电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置及其方法

1.本发明涉及物理冶金法提纯技术领域，尤其涉及一种电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置及其方法。


背景技术：

2.在当前碳达峰、碳中和的时代大背景下，以光伏为代表的新能源产业迎来了重大发展机遇。作为光伏产业的主要原料，太阳能级(6n)硅目前主要还是通过改良西门子法提纯工业硅(2n)所得。相比改良西门子法，物理冶金法具备投资少、工艺简单、能耗小、成本低及对环境友好等优势，是极具发展潜力的太阳能级硅提纯制备方法，近年来一直为光伏行业研究的一个重要方向，并取得了极大发展。然而，目前开发的各冶金法提纯工艺尚存在产品质量不稳定，低成本优势未能得到充分发挥，因而未能得到大规模推广应用。
3.定向凝固是冶金法提纯制备太阳能级硅工艺过程中不可或缺的一环，其中，采用电磁半连续定向凝固技术是一种提高提纯效率、进一步降低能耗与提纯成本，充分发挥冶金法提纯低成本优势的重要手段。
4.然而，由于硅属于半导体，其导电性差，不能直接进行感应加热熔炼，需要对其进行预热，待其温度升高至一定温度(一般认为需700℃以上)后方可进行感应加热。此外，由于采用的是电磁半连续定向凝固，在连续熔铸过程中，若对熔池控制不当，其预热启熔后的熔池依旧容易出现不能很好地预热后续连续加入工业硅冷料，进而导致熔池熄灭，连续定向凝固过程中断的危险。基于此，控制电磁半连续定向凝固提纯工业硅过程熔池的稳定性是利用该技术实现高效率、低成本提纯工业硅的难点与关键。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置及其方法，旨在解决工业硅料室温电导率低，不能直接进行感应加热熔化及电磁半连续定向凝固过程中熔池不稳定，容易出现熔池熄灭导致连续熔铸过程中断的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置，包括加料装置、下拉装置、高频感应加热连续熔铸装置、石墨底托、聚料漏斗，其中，
7.所述高频感应加热连续熔铸装置包括无底式冷坩埚以及套于无底式冷坩埚外部的感应线圈，石墨底托位于无底式冷坩埚内部且与下拉装置相连，下拉装置带动石墨底托在无底式冷坩埚内部上下移动，聚料漏斗位于加料装置和无底式冷坩埚之间，聚料漏斗用于收集加料装置所加颗粒状工业硅料，并聚集加入无底式冷坩埚内腔中部。
8.优选地，所述石墨底托底部通过燕尾槽与下拉装置相连，石墨底托顶部设有倒锥形凹坑以用于容纳工业硅料。
9.优选地，所述聚料漏斗下部位于坩埚横截面中部，其截面面积为无底式冷坩埚内腔横截面积的1/3～1/2。
10.优选地，所述加料装置的加料速度与下拉装置的移动速度均连续可调。
11.本发明进一步提出一种基于上述电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置的方法，包括以下步骤：
12.将电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置组装完成后，使石墨底托顶端面位于感应线圈高度方向的中部区域，并在石墨底托上方预置工业硅底料；
13.通过对感应线圈施加高频电流并逐渐增加至预设加热功率，当石墨底托上预置工业硅底料完全熔化后继续增加功率5kw～10kw并保温第一预设时间，以确保后续连续定向凝固提纯过程中熔池所需过热度；
14.开启加料装置向坩埚内熔池中以第一预设加料速度加料以扩大熔池，同时开启下拉装置使石墨底托以第一下拉速度下移，直至石墨底托顶端与感应线圈最下面一匝顶端持平时停止下拉与加料；
15.保温第二预设时间后保持石墨底托不动，同时开启加料装置以第二预设加料速度向坩埚内加入工业硅料以进一步扩大熔池，直至坩埚内熔池顶端上升至距离感应线圈顶端达到预设高度时停止加料；
16.保温第三预设时间后保持加热功率不变，开启下拉装置以第二下拉速度下拉石墨底托，同时开启加料装置以第三预设加料速度向坩埚内加入工业硅料，直至铸锭生长至所需长度。
17.优选地，所述第一预设时间2min～5min，第二预设时间为3min～5min，第三预设时间为5min～10min。
18.优选地，在石墨底托上方预置工业硅底料时，除填满底托上部倒锥形凹坑外，上部堆起锥形高度控制在20mm～50mm。
19.优选地，第一预设加料速度为第三预设加料速度的1/5～1/3，第二预设加料速度为第三预设加料速度的1/3～2/3，加料装置以第二预设加料速度向坩埚内加入工业硅料时，其加料量m通过下式进行计算：
[0020][0021]
式中：m单位g，ρ
l
为液相硅的密度，单位g/cm3，r为坩埚内径，单位cm，h为熔池顶部至石墨底托顶端的距离，单位cm，v为石墨底托上部倒锥形凹坑体积，单位cm3，m1为石墨底托上方预置工业硅底料量，单位g，m2为以第一预设加料速度加料时所加工业硅量，单位g。
[0022]
优选地，所述第一下拉速度为第二下拉速度的1/5～1/3，第二下拉速度为1mm/min～5mm/min，第三预设加料速度vf通过下式计算：
[0023]
vf＝ρssv
p
[0024]
式中：vf单位为g/min，ρs为固相硅的密度，单位g/cm3，s为坩埚内腔横截面积，单位cm2，v
p
为石墨底托第二下拉速度，单位cm/min。
[0025]
优选地，所述熔池顶端距离感应线圈顶端预设高度为20mm～30mm。
[0026]
本发明提出的电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置，解决了工业硅料室温电导率低，不能直接进行感应加热熔化及电磁半连续定向凝固提纯过程中熔池不稳定，容易出现熔池熄灭导致连续熔铸过程中断的问题，实现电磁半连续定向凝固提纯工业硅的稳定生产。通过采用顶部倒锥形凹坑石墨底托及将石墨底托顶部预置于感应线圈中部，可加速对工业硅的预热启熔；同时采用预置工业硅底料预热启熔
→
石墨底托下移补料扩大熔池
→
石
墨底托不动继续补料进一步扩大熔池三步走的策略，可加速获得电磁半连续定向凝固提纯工业硅所需稳定熔池，提高整体提纯效率。另外，本电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置具有结构简单以及可操作性强的优点。
附图说明
[0027]
图1为本发明电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置优选实施例的结构示意图；
[0028]
图2为本发明电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置在加料时三个阶段的结构示意图；
[0029]
图3为本发明电磁半连续定向凝固提纯工业硅的方法的流程示意图。
[0030]
图中，1-感应线圈；2-无底式冷坩埚；3-石墨底托；4-下拉装置；5-预置颗粒状工业硅底料；6-聚料漏斗；7-加料装置；8-工业硅熔体；9-颗粒状工业硅原料。
[0031]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0032]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]
本发明提出一种电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置。
[0035]
参照图1，本优选实施例中，一种电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置包括加料装置7、下拉装置4、高频感应加热连续熔铸装置、石墨底托3、聚料漏斗6，其中，
[0036]
高频感应加热连续熔铸装置包括无底式冷坩埚2以及套于无底式冷坩埚2外部的感应线圈1，石墨底托3位于无底式冷坩埚2内部且与下拉装置4相连，下拉装置4带动石墨底托3在无底式冷坩埚2内部上下移动，聚料漏斗6位于加料装置7和无底式冷坩埚2之间，聚料漏斗6用于收集加料装置7所加颗粒状工业硅料，并聚集加入无底式冷坩埚2内腔中部。
[0037]
聚料漏斗6用于收集加料装置7所加颗粒状工业硅料，并将其聚集加入冷坩埚中熔体中部，避免部分加入工业硅料直接接触冷坩埚壁，这无疑有利于坩埚内硅熔体对所加入工业硅冷料的预热，提高熔池稳定性。下拉装置7用于石墨底托3的连续下拉，进而带动底托上硅熔体离开加热区实现连续定向凝固。
[0038]
高频感应加热连续熔铸装置可实现对加入坩埚内工业硅料的连续感应加热熔炼与凝固。
[0039]
本实施例中，石墨底托3底部通过燕尾槽与下拉装置4相连，石墨底托3顶部设有倒锥形凹坑以用于容纳工业硅料。
[0040]
具体地，聚料漏斗6下部位于坩埚横截面中部，其截面面积为无底式冷坩埚2内腔横截面积的1/3～1/2。
[0041]
进一步地，加料装置7的加料速度与下拉装置4的下拉速度均连续可调，根据无底式冷坩埚2内工业硅不同的状态，需要调整加料装置7和下拉装置4的速度。
[0042]
参照图2，本电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置在使用时，其具体过程如下。
[0043]
1、将加料装置7、下拉装置4、高频感应加热连续熔铸装置、石墨底托3、聚料漏斗6等按相应装配关系装配好，坩埚内石墨底托3顶部应与感应线圈1中部持平，且上面预置一定工业硅底料；
[0044]
2、给感应线圈1施加高频电流并缓慢增加至所需功率，待坩埚内石墨底托3上预置工业硅底料完全熔化(对应图2中左图)后继续增加功率5kw～10kw并保温2min～5min，以确保后续连续定向凝固提纯过程中熔池所需过热度；
[0045]
3、开启加料装置7向坩埚内熔池中以第一预设加料速度加料，以扩大熔池，同时开启下拉装置4使石墨底托3以第一下拉速度下移，直至石墨底托3顶端与感应线圈1最下面一匝顶端持平时停止下拉与加料(对应图2中中间图)；
[0046]
4、保温3min～5min后保持石墨底托3不动，同时开启加料装置7以第二预设加料速度继续向坩埚中加入工业硅料，以进一步扩大熔池，直至坩埚内熔池顶端上升至距离线圈顶端20mm～30mm时停止加料(对应图2中右图)；
[0047]
5、保温5min～10min后保持加热功率不变，开启下拉装置4按第二下拉速度(即预设稳定凝固速度)连续下拉石墨底托3，同时开启加料装置7以相应匹配速率(即第三预设加料速度)连续向坩埚内加入工业硅料，直至铸锭生长至所需长度。
[0048]
本发明提出的电磁半连续定向凝固提纯工业硅装置，解决了工业硅料室温电导率低，不能直接进行感应加热熔化及电磁半连续定向凝固过程中熔池不稳定，容易出现熔池熄灭导致连续熔铸过程中断的问题，实现电磁半连续定向凝固提纯工业硅的稳定生产。通过采用顶部倒锥形凹坑石墨底托3及将石墨底托3顶部预置于感应线圈1的中部，可加速对工业硅的预热启熔；同时采用预置工业硅底料预热启熔
→
石墨底托下移补料扩大熔池
→
石墨底托不动继续补料进一步扩大熔池三步走的策略，可加速获得电磁半连续定向凝固提纯工业硅所需稳定熔池，提高整体提纯效率。另外，本电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置具有结构简单以及可操作性强的优点。
[0049]
本发明进一步提出一种基于电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置的方法。
[0050]
参照图3，本优选实施例中，一种基于上述电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置的方法，包括以下步骤：
[0051]
步骤s10，将电磁半连续定向凝固提纯工业硅的装置组装完成后，使石墨底托3顶端面位于感应线圈1高度方向的中部区域，并在石墨底托3上方预置工业硅底料；
[0052]
步骤s20，通过对感应线圈1施加高频电流并逐渐增加至预设加热功率，当石墨底托3上预置工业硅底料完全熔化(对应图2中左图状态)后继续增加功率5kw～10kw并保温第一预设时间，以确保后续连续定向凝固提纯过程中熔池所需过热度，本步骤即为预置工业硅底料的预热启熔；
[0053]
步骤s30，开启加料装置7向坩埚(即为无底式冷坩埚2)内熔池中以第一预设加料速度加料以扩大熔池，同时开启下拉装置4使石墨底托3以第一下拉速度下移，直至石墨底托3顶端(顶端指的是顶端面的最高处)与感应线圈1最下面一匝顶端持平时停止下拉与加料(对应图2中中间图状态)，本步骤即为石墨底托下移补料扩大熔池；
[0054]
步骤s40，保温第二预设时间后保持石墨底托3不动，同时开启加料装置7以第二预设加料速度向坩埚内加入工业硅料以进一步扩大熔池，直至坩埚内熔池顶端上升至距离线
圈顶端达到预设高度时停止加料(对应图2中右图状态)，本步骤即为石墨底托不动继续补料进一步扩大熔池，最终获得所需稳定熔池；
[0055]
步骤s50，保温第三预设时间后保持加热功率不变，开启下拉装置4以第二下拉速度下拉石墨底托3，同时开启加料装置7以第三预设加料速度向坩埚内加入工业硅料，直至铸锭生长至所需长度，本步骤即为稳定电磁半连续定向凝固提纯工业硅。
[0056]
具体地，第一预设时间2min～5min，第二预设时间为3min～5min，第三预设时间为5min～10min。
[0057]
步骤s10中，在石墨底托3上方预置工业硅底料时，除填满底托上部倒锥形凹坑外，上部堆起锥形高度控制在20mm～50mm(即图1中h1)。
[0058]
步骤s30中，第一预设加料速度为s50中第三预设加料速度的1/5～1/3。
[0059]
步骤s40中，第二预设加料速度为s50中第三预设加料速度的1/3～2/3，加料装置7以第二预设加料速度向坩埚内加入工业硅料时，其加料量m通过下式进行计算：
[0060][0061]
式中：m单位g，ρ
l
为液相硅的密度，单位g/cm3，r为坩埚内径，单位cm，h为熔池顶部至石墨底托3顶端的距离，单位cm，v为石墨底托3上部倒锥形凹坑体积，单位cm3，m1为石墨底托3上方预置工业硅底料量，单位g，m2为步骤s30中以第一预设加料速度加料时所加工业硅量，单位g。
[0062]
步骤s50中，第一下拉速度为第二下拉速度的1/5～1/3，第二下拉速度为1mm/min～5mm/min，第三预设加料速度vf通过下式计算：
[0063]
vf＝ρssv
p
[0064]
式中：vf单位为g/min，ρs为固相硅的密度，单位g/cm3，s为坩埚内腔横截面积，单位cm2，v
p
为石墨底托3第二下拉速度(即预设稳定凝固速度)，单位cm/min。
[0065]
步骤s40中，熔池顶端距离感应线圈顶端的预设高度为20mm～30mm(即图2中h2)。
[0066]
本发明提出的电磁半连续定向凝固提纯工业硅的方法，具有以下有益效果：
[0067]
1、综合石墨底托3预热启熔与坩埚内熔池大小和所处感应线圈1相对位置调控，解决了电磁半连续定向凝固提纯工业硅过程熔池易失稳熄灭的问题，实现稳定生产及该低能耗提纯技术的大规模推广应用，对降低太阳能级硅提纯制备成本、推进“碳达峰、碳中和”具有重要的经济价值与社会意义；
[0068]
2、通过采用顶部倒锥形凹坑石墨底托3及将石墨底托3顶部预置于感应线圈1中部，同时在石墨底托3上预置一定工业硅底料，可加速对工业硅的预热启熔，提高整体提纯效率；
[0069]
3、采用预置工业硅底料启熔
→
底托下移补料扩大熔池
→
底托不动继续补料进一步扩大熔池三步走的策略，同时接合聚料漏斗6的聚料作用，可加速获得电磁半连续定向凝固提纯工业硅所需稳定熔池，进而有利于整个提纯过程的稳定进行，并提高整体提纯效率；
[0070]
4、本发明提出的方法其可操作性强。
[0071]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。