor richtung 24 auf den Siliziumblock 18 der zeitliche Verlauf des Erstarrungsprozesses regelbar ist.

Um eine Reaktion des umzuschmelzenden Materials mit umgebender Atmosphäre zu verhindern, kann der Umschmelzprozeß alternativ statt unter Vakuumbe dingungen auch unter einer Inertgasatmosphäre vor genommen werden.

Die mit dem in der Figur dargestellten Schmelzan lage hergestellten Siliziumblöcke besitzen einen Blockdurchmesser von bis zu 400 mm und werden mit Abzugsgeschwindigkeiten der Abzugsvorrichtung 20 von typischerweise 4 mm/min bis 10 mm/min aus der Schmelze 16 gezogen.

Bezugszeichenliste

1

Schmelzanlage

2

Vakuumkammer

4

Evakuierungsanschluß

6

Abzugskammer

7

Heizvorrichtung

8

Chargiervorrichtung

9

Düsenanordnung

10

Ausgangsmaterial, Siliziumgra nulate

11

Schmelzbereich

12

Schmelzkammer, Kaltindukti onstiegel

13

Förderkante

14

Energiequelle, Induktionsspule

16

Schmelzgut

17

Gasstrom

18

Stranggußblock, Siliziumblock

19

Schmelzkammeraustrittsbereich

20

Abzugsvorrichtung, Bodenplatte

21

Außenrand

22

Isolierung

24

Heizvorrichtung

26

Verschlußdeckel

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung von Strangguß blöcken (18) unter einer Schutzgasatmosphäre mit einer Chargiervorrichtung (8) zum Zufüh ren von Ausgangsmaterial (10) in einen Schmelzbereich (11) innerhalb einer Schmelz kammer (12) mit mindestens einer Energiequel le (14) zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials (10) und mit einer unterhalb der Schmelz kammer (12) angeordneten Abzugsvorrichtung (20) zum Abstützen des erstarrenden Blocks (18), gekennzeichnet durch Mittel (9, 17) zum Erzeugen eines auf das aus der Schmelzkammer (12) austretende Schmelzgut (16) gerichteten Gasstroms (17) zur Kühlung des Schmelze (16) im Schmelzkammeraustrittsbereich (19), wo durch die austretende Schmelze (16) durch ge richtete Erstarrung, beginnend im Schmelzen außenrandbereich (21) und unter Ausbildung eines dem Stranggußblock (18) entsprechenden erstarrten Hohlkörpers, welcher den erstar renden Blockkern (18) formend und stützend umgibt, in den festen Zustand überführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Schmelzgut (16) mittels ei ner oberhalb der Schmelzkammer (12) angeord neten Heizvorrichtung (7) Wärmeenergie zu führbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der aus der Schmelzkammer (12) abgezogene Block (18) von einer thermischen Isolierung (24) und/oder einer Heizvorrich tung (22) umgeben ist, wodurch der zeitliche Temperaturverlauf des Blocks (18) durch kon trolliertes Betreiben der Heizvorrichtung (24) einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (17) mindestens ein Inertgas ent hält.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas aus Helium besteht.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (18) aus einem einstückigen Silizium block besteht, wobei das Ausgangsmaterial (10) aus Siliziumgranulaten besteht.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzkammer (12) aus einem Kaltwandindukti onstiegel und die Energiequelle (14) aus ei ner den Kaltwandtiegel (12) umgebenden Induk tionsspule besteht.

8. Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von gerichtet erstarrten Siliziumblöcken für die Solarzellenherstellung, wobei die Silizi umblöcke einen Durchmesser zwischen 100 mm und 400 mm aufweisen.