利用中頻爐冶煉工業矽的方法與流程

2024-03-29 22:26:05

本發明涉及多晶矽生產技術領域，具體涉及一種利用中頻爐冶煉工業矽的方法。

背景技術：

冶金法製備太陽能級多晶矽的生產方法是我國走出矽原料依賴,發展低成本、環境友好的太陽能級多晶矽製備技術的必經之路。冶金法生產太陽能級多晶矽的生產方法曾經令國內外業界人士感到震驚，在多晶矽市場經過幾次震蕩後，使用冶金法生產多晶矽的企業幾乎不受影響，當然國內有不少企業停產觀望，由於該方法的核心技術發展的進程主要依靠上海普羅、寧夏發電集團、廈門佳科等大型企業,發展至今，這幾家大型企業由於產業多元化的資金需求，停止了太陽能級多晶矽生產經營。

冶金法關鍵技術對除硼、除磷、除碳、除氧工藝的研究，金屬雜質的去除主要依靠傳統的定向凝固方法達到目的，在上述提及的工藝除雜方面，多晶矽的前期重點工藝為除硼工藝、坩堝壽命及產品出品率作為冶金法製備太陽能級多晶矽的重點研究內容，除硼設備主要以中頻爐為主，由於矽屬於半導體材料的特性決定，在前期熔化具有一定的局限性，對此通過不斷實驗確定，石墨坩堝作為一種高效加熱材料，彌補了矽料在中頻爐內前期熔化的缺陷；然而，石墨在持續高溫狀態的抗氧化以及壽命都屬於它本身的缺陷，在使用期間也無法改善，導致存在以下問題：現有技術中採用石墨坩堝打結的爐體熔煉矽的過程中，由於使用輔助爐襯材料為鎂砂，石墨與鎂砂的熱膨脹係數不一，造成在冶煉高溫過程中出現的坩堝固定缺陷及期間坩堝受力影響，對石墨坩堝的結構造成不同程度的影響；由於石墨具有極強的還原性，在1800℃以上會與氧化鎂發生還原反應，此時爐襯會出現一定程度的熔池，隨著冶煉時間的不斷延長，熔池逐漸擴大，爐體感應線圈出現不同程度短路，造成控制系統電器原件的大量損壞使冶煉不能正常進行，在冶煉後期，坩堝出現漏矽發生的感應線圈損壞情況下，矽液與水接觸後瞬間出現大量蒸汽，坩堝底部受到蒸汽壓力，坩堝會出現上移，嚴重時坩堝直接從爐體中脫引而出，造成極大的安全隱患；石墨坩堝運行時間平均不足100小時，石墨坩堝的運行成本佔據整個運行成本一半以上，由於受中頻爐感應線圈限制，配套石墨坩堝容積小，使設備整體產能無法得到正常釋放，造成生產效率低，單位公斤能耗增高；隨著中頻爐設備產生的增加，石墨坩堝完全不能滿足設備發展的需求，制約冶金法生產多晶矽發展。使用石墨坩堝在熔煉矽的過程中，會增加矽中碳元素含量，嚴重影響後期電池片的衰減和轉換效率。

技術實現要素：

有鑑於此，有必要提供一種利用中頻爐冶煉工業矽的方法，該利用中頻爐冶煉工業矽的方法安全可靠，能夠降低生產成本且減少碳元素進入工業矽的機率。

一種利用中頻爐冶煉工業矽的方法，包括以下步驟：

築爐：將1mm～3mm的剛玉顆粒55份、α剛玉微粉40份、釺維素1份、糊精2份、鋁酸鈣水泥1份、耐火土1份混合均勻後，按照4.5～5.5kg/100kg的水進行攪拌，以獲得配置剛玉澆注料；

使用耐高溫雲母紙將塗有絕緣膠泥的感應線圈鋪設在中頻爐的爐體內的底部，完成鋪設後，澆築剛玉澆注料並使用振動棒對爐底進行打結，按照爐膛深度確定將底部打結完成後，將表面纏有瓦楞紙的模具安裝在爐膛中並進行固定，完成固定後，將剛玉澆注料澆注在爐壁與纏有瓦楞紙的模具之間的間隙中並進行打結，打結時使用振動棒將對剛玉澆注料進行振打以排出剛玉澆注料中的氣體，每次振打時間為2～8分鐘；

在室溫20～35℃下陰乾24小時，將纏有瓦楞紙的模具取出，中頻爐的爐體內的剛玉澆注料形成熔煉坩堝，按照以下烘烤工藝對熔煉坩堝進行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進行烘烤；260℃以上時使用石墨電極加熱，當溫度達到1200℃時保溫3小時後投料；

熔煉：向爐內投入預定量矽料進行熔化，熔煉坩堝內的矽料出現熔化跡象或有矽液滲透到物料上表面時，將爐內石墨電極取出；當投入的預定量矽料完全熔化後，進行渣洗熔煉，渣洗渣料為二氧化矽、碳酸鈉，將這兩種物料各按照1：1混合均勻後，且渣洗渣料的質量與預定量矽料的質量比為1：3，依次投入爐內熔化，待熔化完成30分鐘後，將矽液表面殘留的渣液使用扒渣器具扒出，重複3～5次，將矽液導入澆包後導出冷卻後獲得工業矽。

優選的，還包括以下步驟；冶煉第一爐完成後，將爐內矽液倒出一半，爐內剩餘物料作為下一爐的熱源，再此按照上述熔煉步驟進行冶煉。

優選的，還包括以下步驟；當熔煉坩堝運爐次達到8～10爐時，使用檢測器具測量爐底厚度，以確定爐底是否需要進行修復，在確定爐底需要進行修復時，將爐內矽液全部倒入澆包內，待爐溫降至20～35攝氏度時，將爐底殘留的剛玉以外的殘渣清理乾淨，使用所述剛玉澆注料對爐底修復及按照築爐步驟中的烘烤工藝進行烘烤。

上述利用中頻爐冶煉工業矽的方法中，將1mm～3mm的剛玉顆粒55份、α剛玉微粉40份、釺維素1份、糊精2份、鋁酸鈣水泥1份、耐火土1份混合均勻後，按照4.5～5.5kg/100kg的水進行攪拌，以獲得配置剛玉澆注料，使用耐高溫雲母紙將塗有絕緣膠泥的感應線圈鋪設在中頻爐的爐體內的底部後打結，按照爐膛深度確定將底部打結完成後，將表面纏有瓦楞紙的模具安裝在爐膛中並進行固定，將剛玉澆注料澆注在爐壁與纏有瓦楞紙的模具之間的間隙中並進行打結，每次振打時間為2～8分鐘，在室溫20～35℃下陰乾24小時，將纏有瓦楞紙的模具取出，中頻爐的爐體內的剛玉澆注料形成熔煉坩堝，按照以下烘烤工藝對熔煉坩堝進行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進行烘烤；260℃以上時使用石墨電極加熱，當溫度達到1200℃時保溫3小時後投料，向爐內投入原料300kg進行熔化，熔煉坩堝內的矽料出現熔化跡象或有矽液滲透到物料上表面時，將爐內石墨電極取出；當投入的300kg矽料完全熔化後，進行渣洗熔煉，渣洗渣料為二氧化矽、碳酸鈉，將這兩種物料各50kg混合均勻後，依次投入爐內熔化，待熔化完成30分鐘後，將矽液表面殘留的渣液使用扒渣器具扒出，重複3～5次，將矽液導入澆包後導出冷卻後獲得工業矽，如此降低了因不同材質耐火材料的熱膨脹係數不一造成坩堝、爐襯損壞的概率，由於剛玉澆注料屬於不導電類型材料，避免了石墨坩堝因洛倫磁力或蒸汽壓力導致的坩堝上下跳動或從爐膛內部飛出的安全隱患；因剛玉澆築料在1900℃以下的熱穩定性，不會出現澆注料熔池熔化現象，避免線圈匝間短路造成設備二次損壞；由於剛玉澆注料的品質和築爐工藝的保證，延長了使用壽命及減少了石墨坩堝在爐膛佔有的空間，增加每爐次的產量及降低了生產成本，同時降低了生產出的產品中碳元素的帶入，有效的杜絕產品在生產過程中的二次汙染。

附圖說明

圖1為烘烤工藝溫度及時間關係圖。

具體實施方式

本發明提供的利用中頻爐冶煉工業矽的方法中，利用剛玉澆築料在中頻爐的爐體內澆注成型以獲得熔煉坩堝，並通過預定的烘烤工藝使熔煉坩堝達到使用要求，且在熔煉的過程中對石墨電極及物料的投入進行控制，以完成工業矽的生產。

以下詳細描述上述利用中頻爐冶煉工業矽的方法，該利用中頻爐冶煉工業矽的方法包括以下步驟：

步驟s300，築爐：將1mm～3mm的剛玉顆粒55份、α剛玉微粉40份、釺維素1份、糊精2份、鋁酸鈣水泥1份、耐火土1份混合均勻後，按照4.5～5.5kg/100kg的水進行攪拌，以獲得配置剛玉澆注料；

使用0.32mm的耐高溫雲母紙將塗有絕緣膠泥的感應線圈鋪設在中頻爐的爐體內的底部，完成鋪設後，澆築剛玉澆注料並使用振動棒對爐底進行打結，按照爐膛深度確定將底部打結完成後，將表面纏有3mm厚瓦楞紙的模具安裝在爐膛中並進行固定，完成固定後，將剛玉澆注料澆注在爐壁與纏有瓦楞紙的模具之間的間隙中並進行打結，打結時使用振動棒將對剛玉澆注料進行振打以排出剛玉澆注料中的氣體，每次振打時間為2～8分鐘；

在室溫20～35℃下陰乾24小時，將纏有瓦楞紙的模具取出，中頻爐的爐體內的剛玉澆注料形成熔煉坩堝，按照以下烘烤工藝對熔煉坩堝進行烘烤，請同時參看圖1；260℃以下使用電阻式加熱棒進行烘烤，10小時內使溫度從20℃達到到120℃，在120℃保溫18小時，2小時使溫度從120℃達到到260℃，在260℃保溫8小時；260℃以上時使用石墨電極加熱，10小時使溫度從260℃達到到370℃，在370℃保溫3小時，18小時使溫度從370℃達到到480℃，在480℃保溫18小時，18小時使溫度從480℃達到到650℃，20小時使溫度從650℃達到到1200℃；當溫度達到1200℃時保溫3小時後投料。

步驟s302，熔煉：向爐內投入預定量矽料進行熔化，熔煉坩堝內的矽料出現熔化跡象或有矽液滲透到物料上表面時，將爐內石墨電極取出；當投入的預定量矽料完全熔化後，進行渣洗熔煉，渣洗渣料為二氧化矽、碳酸鈉，將這兩種物料各按照1：1混合均勻後，且渣洗渣料的質量與預定量矽料的質量比為1：3，依次投入爐內熔化，待熔化完成30分鐘後，將矽液表面殘留的渣液使用扒渣器具扒出，重複3～5次，可將物料中的硼元素從3ppm降至0.23ppm以下，將矽液導入澆包後導出冷卻後獲得工業矽。例如，預定量矽料為300kg，則二氧化矽、碳酸鈉各為50kg。

進一步的，還包括步驟s304；冶煉第一爐完成後，將爐內矽液倒出一半，爐內剩餘物料作為下一爐的熱源，再此按照上述熔煉步驟進行冶煉。

進一步的，還包括步驟s306；當熔煉坩堝運爐次達到8～10爐時，使用檢測器具測量爐底厚度，以確定爐底是否需要進行修復，在確定爐底需要進行修復時，將爐內矽液全部倒入澆包內，待爐溫降至20～35攝氏度時，將爐底殘留的剛玉以外的殘渣清理乾淨，使用所述剛玉澆注料對爐底修復及按照築爐步驟中的烘烤工藝進行烘烤。

上述利用中頻爐冶煉工業矽的方法中，將1mm～3mm的剛玉顆粒55份、α剛玉微粉40份、釺維素1份、糊精2份、鋁酸鈣水泥1份、耐火土1份混合均勻後，按照4.5～5.5kg/100kg的水進行攪拌，以獲得配置剛玉澆注料，使用0.32mm的耐高溫雲母紙將塗有絕緣膠泥的感應線圈鋪設在中頻爐的爐體內的底部後打結，按照爐膛深度確定將底部打結完成後，將表面纏有3mm厚瓦楞紙的模具安裝在爐膛中並進行固定，將剛玉澆注料澆注在爐壁與纏有瓦楞紙的模具之間的間隙中並進行打結，每次振打時間為2～8分鐘，在室溫20～35℃下陰乾24小時，將纏有瓦楞紙的模具取出，中頻爐的爐體內的剛玉澆注料形成熔煉坩堝，按照以下烘烤工藝對熔煉坩堝進行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進行烘烤；260℃以上時使用石墨電極加熱，當溫度達到1200℃時保溫3小時後投料，向爐內投入原料300kg進行熔化，熔煉坩堝內的矽料出現熔化跡象或有矽液滲透到物料上表面時，將爐內石墨電極取出；當投入的300kg矽料完全熔化後，進行渣洗熔煉，渣洗渣料為二氧化矽、碳酸鈉，將這兩種物料各50kg混合均勻後，依次投入爐內熔化，待熔化完成30分鐘後，將矽液表面殘留的渣液使用扒渣器具扒出，重複3～5次，將矽液導入澆包後導出冷卻後獲得工業矽，如此降低了因不同材質耐火材料的熱膨脹係數不一造成坩堝、爐襯損壞的概率，由於剛玉澆注料屬於不導電類型材料，避免了石墨坩堝因洛倫磁力或蒸汽壓力導致的坩堝上下跳動或從爐膛內部飛出的安全隱患；因剛玉澆築料在1900℃以下的熱穩定性，不會出現澆注料熔池熔化現象，避免線圈匝間短路造成設備二次損壞；由於剛玉澆注料的品質和築爐工藝的保證，延長了使用壽命及減少了石墨坩堝在爐膛佔有的空間，增加每爐次的產量及降低了生產成本，同時降低了生產出的產品中碳元素的帶入，有效的杜絕產品在生產過程中的二次汙染。