一種工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾精煉提純方法
2023-06-10 23:22:16
一種工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾精煉提純方法
【專利摘要】本發明涉及一種工業矽精煉提純技術。一種工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾精煉提純方法，在真空電磁感應懸浮蒸餾爐內，將工業矽料在蒸發器中被電磁感應線圈感應加熱蒸餾，經過一段時間蒸餾完成精煉提純，得到精煉提純後的矽液，其特殊之處是：電磁感應線圈是電磁感應懸浮線圈；蒸餾中之工業矽料呈電磁感應懸浮狀態；精煉提純後的矽液落入坩堝或於電磁感應懸浮中降溫凝固後落入坩堝成為產品：工業矽料可是熔融液態的或固態的，其純度為Si含量大於99.4％：電磁感應懸浮線圈的組成結構可與現有的工業矽真空電磁感應懸浮熔煉爐之相同；蒸餾溫度和真空度可是1400℃-2000℃和10-1-10Pa：工業矽料是固態時，可先在爐外預熱到600℃以上。可獲得高純工業矽。
【專利說明】一種工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾精煉提純方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種工業矽精煉提純技術。
【背景技術】
[0002]太陽能光伏產業及半導體工業需要純度達5N-11N的多晶矽[1]。矽光伏電池合格襯底中，除C、0、三種雜質外，B、P、Fe、Ca、T1、Al、C、Na等雜質含量應低於1.0X 1θΛ其他雜質濃度應低於1.0Χ10_9，這種純度多晶矽稱為太陽能級矽；對太陽能級矽的純度要求:一是雜質總含量，應越少越好，一般不應高於10ppm ;二是從單一雜質看，T1、V、B、P等影響最大，含量都必須低於IPpm[2]。工業矽的純度約為95% -99%，用做太陽能光伏電池，含雜質過多，主要為非金屬雜質C、B、P和金屬雜質Fe、Al、Ca等。現有的精煉工藝，如Elkem工藝、ARTIST工藝、Carbothermicmeth工藝、HEM?工藝、Kawasaki Steel工藝、改良西門子法一閉環式3化(:13氫還原法、新矽烷法一烷熱分解法、流化床法、冶金法、蒸汽-液體沉積法、熱交換爐法、無氯技術、碳熱還原法、鋁熱還原法、常壓下碘化學氣相傳輸淨化法、鋅還原法等，工藝過程複雜，提純效果不穩定，成本高，能耗高，汙染嚴重。現有的真空自耗電弧精煉可使原料中的氣體及某些易揮發雜質元素揮發去除，但是，難以去除難揮發雜質元素Fe、A1等M;現有的電渣重熔精煉工藝可通過渣-金反應、元素交換而使工業矽中的某些雜質元素進入渣中而被分離，但是，提純效果有限[2』3]。現有的工業矽真空蒸餾精鍊金屬可使工業矽中的Ca元素含量顯著降低[5]，可真空蒸餾工業矽除磷，但是，對別的難揮發雜質元素沒有顯出明顯效果Μ;太陽能級矽的電磁懸浮熔煉早已有研宄及應用，其要求預先將矽原料加熱到600°C以上，以使矽原料的電導率顯著增大而可電磁感應懸浮[2]。
[0003]依據在一定溫度下各元素的蒸氣壓差異和元素的揮發及冷凝轉變速度與溫度、真空度關係，採用真空蒸餾可將粗金屬、合金或化合物中元素進行蒸餾或還原蒸餾分離、提純。但是，產物可能受到坩禍材料汙染。利用電磁感應懸浮熔煉可使金屬被感應加熱並處於懸浮狀態進行熔煉，避免了熔融金屬被坩禍材料接觸汙染，有利於物料吸附之氣體的放出，提高冶金質量及效率。但是，產品的純淨度有限。真空蒸餾精煉可獲得很高純淨度的金屬。目前，國內外所具有的有色金屬真空蒸餾和還原蒸餾方法及設備有:利用電阻加熱或電磁感應加熱等的各種蒸餾爐或還原爐；被蒸餾物料為液體或固體，物料均是非懸浮狀態的；沒有被蒸餾物料在蒸餾過程中處於電磁懸浮狀態的[7]。在冶煉過程中物料處於懸浮狀態的有:冷坩禍真空感應熔煉[3];真空電磁懸浮熔煉技術[8_1(1]。
[0004]本發明人曾於2009年發明了一種有色金屬真空電磁懸浮蒸餾精煉方法及設備[11』12]，包括:一種有色金屬真空電磁懸浮蒸餾精煉方法，利用電磁感應懸浮線圈產生的磁懸浮力及攪拌作用，對一定真空度和溫度的真空蒸餾爐中的有色金屬物料，進行感應加熱並使其在處於電磁懸浮狀態及電磁攪拌運動中，進行元素蒸餾過程，元素或化合物蒸發的氣體再於冷凝器中進行冷凝，達到對有色金屬物料進行精煉目的，其特殊之處是:利用電磁感應懸浮線圈產生的電磁懸浮力及攪拌作用，對有色金屬物料進行處於電磁懸浮狀態的加熱及攪拌作用並使其進行元素蒸餾過程；發明了一種有色金屬真空電磁懸浮蒸餾精煉設備:其基本組成、結構與現有的有色金屬真空感應蒸餾裝置相同，由真空爐體，抽真空裝置，可控高頻電源，電磁感應線圈，穩定線圈，坩禍，冷凝器，真空計，測溫儀表，真空進料裝置，真空出料裝置組成，其特徵是:所述之電磁感應線圈是電磁感應懸浮線圈；電磁感應懸浮線圈的表面包覆對電絕緣但可導磁的覆層。根據上述技術解決方案，所述之電磁感應懸浮線圈可位於真空爐體的外部或內部並位於所述之冷凝器的下方；所述之冷凝器可位於所述之真空爐體的上部；所述之真空進料裝置的下料管口之軸線可與所述之電磁感應懸浮線圈的軸線重合；所述之電磁感應懸浮線圈可由多匝串聯的圓柱形或倒圓錐形的懸浮線圈和位於其上方、電流方向與其相反、與其串聯的穩定線圈組成；所述之坩禍位於所述之電磁感應懸浮線圈的內部時，可採用導磁材料製造；所述之坩禍位於所述之電磁感應懸浮線圈的內部時，可採用冷坩禍(注:此項發明曾於2009年12月30日申請了中國發明專利，申請號:200910266709.5，並於2010年11月24日通過了實質審查國家知識產權局發文號2010111900533410，但是最終因為沒有收到初審及流程部已郵寄發出的「第1次實質審查意見通知書」而被「視撤」，未獲得專利)。沒有過工業矽真空電磁懸浮精煉提純技術方面報導[1_15]。
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【發明內容】
[0021]本發明目的:
[0022]本發明提供一種工業矽精煉提純技術，根據現有的有色金屬真空電磁懸浮蒸餾精煉方法和有色金屬真空電磁懸浮蒸餾精煉設備技術方案[11』12]，將現有的工業矽真空蒸餾精煉提純技術和工業矽真空電磁熔煉精煉提純技術結合起來的工業矽真空電磁懸浮精煉技術，以獲得純度高於工業矽真空蒸餾和工業矽真空電磁懸浮熔煉產品的高純工業矽，特別是含P、B、Ca、Ti很低的矽。
[0023]本發明技術解決方案:
[0024]一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，包括:在真空電磁感應懸浮蒸餾爐內，於一定溫度及真空度下，將一定純度的工業矽料，由真空進料裝置加入爐內，在蒸發器中被電磁感應線圈感應加熱蒸餾，蒸餾中之工業矽料中的某些雜質元素呈氣體揮發，揮發的氣體飛到冷凝器進行冷凝或被抽出爐外，經過一段時間蒸餾完成精煉提純，得到精煉提純後的矽液，產品從坩禍中收集，其特殊之處是:所述之電磁感應線圈是電磁感應懸浮線圈；所述之蒸餾中之工業矽料呈電磁感應懸浮狀態；所述之精煉提純後的矽液落入坩禍或於電磁感應懸浮中降溫凝固後落入坩禍成為所述之產品。
[0025]根據上述技術解決方案，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特殊之處是:所述之工業矽料可是熔融液態的或固態的，其純度為Si含量大於99.4%。
[0026]根據上述技術解決方案，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特殊之處是:所述之電磁感應懸浮線圈的組成結構可與現有的工業矽真空電磁感應懸浮熔煉爐之相同。
[0027]根據上述技術解決方案，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特殊之處是:所述之溫度和真空度可是1400°C -2000°C和K^-lOPa。
[0028]根據上述技術解決方案，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特殊之處是:所述之真空進料裝置可是現有真空蒸餾爐之現有類型的真空液體進料裝置或真空固體進料裝置。
[0029]根據上述技術解決方案，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特殊之處是:所述之工業矽料是固態時，可先在爐外預熱到高於600°C以上。
[0030]本發明的有益之處:
[0031]本發明利用現有的一種有色金屬真空電磁懸浮蒸餾精煉方法及設備[11』12]，將工業矽真空蒸餾技術和工業矽真空電磁熔煉技術結合起來的工業矽真空電磁懸浮精煉技術，可獲得純度高於現有的工業矽真空蒸餾技術和工業矽真空電磁懸浮熔煉技術可達到的工業矽提純程度。因為現有的工業矽真空蒸餾提純技術雖然可使工業矽中的氣體和易揮發元素較大程度上揮發除去，但是，原料與坩禍內壁接觸，受其組成物中的雜質元素汙染，這就會影響到蒸餾後坩禍中留下的產品矽的純度；現有的工業矽真空電磁懸浮熔煉技術，雖然可使原料於懸浮熔煉過程中不與坩禍接觸而不受其汙染，但是，因為原料加熱溫度及真空度低於真空蒸餾溫度及真空度，並且真空電磁懸浮熔煉爐沒有收集揮發的金屬及非金屬雜質元素的冷凝器裝置，不能進行真空蒸餾精煉過程，所以熔煉後產品矽中的金屬及非金屬雜質元素難以揮發除去，其純度也不很高。本發明的工業矽真空電磁懸浮精煉技術，利用了工業矽真空蒸餾技術和工業矽真空電磁熔煉技術的有點、避免了其缺點，所以可對工業矽精煉提純獲得更高純度的產品，特別是含P、B、Ca、Ti很低的矽。
[0032]本發明技術解決方案中要求工業矽料的純度為Si含量高於99.2%，有利於利用本發明技術精煉提純後獲得較高的產品純度；熔融液態的工業矽料有利於電磁感應懸浮及縮短蒸餾精煉提純作業時間；工業矽料也可是預熱到600°C以上固態的，可簡化工業矽料預處理作業，並使低溫下導電率低而難以電磁感應懸浮的固態工業矽料，達到電導顯著增大而易於電磁感應懸浮的電磁特性狀態。選用1400°C -2000°C和K^-lOPa參數之間的工藝條件下進行工業矽料真空電磁感應懸浮蒸餾精煉，可使工業矽料中的可蒸餾揮發雜質元素達到較高的揮發蒸餾速率，提高生產效率及揮發除去程度；此真空度條件也可防止工業矽料中可揮發雜質元素的揮發速率並降低蒸餾所需要的加熱溫度。
【具體實施方式】
[0033]根據本上述發明技術解決方案，採用根據現有技術設計製作的工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾爐(採用現有的工業矽真空蒸餾爐，將其坩禍感應加熱線圈更換為現有技術的工業矽真空電磁感應懸浮熔煉爐的電磁感應懸浮線圈即可)，將預先處理的熔融液態工業矽或預先加熱至600°C以上的固態矽塊，預先裝入「水冷坩禍」中或在供電、抽真空後通過真空液體進料裝置或真空固體進料裝置加入爐內電磁感應懸浮線圈內的中軸線附近，繼續抽真空達預定真空度(lO—LlOPa之間某值)並保持，提高電磁感應懸浮線圈供電功率使工業矽料電磁感應懸浮並升溫達到預定溫度(1400?-2000?之間某值)，然後，保持工業矽料的電磁感應懸浮狀態、保溫、保持真空度進行蒸餾過程，蒸餾時間根據預定達到的產品純度試驗決定(約幾十min)，蒸餾過程完成後逐步降低電磁感應懸浮線圈的供電電流及功率，使蒸餾產物直接落入或逐漸冷卻並落入電磁感應懸浮線圈下方的接料坩禍內，降低真空度，產品出爐。
[0034]實施例一:根據上述之本發明技術解決方案及上述技術解決方式，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，將現有的工業矽真空蒸餾爐之蒸發器的電磁感應加熱線圈換為現有的工業矽真空電磁感應懸浮熔煉爐之電磁感應懸浮線圈而組成工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾爐，在工業矽真空電磁感應懸浮蒸餾爐內，由真空液體進料裝置加入爐內，於1400。。和10?左右或1500。。和10?左右或1600。。和IPa左右或2000。。和lOPa左右條件下，將純度為Si含量大於99.2%的(如含P2.0X10_5% )預處理熔融工業矽料熔液，在蒸發器中由電磁感應懸浮線圈懸浮加熱蒸餾，使其中的某些雜質元素如P、B、Ca、Ti等呈氣體揮發，揮發的氣體飛到冷凝器進行冷凝或被抽出爐外，經過一段時間(如min左右)蒸餾完成精煉提純，使精煉提純後的矽液落入坩禍或於電磁感應懸浮中降溫凝固後落入坩禍收得。
[0035]實施例二:根據上述之本發明技術解決方案，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其技術解決方案及實施方式與上述實施例一基本相同，所不同的是:所述之工業矽料純度略有差異並為預先加熱至600°C元素的固態塊體；真空進料裝置為現有的真空固體進料裝置。
【權利要求】
1.一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，包括:在真空電磁感應懸浮蒸餾爐內，於一定溫度及真空度下，將一定純度的工業矽料，由真空進料裝置加入爐內，在蒸發器中被電磁感應線圈感應加熱蒸餾，蒸餾中之工業矽料中的某些雜質元素呈氣體揮發，揮發的氣體飛到冷凝器進行冷凝或被抽出爐外，經過一段時間蒸餾完成精煉提純，得到精煉提純後的矽液，產品從坩禍中收集，其特徵是:所述之電磁感應線圈是電磁感應懸浮線圈；所述之蒸餾中之工業矽料呈電磁感應懸浮狀態；所述之精煉提純後的矽液落入坩禍或於電磁感應懸浮中降溫凝固後落入坩禍成為所述之產品。
2.根據權利要求1，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特徵是:所述之工業矽料可是熔融液態的或固態的，其純度為31含量大於99.4%。
3.根據權利要求1，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特徵是:所述之電磁感應懸浮線圈的組成結構可與現有的工業矽真空電磁感應懸浮熔煉爐之相同。
4.根據權利要求1，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特徵是:所述之溫度和真空度可是14001: -20001:和10—110？3。
5.根據權利要求1，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特徵是:所述之真空進料裝置可是現有真空蒸餾爐之現有類型的真空液體進料裝置或真空固體進料裝置。
6.根據權利要求1或2，一種工業矽真空電磁懸浮蒸餾精煉提純方法，其特徵是:所述之工業矽料是固態時，可先在爐外預熱到高於6001:以上。
【文檔編號】C01B33/037GK104495852SQ201410664974
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】陳明彪 申請人:陳菊英