TWI850235B - 用於形成固態金屬晶粒的方法及系統 - Google Patents

Abstract

本發明目的在於一種造粒方法，該造粒方法包括用於形成液滴流形式的不連續液態金屬流的預造粒步驟、以及用於藉由在一冷卻旋轉盤上接收到的液滴的碎裂以及固化來形成固態金屬晶粒的霧化步驟。

本發明的另一個目的是一種造粒系統，該造粒系統包括坩堝及與該坩堝連接的毛細管、以及用於在毛細管的出口處產生不連續液態金屬流的裝置，該裝置被配置為形成液滴流。該系統也包括冷卻轉盤，該冷卻轉盤被配置為接收液滴流、碎裂及固化該液滴以形成固態金屬晶粒。

Description

用於形成固態金屬晶粒的方法及系統

本發明與熔融金屬造粒領域有關。更具體地，本發明與設備件及使得可以從熔融金屬獲得金屬晶粒的方法有關。其在產生矽晶粒中將具有益處但非限制應用。

可以有利地執行從熔融金屬產生晶粒以再利用矽粉。

這些矽粉通常來自例如在太陽能電池生產鏈中的矽晶圓生產期間對矽鑄錠的切割。因此，多達50%的鑄錠可被還原成粉末並浪費掉。

矽晶圓工業生產的一個重大挑戰在於：增強這些粉末，特別是以可重複使用的再利用材料的形式，來生產鑄錠。

然而，這些粉末不能直接在鑄錠固化坩堝中重複使用。它們確實具有增加的氧氣速率、僅可能使坩堝填充率低、並且易揮發。

因此，在能重新被插入太陽能電池生產鏈中的鑄錠固化坩堝前，這些粉末需要成形。

成形解決方案包括將這些粉末熔化、然後從熔融材料形成固態金屬晶粒。此解決方案稱為造粒。

已經揭露了幾種熔融金屬造粒解決方案。

文獻「L. Nygaard等人，Water granulation of ferrosilicon and silicon metal（矽鐵及矽金屬的水造粒），Infacon，挪威，1995」提出一種藉由將熔融金屬液滴噴射到液態水浴中的造粒方法。

然而，此方法不適用於矽的工業造粒，且更廣泛來說，不適用於其氧化物不是鈍化劑的金屬的造粒。

對於這些金屬，此方法的缺點是在液滴固化為晶粒及其氧化的期間氣態二氫的形成。氣態二氫確實具有板爆炸性域。與此氣體有關的安全問題使此方法在工業上不適用。

文獻US 5094832揭露一種藉由以加壓氣流將連續的熔融矽射流霧化來產生矽粉的方法。

此方法的缺點是其實施成本。使用加壓氣流實際上需要流體網路，其維護成本增加。此外，霧化期間的氣體消耗也增加了這種方法的作業成本。

文獻「S. J. Savage等人，Production of rapidly solidified Metals and Alloys（快速固化的金屬及合金的生產），Journal of Metals（金屬學報），1984年4月」提出了金屬及合金的不同快速固化技術。特別地，其提出了藉由離心法的液態金屬快速固化。此方法包括將連續的液態金屬流噴射到冷卻的旋轉盤上。旋轉盤的轉速約為35000 rpm。

此方法的缺點是，其需要增加離心能量。特別地，大約35000 rpm的這種轉速在實施上是複雜的。

此方法的另一個缺點是設備的機械零件的快速劣化。特別地，以此轉速旋轉的盤的機械元件承受高機械應力、並且可能遭受快速磨損。因此，此方法的可靠性降低。其實施具有增加的運作成本。

此方法的另一個缺點是旋轉盤中冷卻系統的複雜管理。適於旋轉盤的這種轉速的冷卻系統確實特別複雜且實現上是昂貴的。

本發明的目的是克服上述缺點中的至少其一。

特別地，本發明的目的是提出一種用於形成固態金屬晶粒的方法，其實施成本降低及/或其可靠性提高。

本發明的另一個目的是提出一種與工業生產相容的用於形成固態金屬晶粒的方法。

本發明的另一個目的是提出一種用於從來自切割矽鑄錠的矽粉來形成矽晶粒的方法。

本發明的另一個目的是提出一種用於形成固態金屬晶粒的系統，該系統是可靠的並且與固態金屬晶粒的工業生產相容。

本發明的第一方面與一種用於從此液態金屬形成固態金屬晶粒的方法（稱為造粒法）有關。

有利地，此方法至少包括下列步驟： - 向坩堝提供此固態金屬粉末的步驟， - 預造粒步驟，至少包括下列步驟： ○例如藉由熔化該固態金屬粉末（M_pow ），在坩堝中提供此液態金屬， ○在與該坩堝連接的至少一毛細管的入口處形成液態金屬的連續流，然後 ○從該連續流形成液態金屬的不連續流，以產生落在該至少一毛細管的出口處的液態金屬液滴流，以及 - 霧化步驟，至少包括以下步驟： ○接收在旋轉容器的接收表面上產生的液滴流，該表面旋轉以分裂液滴，並且該表面具有的溫度比金屬熔化溫度低至少兩倍，較佳低至少十倍，以將液滴的液體部分固化為固態晶粒。

根據本發明的造粒方法具有降低的實施成本。特別地，此方法的實施成本小於藉由加壓氣流的霧化方法的實施成本。

相反地，使用足夠冷的旋轉表面來分開液態金屬流並以晶粒形式固化該金屬使得可以限制造粒方法的成本。接著，關於該方法的附加價值，此造粒方法的實施成本是可以接受的。因此，此方法可以在工業上使用。

根據本發明，可以有利地顯著降低將連續的液態金屬流分成足夠小的部分使得這些部分以晶粒的形式被固化所需的離心能量，特別是相對於文獻「S. J. Savage等人，Production of rapidly solidified Metals and Alloys（快速凝固的金屬及合金的產生），Journal of Metals（金屬學報），1984年4月」中提出的不同的快速固化技術。

根據本發明的方法，液滴流的預先形成實際上可能顯著降低將這種流在用於接收旋轉容器的表面上分開所需的離心能量。特別地，旋轉容器的接收表面的轉速可以例如大幅降低十倍。

因此，相對於現有的造粒方法，本發明的造粒方法具有降低的實施成本以及提高的可靠性。

因此，本發明的造粒方法對於固態金屬晶粒的工業生產特別有利。

此外，所提出的造粒方法屬於稱為「乾」的造粒方法的範圍，該造粒方法不產生任何氫。

本發明的第二方面與一種用於形成固態金屬晶粒的系統（稱為造粒系統）有關，該系統包括用於在系統上部的水平供應該固態金屬的粉末的裝置；旨在用於容納在液態的該金屬的坩堝；從坩堝延伸且被配置為賦能液態金屬流的至少一毛細管；以及至少一旋轉容器，具有接收表面以及包括用於冷卻該接收表面的裝置，該接收表面旨在用於接收液態金屬流。

有利地，該系統包括用於從在至少一毛細管的入口處的連續液態金屬流產生不連續的液態金屬流的裝置，以產生落在該至少一毛細管的出口處的液態金屬液滴流，旋轉容器被配置為使得該接收表面被旋轉，以及冷卻裝置被配置為使得該接收表面具有的溫度比金屬熔化溫度低至少兩倍、且較佳地低至少十倍，以將液滴的液體部分固化成固態晶粒。

此系統有利地使得可以實施根據本發明的第一方面的造粒方法。此系統的技術效果及優點在比照、對應於根據本發明的第一方面的方法的技術效果及優點。

根據本發明的第一方面，本發明尤其包括以下可選特徵，這些可選特徵可以結合使用或替代地使用： - 該方法包括：在霧化步驟之後，藉由離心將晶粒排出。 - 該方法包括 ：在排出晶粒之後，收集所排出的固態晶粒的步驟。 - 該霧化步驟被配置為使得接收表面的轉速在100 rpm與3000 rpm之間，較佳地實質上等於500 rpm。

這樣的霧化步驟特別是在要求轉速大於超出十倍的技術方面需要減少的實施能量。 - 產生不連續流的步驟包括藉由在該連續液態金屬流上施加調變磁場以使連續流失穩的步驟。

這種失穩步驟有利地使得可以形成包括均一尺寸的液滴的液滴流。在霧化步驟之後，均一尺寸的此液滴流以均一尺寸的固態金屬晶粒發生。 - 將調變磁場施加到至少部分地被包含在至少一毛細管內的連續液態金屬流。 - 將調變磁場施加到落在至少一毛細管的出口處的連續液態金屬流。 - 例如根據100 Hz與10 kHz之間的頻率對磁場進行頻率調變。

在此範圍中的頻率調整使得可以控制液滴的尺寸。此外，這種調整使得可以從不同的液態金屬產生均一尺寸的液滴流。 - 不連續流的產生是藉由至少一毛細管內的毛細作用來完成。 - 不連續流的產生是藉由至少一毛細管內的毛細作用以及對連續流施加調變磁場來完成。 -  不連續流的產生是僅藉由對連續流施加調變磁場來完成。 -  該方法更包括向坩堝提供固態金屬粉末的步驟。

該方法有利地使得可以再利用固態金屬粉末。 - 該金屬是矽、鋁、鋁矽合金以及鎵中的一種。

該方法有利地使得可以產生矽、鋁、鋁矽合金以及鎵中的一種的晶粒。 - 該金屬是鉑（Pt）、鎢（W）、銠（Rh）、銥（Ir）、鉭（Ta）中的一種。

該方法有利地使得可以產生鉑、鎢、銠、銥、鉭中的一種的晶粒。稱為貴金屬的這些金屬的粉末的再利用具有顯著的經濟利益。此外，這些金屬具有與矽的熔點及/或熱行為類似的增高的熔點及/或熱行為。因此，為矽粉的再利用所確定的方法的參數（例如，轉速、冷卻溫度、液滴的流動）可以容易且有利地轉移並適於具有高熔點的這些貴金屬的粉末的再利用。

根據本發明的第二方面，本發明尤其包括以下可選特徵，這些可選特徵可以結合使用或替代地使用： - 旋轉容器被配置為使得接收表面具有的轉速在100 rpm與3000 rpm之間，較佳地實質上等於500 rpm。

這樣的速度使得可以限制旋轉的機械部件的磨損。因此，提高了可靠性並且降低了系統的維護成本。此外，這樣的速度使得可以簡化用於冷卻接收表面的裝置的管理。冷卻裝置的成本也降低了。 - 用於產生不連續流的裝置包括用於產生調變磁場的裝置以及至少一毛細管中的至少其一。 - 該用於產生調變磁場的裝置被配置為藉由在該連續流上施加根據100 Hz與10 kHz之間的頻率的調變磁場以使液態金屬的連續流失穩。

對於不同的液態金屬，此裝置使得可以精確地控制液滴的尺寸。 - 該用於產生調變磁場的裝置被配置為至少部分地與該至少一毛細管接合，使得該磁場在該至少一毛細管內及/或外部產生該液態金屬的流動的不穩定性，以在該至少一毛細管的出口處形成均一尺寸的液滴。

此用於產生磁場的裝置例如可以有利地放置在該至少一毛細管附近，以改善根據本發明形成的晶粒的均勻性。 - 該接收表面是凹的。

凹的接收表面使得可以增加冷卻的表面與液態金屬液滴的部分之間的接觸時間，特別是在藉由離心排出晶粒之前。液滴的部分的冷卻更快地完成。液滴的部分的快速固化成晶粒被改善。 - 該接收表面具有旋轉中心，該旋轉中心相對於流動軸線或在該至少一毛細管的出口處的液滴的落下偏移距離d ，該距離d 較佳大於該接收表面的一半-半徑。

偏移的旋轉中心使得可以避免在速度為零的該接收表面的中心積聚液滴及/或晶粒。 - 該接收表面被塗覆有阻隔材料，該阻隔材料被配置為限制由構成旋轉容器的材料對液態金屬液滴的污染。

在本專利申請案中，高度是沿著與經由重力落下的液態金屬流的自由流動平行的方向取得。

在本發明的範圍中，關於「金屬」，這是指具有液態金屬性能的材料。此材料可以單體形式或合金形式呈現。因此，在本申請案中矽被認為是金屬。

由本發明的造粒方法及/或系統處理的金屬較佳具有增加的熔點，例如大於1400℃。以非限制性方式，可以藉由本發明的造粒方法及/或系統有利地處理以下金屬：矽、鉑（Pt）、鎢（W）、銠（Rh）、銥（Ir）、鉭（Ta）。

矽可以元素形式呈現、組成或化合。此處所稱的矽對應於其元素矽含量為至少90質量％的材料。金屬類型（例如，Fe、Cu、Al）或輕質（例如，C、O、N）的主要雜質可以表示單獨占矽組成物的數個百分點，合計最多是其組成物的10質量％。

本發明尤其旨在將固態金屬粉末運送到固態金屬晶粒中。粉末及晶粒是藉由其各自的粒徑範圍而不同的粒子集合體。

特別地，粉末包括其尺寸（即較大尺寸）較佳大於幾百奈米（例如500 nm）並且小於幾百微米（例如500 µm）的顆粒。

晶粒包括其尺寸較佳大於500 µm並且小於幾毫米（例如15 mm）的顆粒。此外，晶粒較佳具有球形形狀。其尺寸隨後對應於其平均直徑或其最大直徑。

相對於粉末的粒徑，晶粒的粒徑更大，較佳大得多，例如至少大十倍。

關於「毛細管」，這是指內徑非常小的管，例如，在0.1 mm與5 mm之間、並且較佳在0.5 mm與5 mm之間的內徑。特別地，毛細管使得可以降低循環通過的流體的壓力。

關於「阻隔材料」，這是指對液態金屬是化學惰性的材料。被插入在液態金屬與支撐此金屬的表面之間的這種材料有利地形成了對液態金屬的種類與構成該表面的一種或多種材料之間的種類相互擴散的阻隔。

關於「實質上等於」，這是指「等於給定值、多於或少於幾乎是此值的10％」的給定值。

關於「鈍化劑」，這是指在固態金屬上形成保護膜的金屬氧化物的性質。可以將其氧化物是鈍化劑的金屬的晶粒例如在水中冷卻而無需進一步氧化。

現在，將參照附圖詳細描述本發明。

第1圖示出了根據本發明的造粒系統的實施方式，其使得可以實施根據本發明的造粒方法。因此，以下描述是基於此第1圖，以描述造粒系統的部分以及造粒方法的步驟。

根據本發明的造粒方法包括旨在形成液態金屬液滴流的至少一預造粒步驟、接著是旨在從該液態金屬液滴流形成固態金屬晶粒的霧化步驟。

根據本發明的造粒系統包括至少一坩堝1，該坩堝1具有的直徑較佳在5 cm與50 cm之間，能夠容納液態金屬M_liq 。此坩堝1可以例如是石墨基的。

坩堝1的壁對該金屬較佳是化學惰性的，以避免該液態金屬M_liq 的玷污或污染。壁可以被塗覆有對構成坩堝1的種類的擴散形成阻擋的材料。

特別地，此坩堝1可以容納例如液態矽或液態鋁、或其金屬氧化物不是鈍化劑的任何其他金屬。

這樣的坩堝1是廣為本領域中具有通常知識者所知的。

造粒系統較佳地被限制在大氣壓外殼100中。可以例如藉由抽真空或藉由以例如氬之類的中性氣體進行填充來控制此氣壓。

這樣的受控氣壓有利地使得例如可以將在固態金屬熔化期間形成的氣體吹掃成液態金屬。

這樣的受控氣壓也使得可以避免在外殼100中包含的金屬的氧化。

為了開始該方法，較佳地，在熔化固態金屬以獲得直接在坩堝1內的液態金屬M_liq 浴之前，該坩堝1首先被預填充例如粉末M_pow 形式的此固態金屬。

為了更有效，此預填充步驟也可以用固態金屬塊部分地進行。因此，可以在坩堝1中混合該固態金屬粉末M_pow 以及固態金屬塊。

固態金屬塊的熔化比此金屬的粉末的熔化有利地更容易實現，特別是如果該粉末被部分氧化。隨後，首先在金屬塊的水平上開始該金屬的熔化。來自熔融金屬塊的液態金屬因此可以潤濕周圍的金屬粉末並促使該金屬粉末的熔化。

此外，對於藉由給定的固態金屬預填充坩堝1的高度，特別是因為金屬塊的密度大於金屬粉末的密度，由於固態金屬塊熔化而產生的液態金屬M_liq 浴的體積可以大於由於此金屬的粉末熔化而產生的液態金屬的體積。

在高度氧化的矽粉的情況中，例如在專利申請案FR 18/00572中描述了一種從此粉末產生熔融矽的裝置。

為了在坩堝1內獲得液態金屬M_liq 浴，該系統較佳地包括加熱裝置，該加熱裝置被配置為較佳地直接在坩堝1內熔化固態金屬。

此加熱裝置可以被配置為藉由坩堝1的壁以及底部的輻射及/或傳導來加熱固態金屬。其可以替代地被配置為藉由感應或電阻性地直接加熱該金屬。

螺旋部12例如可以被佈置在坩堝1附近、並且藉由隔離元件13與坩堝1分隔開，以在該金屬內產生電磁感應現象並且隨後熔化此金屬。

來自預填充步驟，加熱最初由坩堝1包含的、以塊及/或粉末形式的固態金屬使得可以獲得初始的液態金屬浴。

坩堝1較佳地在坩堝1的底部的水平處具有出口孔口10，使得液態金屬M_liq 流動。此孔口10較佳地被連接至毛細管2，以控制該液態金屬的流動。

隨後可以有利地開始該方法。

因此，坩堝1可以再次被填充有固態金屬，該固態金屬然後可以被熔化，使得該液態金屬經由毛細管2再次流動。

此方法較佳是連續的。

坩堝1較佳是在上部水平處被供應有金屬粉末M_pow 。

該系統在上部中可以包括粉末儲槽11或另一個粉末M_pow 供應裝置11。在上部的該供應裝置11的定位使得可以經由重量測定法進行粉末供應。粉末的細粒度確實需要合適的供應裝置11，以藉由靜電粘附防止或限制顆粒的聚集。例如，加壓供應裝置有利於靜電吸附並且不適合粉末供應。

向坩堝供應粉末的步驟可以被配置為連續地或間歇地遞送該金屬粉末M_pow 。

粉末M_pow 供應裝置11較佳地被配置為遞送非常高的粉末體積流量，例如大於1 kg.h^-1 。

這使得可以補償供給坩堝1的粉末的低密度（通常是小於塊形式的壓縮形狀的密度的更低量值）。這使得可以獲得具有符合工業需要或需求的晶粒的質量流量的造粒方法或系統。

粉末M_pow 供應裝置11較佳地被配置為避免粉末M_pow 阻塞該供應裝置11。為此，供應裝置11可包括至少一個通道，該通道具有粉末M_pow 的足夠大的通道橫截面，通常嚴格大於3 cm，較佳大於或等於5 cm，以避免該通道中的壓力變化，這會有利於在通道壁上粉末M_pow 的聚集或粘附。通道的壁也較佳地分別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 開始在該壁上積聚。例如，大尺寸以及小尺寸粗糙度可以使得R_p ≤ 0.4 μm以及R_g ≤ 0.3.R_p 。

這使得可以避免粉末在壁上的積聚，粉末的積聚通常藉由形成壓實的粉末狀金屬實心圓頂而通常導致通道的阻塞。

這最終使得可以改善在供應裝置11中粉末M_pow 的流動性。

較佳地維持坩堝1內的金屬的加熱，以在坩堝1內維持液態金屬浴。

僅是可選的以及隨意的預填充步驟使得可以更快速地熔化來自儲槽11的金屬粉末M_pow 。

實際上，金屬粉末M_pow 藉由與初始液態金屬浴的接觸而比僅藉由與坩堝1接觸的作用更容易被熔化。因此，初始液態金屬浴使得可以更快地形成並維持液態金屬M_liq 浴，從該液態金屬M_liq 浴可以連續實施造粒方法。

為了使液態金屬流過毛細管2，液態金屬M_liq 浴必須在坩堝1中具有最小高度H_min 。此最小高度H_min 可以根據所考慮溫度下金屬的固有物理特性、以及根據毛細管2的尺寸來界定。

第2圖示出了液態金屬浴的流動條件。如果與液態金屬管柱20的重量相關聯的重力大於此管柱20的圓周上的表面張力，則液態金屬流過半徑為R的圓柱形毛細管2。

管柱20具有總高度H、以及部分地位於坩堝1中且部分地位於毛細管2中。

坩堝1中的管柱20高度為h₁ 、以及毛細管2中的管柱20高度為h₂ ，使得H ＝ h₁ + h₂ 。

隨後，如果滿足以下條件，則流動條件被證實： 即 其中ρ 是液體的密度， 且γ 為所考慮溫度下液體的表面張力。

使得流動能進行的最小管柱20高度為：。

因此，使得流動能夠進行的坩堝1中的最小高度H_min 為：。

粉末供應流較佳地被配置為使得坩堝1中的液體浴的高度總是大於H_min 。

隨後，造粒方法可以是連續的。

下表以非限制性方式示出了：針對矽以及針對鋁，根據毛細管2的半徑的在管柱20中的一些最小高度值。

例如，對於1450°C的矽： 根據「F. Millot 等人，The surface tension of liquid silicon at high temperature （高溫下液態矽的表面張力 ）, Materials Science and Engineering（材料科學與工程）A 495 (2008) 8–13」，表面張力γ_Si ^1450°C 等於730 mN/m，以及，根據「H. Sasaki等人，Density Variation of Molten Silicon Measured by an Improved Archimedian Method （藉由改進的阿基米德方法測得的熔融矽密度變化 ）, Jpn J Appl. Phys. 33 (1994)，第3803-3807頁」，密度ρ_Si ^1450°C 等於2.57 g.cm^-3 。

因此，一旦管柱20的高度H大於下表中指出的值H_min ，則1450°C下液態矽將流動：

例如，對於660°C下的鋁： 例如，根據「V. Sarou-Kanian，Surface Tension and Density of Oxygen-Free Liquid Aluminum at High Temperature （高溫下無氧液態鋁的表面張力和密度 ）, International Journal of Thermophysics（國際熱物理學雜誌）, (2003) Vol. 24, No. 1」，表面張力γ_Al ^660°C 等於1040 mN/m，以及，根據https://www.aqua-calc.com/page/density-table/substance/liquid-blank-aluminum，密度 ρ_Al ^660°C 等於2.38g.cm^-3 。

因此，只要管柱20的高度H大於下表中指出的值H_min ，660°C下液態鋁將會流動：

毛細管2的半徑R可以在2 mm與10 mm之間。

較佳地且有利地，毛細管2的高度h₂ 為非零、並且在1 mm與50 mm之間。

也稱為「液滴尖端」的這種毛細管2使得可以避免坩堝1底部中的出口孔口10的水平處（特別是在此孔口10邊緣的水平處）液態金屬不受控制地流動。

此「液滴尖端」使得可以平衡在管柱20的高度與管柱20的底部之間的壓力，因此避免了在管柱20內中央氣體管柱的形成。因為這是在孔口10邊緣如此進行的，這樣的氣體管柱確實對控制液態金屬流動有害。

此外，液滴尖端使得能夠防止液態金屬液滴從坩堝1底部的外表面上的孔口10邊緣擴散。

液態金屬的流動在液滴尖端存在下導致液滴尖端出口處的液滴放大、或者在不存在任何液滴尖端下導致液滴以液膜形式（藉由最小化表面能量）在坩堝1底部的外表面上擴散。

液滴尖端可能產生垂直壁，以利於藉由重力而以液滴形式流動。

液態金屬M_liq 隨後可以在毛細管2的出口孔口10的水平處、在毛細管2的入口處連續地流動、並且在毛細管2的出口處以液滴M_drop 的形式不連續地流動。

為了引起在連續流與不連續流之間的過渡，在液態金屬的連續流中自發地產生不穩定性。

這種不穩定性可能藉由毛細作用、藉由選擇坩堝1中液態金屬的高度h₁ = h_1eq 、以及藉由使高度h₁ 在h_1eq 附近變化而引起。

這樣的高度h_1eq 較佳地被選擇，使得與高度h_1eq 的液態金屬管柱20的重量相關聯的重力實質上等於在此管柱20的圓周處的表面張力。此高度h_1eq 隨後對應於液態金屬流的平衡點。

藉由使液態金屬浴的條件在這種平衡點附近略有變化，可以形成不連續流動。

特別地，略高於此高度h_1eq 的管柱20高度將導致液態金屬液滴的落下。因此，將粉末M_pow 添加到坩堝1中將最終導致液滴的落下。

略小於此高度h_1eq 的管柱20高度將中止液態金屬流動。因此，在液滴落下之後，管柱20高度將減小並且液態金屬流動將停止，特別是直到再次將粉末M_pow 另外添加到坩堝1中使得以液滴形式的流動成為可能為止。

這種不穩定性也可能由具有的頻率約為1 kHz的可變磁場引起。

磁場被施加到連續的液態金屬流，較佳是在毛細管2的水平上。

這樣的磁場使得可以在液態金屬流中產生可控制且可再現的不穩定性。隨後，在毛細管2的出口處形成的液滴M_drop 有利地具有均一尺寸。

磁場的特徵，特別是其頻率，取決於所考慮的金屬的特性。

例如，標題為「Formation of uniformly-sized droplets from capillarity jet by electromagnetic force（藉由電磁力從毛細管噴射形成均勻尺寸的液滴）, Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, Australia, 2009」的文獻提出了流經磁場的液態鎵流的失穩、以及均一尺寸的鎵液滴的產生。

根據此文獻，對於約320 Hz的磁場，產生了均一尺寸的鎵液滴。

此磁場使得其在液滴之間產生距離間隔，該距離間隔對應於液態金屬流的固有失穩波長。此波長特別是取決於液態金屬的表面張力及電阻率。

磁場的頻率可以根據要使其流動失穩的金屬來調節。

磁場的頻率可以在100 Hz與1500 Hz之間。

有利地，造粒系統可以包括圍繞毛細管2佈置的電磁鐵線圈21，以產生此電磁場、以及隨後在連續流中的不穩定性。

根據一種較佳的可能性，不穩定性是由毛細作用以及可變磁場一起引起的。

液滴尺寸的分佈隨後具有減小的標準差。此外，此分佈的再現性提高。

根據毛細管2的尺寸，在毛細管2的出口處流動的液滴流的質量流量（稱為出口質量流量）可以是在0與60 kg.h^-1 之間，較佳是在1與20 kg.h^-1 之間。

可以根據期望的出口質量流量來調整粉末供應流量。

在毛細管2的出口處的液滴流的形成對應於預造粒步驟的結束。

接下來的霧化步驟旨在從液滴M_drop 流形成固態金屬晶粒M_grain 。

液態金屬液滴M_drop 較佳被收集在旋轉盤3的旋轉接收表面30上。

此接收表面30可以具有的直徑在10 cm與50 cm之間，較佳地在10 cm與30 cm之間。

液滴較佳地直接落在旋轉接收表面30上。在毛細管2與表面30之間取得的液態金屬液滴的落下高度可以在1 cm與1 m之間。

此旋轉盤3的旋轉使得可以霧化液滴，亦即將液滴碎裂。這種碎裂使得可以獲得液滴的部分，其可以藉由冷卻而迅速被固化。

冷卻較佳地藉由與接收表面30接觸而直接進行。接觸時間尤其是取決於表面30的旋轉。接觸時間尤其取決於表面30的旋轉。旋轉盤3的轉速尤其是被選擇為使得液態金屬液滴在離開旋轉盤3的接收表面30之前被固化。

此表面30較佳是藉由旋轉盤3中的環境溫度下的流體（例如18℃的水）的循環而被冷卻。

為了增加液態金屬液滴與旋轉盤3的冷卻表面30之間的熱交換，此表面30較佳地由具有導熱率增加的金屬（例如銅或鑄鐵）製成。

較佳地，旋轉盤3的接收表面30是凹的，以增加冷卻表面30與液態金屬液滴之間的接觸時間。冷卻因此被最佳化。

根據一種較佳可能性，冷卻被配置為排出大量熱流，例如大於250 W。這使得可以充分、迅速地冷卻金屬液滴，以獲得足夠低的晶粒溫度，例如小於或等於所考慮的金屬的熔融溫度Tf的一半。稱為「冷晶粒」的這種晶粒有利地限制了在晶粒與造粒系統（旋轉盤、容器）的不同壁之間的接觸期間可能發生的固體擴散（熱活化）現象。因此減少了晶粒的污染。

這樣的冷卻也使得可以冷卻具有增加的質量熱容量c_x 及/或熔化潛熱的液滴，使得矽液滴（c_x ~ 1000J.kg^-1 .K^-1 ）。

矽是可能需要冷卻的材料的範例，其尺寸可以排出大於400 W的熱流。實際上，相較於針對鋁的8.5.10⁶ J以及針對鐵的1.1.10⁶ J，為了將一公斤的熔融溫度Tf的液態矽冷卻到該溫度的一半（Tf/2），必須排出大約1.6.10⁶ J。因此，使用矽涉及排出相對於鐵為50％的熱餘量以及相對於鋁為100％的熱餘量。此外，矽的導熱率比過渡金屬的導熱率低很多，例如，相較於鋁的超過200W.m^‑1 .K^‑1 ，在[Tf/2 - Tf]範圍內，矽具有的值在20與40 W.m^‑1 .K^‑1 之間。因此，矽的冷卻可能需要排出約400 W的熱流。

根據本發明的系統較佳包括冷卻裝置，該冷卻裝置被配置為排出大於或等於400 W的熱流。根據本發明的方法較佳包括冷卻步驟，該冷卻步驟被比照配置為排出大於或等於400 W的熱流。這使得可以避免在冷晶粒（即例如具有低於Tf/2的溫度）朝向容器排出之前熱晶粒（即具有例如Tf/2與Tf之間的溫度）在旋轉盤3上滯留時間的延長。因此改善了所產生的晶粒的質量流動。

與藉由連續流的旋轉碎裂相較下，藉由液滴流的旋轉的碎裂有利地需要更少的能量。

旋轉盤3的轉速隨後可以在100與3000 rpm之間。

這種速度小於文獻中描述的快速凝固方法的轉速的十分之一，有利地使得可以簡化造粒系統、並使造粒系統及方法可靠。

特別地，與用於以大約35000 rpm的轉速冷卻旋轉盤的裝置（對於此，例如會出現空腔問題）相反，旋轉盤3的冷卻裝置可以相對簡單地實現。

為了限制液態金屬與盤3的表面30之間的任何污染，表面30也可以由阻隔材料保護。例如，在矽的情況下，表面30可以由氮化矽、二氧化矽或石墨層保護。

替代地或組合地，使用由無污染材料製成的容器（例如來自西門子的超清潔矽床）、或FBR（流化床反應器）型化學方法也可以限制污染。

在碎裂並冷卻後，液滴的部分以晶粒M_grain 的形式被固化。

然後，這些晶粒可以藉由離心力朝向旋轉盤3的外部排出。

根據較佳的可能性，由軸線B支撐的接收表面30的旋轉中心與液滴流的流動軸線A偏移距離d，以避免材料在旋轉盤3的中心（轉速為零）處積聚，距離d較佳地大於該盤的半徑的50％。

考慮到其後來的使用，在排出之後，固態金屬晶粒M_grain 然後可以被收集在例如漏斗形式的容器4中、並且被引入可拆卸的容器5中。

特別地，根據本發明的裝置及方法可以有利地被實施以從矽粉來工業生產矽晶粒。這些矽晶粒然後可以有利地用於光伏矽工業生產鏈中。

產生晶粒可以具有的質量流量為0與60 kg.h^-1 之間，較佳為1與20 kg.h^-1 之間。

本發明不限於上述實施方式，而是擴展到落於申請專利範圍內的所有實施方式。

特別地，金屬可以是金屬合金，例如鋁矽AlSi合金。

液滴流的流動軸線A以及旋轉盤的旋轉軸線B不必彼此平行。

A:流動軸線 B:軸線 H、h₁、h₂:高度 M_drop:液態金屬液滴 M_grain:固態金屬晶粒 M_liq:液態金屬 M_pow:固態金屬粉末 R:半徑 1:坩堝 2:毛細管 3:旋轉盤 4、5:容器 10:孔口 11:粉末儲槽 12:螺旋部 13:隔離元件 20:管柱 21:電磁鐵線圈 30:接收表面 100:大氣壓外殼

在閱讀以下詳細說明並參考作為非限制性範例給出的所附圖式，本發明的其他特徵、目的以及優點將顯現，且其中： -第1圖示出了根據本發明實施方式的用於形成固態金屬晶粒的系統； -第2圖示出了第1圖所示系統的一部分的放大圖。 圖式作為範例給出、並不限制本發明。這些圖式構成旨在促進對本發明的暸解的原理示意圖、並且不一定達到實際應用的規模。特別地，落入坩堝中的粉末顆粒的尺寸實際上可以比最終形成的固態金屬晶粒的尺寸小很多。

A:流動軸線

B:軸線

M_drop:液態金屬液滴

M_grain:固態金屬晶粒

M_liq:液態金屬

M_pow:固態金屬粉末

1:坩堝

2:毛細管

3:旋轉盤

4、5:容器

10:孔口

11:粉末儲槽

12:螺旋部

13:隔離元件

21:電磁鐵線圈

30:接收表面

100:大氣壓外殼

Claims (11)

1. 一種用於從一液態金屬形成固態金屬晶粒的方法，該金屬是矽、鉑(Pt)、鎢(W)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉭(Ta)中的一種，該方法的特徵在於該方法包括至少下列步驟：- 向一坩堝提供該固態金屬的一粉末的步驟，- 一預造粒步驟，至少包括下列步驟：○藉由熔化該固態金屬粉末，在該坩堝中提供該液態金屬，○在與該坩堝連接的至少一毛細管的一入口處形成液態金屬的一連續流，然後○從該連續流形成液態金屬的一不連續流，以產生落在該至少一毛細管的一出口處的一液態金屬液滴流，以及- 一霧化步驟，至少包括以下步驟：○接收在一旋轉容器的一接收表面上的所產生的液態金屬液滴流，該表面旋轉以分裂該液滴，該表面還具有比一金屬熔化溫度低至少兩倍的一溫度，以將液滴的液體部分固化為固態晶粒。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該霧化步驟被配置為使得該接收表面的一轉速是在100rpm與3000rpm之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該產生該不連續流的步驟包括藉由在該連續液態金屬流上施加一調變磁場以使該連續流失穩的步驟。
4. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中該調變磁場是根據100Hz與10kHz之間的一頻率而被調變。
5. 一種用於形成固態金屬晶粒的系統，該金屬是矽、鉑(Pt)、鎢(W)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉭(Ta)中的一種，該系統包括用於在該系統的一上部的一水平處供應一固態金屬的一粉末的一裝置；一坩堝，旨在用於容納在一液態 的該金屬；至少一毛細管，從該坩堝延伸且被配置為賦能一液態金屬流；以及至少一旋轉容器，具有旨在用於接收該液態金屬流的一接收表面以及包括用於冷卻該接收表面的一裝置，該系統的特徵在於，其包括用於在該至少一毛細管的一入口處從一連續液態金屬流產生一不連續液態金屬流的一裝置，以產生落在該至少一毛細管的一出口處的一液態金屬液滴流，且特徵在於，該旋轉容器被配置為使得該接收表面被旋轉，以及一冷卻裝置被配置為使得該接收表面具有的一溫度比該金屬的一熔化溫度低至少兩倍，以固化固態晶粒液滴的液體部分。
6. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該旋轉容器被配置為使得該接收表面具有在100rpm與3000rpm之間的一轉速。
7. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中用於產生該不連續流的該裝置包括用於產生一調變磁場的一裝置以及該至少一毛細管中的至少其一。
8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中用於產生一調變磁場的該裝置被配置為藉由根據100Hz與10kHz之間的一頻率以在該連續流上施加一調變磁場來使該液態金屬連續流失穩。
9. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該接收表面是凹的。
10. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該接收表面具有一旋轉中心，該旋轉中心相對於該至少一毛細管的該出口處的該液滴的一流動軸線偏移一距離d，該距離d較佳大於該接收表面的一半-半徑。
11. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該接收表面被塗覆有一阻隔材料，該阻隔材料被配置為限制由構成該旋轉容器的該材料對該液態金屬液滴的一污染。