一種分離矽和剩渣的方法
2023-09-10 19:44:50 1
專利名稱：一種分離矽和剩渣的方法
技術領域：
本發明涉及一種矽材料提純的方法，主要是一種分離矽和剩渣的方法，特別是一 種在使用造渣法提純矽材料的熔煉過程中方便而有效地分離矽和剩渣的方法。
背景技術：
用造渣法提純矽材料是物理法提純矽材料的多種方法中，最簡單易行的方法之 一。從原理上來說造渣法的性價比是最高的。因為根據此方法，只需把適當的渣劑和矽材料 混合在一塊，加熱、熔化，保持一段時間然後將矽取出；或者先把矽材料和渣劑分別加熱、熔 化，再將兩種液體混合、攪拌，保持一段時間後將矽取出就可以了。不像其他的物理法提純 需要更複雜的工藝，比如用注入水蒸汽的等離子火焰處理矽液，同時還需用中頻感應爐攪 拌矽液；另外一個方法是用高溫爐把矽熔化，然後往矽液裡注入氫氣、二氧化碳、水蒸汽、二 氧化矽粉末等，同時不停的攪拌，並保持幾個小時。這些方法比起造渣法都是更加複雜的。然而造渣法有一個嚴重的問題，S卩如何把反應完的矽和剩渣分離開來。矽和剩渣 的有效的、經濟的分離方法將確保造渣法可以用於大批量工業化生產並提高此提純工藝的 性價比。現有技術的分離矽和剩渣的方法有幾種
(1)設計渣的密度，使熔化反應後的液體渣和液體矽分層，然後把矽液通過開通容器中 置於一定高度的排液口排出PCT WO 03/031332 Al。此方法的缺點是需要設計很複雜的 高純石墨容器，成本高且容器易損耗，至今並未投入工業化生產。(2)在矽和渣都處於液態時，把矽液舀出US 6861040 Bi。此方法的缺點是，部 分渣液會隨矽被取出。即使是很少的剩渣，留在矽料中，由於粘接得很結實，後清洗矽的工 藝會十分複雜。同時一部分矽會留在渣液裡，降低矽的生產效率。此方法雖已經在工業中 大量使用，然而其有效性和經濟性都不理想。
本發明提出一種全新的方法，提出利用矽和剩渣的膨脹係數和導熱係數的不同，通過 液淬的方式來分離矽和剩渣。液粹是指將高溫液體的物質快速傾倒在一種溫度遠低於這種 高溫液體的另一種液體中以快速交換熱量，並將高溫液體的物質凝固。這種低溫液體可以 是水，也可以是酸溶液，或鹼溶液，或水基冷卻液，或油基冷卻液；水淬是液淬的一種。採用 的冷卻液必須不含超過允許範圍的可溶入矽料中的各項雜質，特別是冷卻液中的硼含量不 超過50ppb，磷含量不超過50ppb，其他金屬總含量不超過lOppm。當液體的矽和剩渣混合熔 體緩緩地以細流方式倒入冷卻液裡時，由於矽的導熱性良好，矽的表層馬上凝固成球殼狀， 形成球狀體，矽的內部較慢凝固；同時由於液體矽的密度較固體矽大，因此當矽球從外部往 內部凝固時，有時內部的液體會被擠出來，形成葡萄串的形狀，然而良好的導熱性會保證經 過快速冷卻後的矽不碎裂。當渣液被倒入冷卻液裡快速冷卻時，剩渣的表面開始凝固，但由 於剩渣的導熱性差，加上液體渣的密度較固體渣小，急速驟冷使剩渣因導熱性差和熱脹冷 縮而碎裂形成細粒的固體，而這些固體的膨脹係數不同於矽的膨脹係數，所以凝固後的剩渣同凝固後的矽不能親和，剩渣會自然地從同矽的接觸部位剝落開來。另一方面，渣液裡面 含有低沸點的物質，包括氣體，比如C02、水蒸汽或SiO等。在液態剩渣驟然凝固的時刻處 於氣體形態的這些物質或氣體會被束縛在凝固後的剩渣中，形成了凝固後的剩渣的疏鬆結 構。正因為以上的機理，本發明可以很巧妙地使矽液和剩渣液在驟然冷卻凝固後自然分離。 為了便於把矽取出，可以設計驟冷工藝，將矽和渣液緩慢倒入冷卻液，使矽凝固成3 10毫 米大小的顆粒的球狀體，剩渣凝固成結構疏鬆的細顆粒。凝固後的矽、渣混合物是很容易分 開的。由於剩渣的細顆粒是疏鬆的，可以利用比較輕柔的機械的方式，比如物料自相搓動， 或者 相互揉動使渣破碎成更小的細粒，比矽顆粒小得多的細粒，然後通過篩分把矽球取出。 此方案簡單經濟，適合大規模生產。
發明內容
本發明公開一種分離矽和剩渣的方法，其中包括用太陽爐，新型太陽爐，雷射，聚 光LED，中頻爐，高頻爐或者等離子體火焰爐或者其他高溫熔煉爐將矽和渣熔化，對存在於 矽中的雜質進行萃取提純；其特徵是，在液態的情況下，將所述的矽和渣熔體倒入冷卻液 裡，進行液淬，使所述的熔體驟然冷卻和凝固，利用矽和渣的膨脹係數和導熱係數的不同， 使矽凝固成尺寸為幾毫米的球狀體或者葡萄形狀的矽球，剩渣碎裂成比矽球小得多的細粒 並同矽分離。所述的球狀體或者葡萄形狀的矽料同剩渣的混合體可以用篩分方法相互分 開。根據所述的對矽和渣熔體進行液淬，其特徵是，將矽和剩渣熔體，緩慢地以單股細流或 多股細流的方式傾倒入冷卻液裡；所述的冷卻液包括水，酸，矽油，水基冷卻液或者油基冷 卻液。為了使倒入液體中的矽和剩渣加速冷卻，不聚成團，以及在冷卻液底部均勻分布，所 述的冷卻液還有一特徵即冷卻液內是可以通氣體的；所述的氣體包括氬氣，氮氣，氦氣或者 空氣。氣體的出氣口處於適當的位置上，可以方便地將倒入冷卻液中的矽與渣吹開，吹散。 冷卻液的另一特徵是其溫度是在廣70° C的範圍內，特別是在1(T50° C的範圍內。冷卻 液還有一個特徵，即冷卻液的密度小於2. 329g/cm3。
具體實施方案1
為了更具體的描述本方法，以下給出一個具體實施方案。圖1中的石墨坩堝1，其內徑 為200mm，壁厚20mm，口堝深360mm，裝入4kg工業矽，2kg Si02和2kg CaO的混合粉體。用 具有緊密隔熱層2、有電動傾倒裝置3的中頻爐4加熱直到矽和渣徹底熔化，保持20分鐘。 Si02和CaO是渣劑的一種，其使用量，成分和比例，可以按使用者的需求而改變，只要矽和 渣能徹底熔化，不會影響本發明的使用，不同本發明的使用範圍有關。矽渣熔化後，緩慢地把石墨坩堝內的液態矽和渣5倒出，流入冷卻水槽6內的冷 卻水7裡。所用的冷卻水是純水，水的起始溫度為20C。冷卻水槽6的尺寸為長0. 8m,寬 0. 8m,高1. Om ；水深為0. 9m。在坩堝傾倒的同時，用純氬氣8通過氣管9注入冷卻水7裡， 以形成許多氣泡10，用於將流入冷卻水的矽和渣加速冷卻，避免聚成團並均勻的散開在冷 卻水槽6的底部。把石墨坩堝內的全部液體倒進冷卻水裡後，把水裡的已凝固降溫的矽和 渣混合物取出，不必烘乾，倒在5目的篩子上，用尼龍方塊搓動篩網上的矽和渣，直到渣碎 裂成更小的顆粒，用篩子篩掉，為了不產生任何飛塵，過篩的過程可以加入水洗，最後篩網上只剩下矽顆粒，矽和渣徹底的分開了。
具體實施方案2
具體實施方案2的示意圖如圖2所示。將500g工業矽粉，250g SiO2粉和250g CaO粉 的混合粉體用200T高壓油壓機和模具壓製成圓柱體的矽棒11，用進料器12懸掛，將矽棒 11的一端放置於太陽爐13的高溫區。Si02和CaO是渣劑的一種，其使用量，成分和比例， 可以按使用者的需求而改變，只要矽和渣能徹底熔化，不會影響本發明的使用，不同本發明 的使用範圍有關。太陽爐13的二次聚光鏡14把太陽光15集聚10000倍，照射在矽棒11 上，矽棒11迅速熔化，矽和渣的熔體因重力自由落體往下滴，液滴狀的矽和渣液16落入冷 卻液17裡。所用的冷卻液是5%的鹽酸溶液，酸液的起始溫度為20° C，酸液盛於塑料水槽 18內。塑料水槽18的尺寸為直徑0. 6m,高0. 8m ；水深為0. 7m。太陽爐熔煉完後，把水裡 的矽和渣取出，不必烘乾，倒在5目的篩子上，用尼龍方塊搓動篩網上的矽和渣，直到渣碎 裂成更小的顆粒，用篩子篩掉，為了不產生任何飛塵，過篩的過程可以加入水洗，最後篩網 上只剩下矽顆粒，矽和渣徹底的分開了。
圖1是用本發明來分離中頻爐熔煉的矽和剩渣的方法的示意圖；圖中石墨坩堝1隔 熱層2電動傾倒裝置3中頻爐4矽和渣液5冷卻水槽6冷卻水7純氬氣8氣管 9 氣泡10 ；
圖2是用本發明來分離太陽爐熔煉的矽和剩渣的方法的示意圖；圖中矽棒11進料器 12太陽爐13 二次聚光鏡14太陽光15液滴狀的矽和渣液16冷卻液17塑料水槽18。
權利要求
一種分離矽和渣的方法，其中包括用太陽爐，新型太陽爐，雷射，聚光LED，中頻爐，高頻爐或者等離子體火焰爐或者其他高溫熔煉爐將矽和渣熔化，對存在於矽中的雜質進行萃取提純；其特徵是，在液態的情況下，將所述的矽和渣熔體倒入冷卻液裡，進行液淬，使所述的熔體驟然冷卻和凝固，利用矽和渣的膨脹係數和導熱係數的不同，使矽凝固成球狀體或者葡萄形狀的矽球，剩渣碎裂成比矽球小得多的細粒並同矽分離。
2.根據權利要求1所述的對矽和渣熔體進行液淬，其特徵是，將矽和渣熔體緩慢的傾 倒入冷卻液中，可用單股細流或多股細流的方式傾倒入冷卻液中，也可以滴入的方式滴進 冷卻液中；所述的冷卻液包括水，酸，矽油，水基冷卻液、油基冷卻液。
3.根據權利要求2所述的冷卻液，其特徵是所述的冷卻液內可以通氣體的；所述的氣 體包括氬氣，氮氣，氦氣或者空氣。
4.根據權利要求2所述的冷卻液，其特徵是冷卻液的溫度是在廣70°C的範圍內，特 別是在1(T50° C的範圍內。
5.根據權利要求2所述的冷卻液，其特徵是冷卻液裡的硼含量小於50ppb，磷含量小 於50ppb，其他金屬總含量小於lOppm。
6.根據權利要求2所述的冷卻液，其特徵是冷卻液的比重小於2.329g/cm3。
7.根據權利要求1所述的球狀體或葡萄狀的矽料，此矽料同剩渣的混合體可以用篩 分方法相互分開。
全文摘要
一種在使用造渣法提純矽材料的過程中，提純反應完成後，將已經提純的矽和剩渣方便而有效分離的方法。根據此方法，在矽和渣劑之間的反應完成後，矽和剩渣仍處於液態時，將矽和剩渣的混合液體緩慢地倒入液體中，這種液體可以是水，或酸溶液，或鹼溶液，或水基冷卻液，或油基冷卻液，讓矽和剩渣發生驟冷，迅速將熱量交換到冷卻液的同時，矽和剩渣由於物理性能的不同而有效分離。當矽和剩渣驟冷，冷卻凝固後，矽形成有一定大小的，譬如直徑為3～10毫米的球狀體或葡萄狀體，剩渣形成泡沫和酥脆的細粒固體，剩渣的細粒固體不同矽球粘接，可以用簡易的物理處理方法將矽取出。比如方法之一是通過輕柔的方法把剩渣揉成更細的小粒固體，同時使矽球保持原狀，然後用溼法篩分，即可將矽球取出。
文檔編號C01B33/037GK101948112SQ201010282839
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者林晨星, 陳應天 申請人:陳應天