專利名稱：高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高純度硅的生產(chǎn)方法，尤其涉及一種采用高溫條件的方法 生產(chǎn)高純度硅的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)高純度硅的生產(chǎn)方法是采用多次精練的工藝，即利用工業(yè)硅除渣，然 后從除渣后的高純度硅中選取純度較高的部分再次除渣，依次循環(huán)，直到獲得所需要的高純度硅。CN95197920.5號專利公開了該種提純工藝，即除渣后將下 層的熔渣層和上層的熔融硅層分離，然后再對熔融硅層除渣，得到高純度硅。 但是，該工藝方法由于需要將粗煉硅進(jìn)行高溫熔融、冷卻、再熔融、再冷卻， 所以存在工藝過程復(fù)雜，能源消耗大，無法大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，它解決了現(xiàn)有高純度 硅生產(chǎn)方法工藝過程復(fù)雜，能源消耗大，無法大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特殊之處是其包括以下步驟 l]準(zhǔn)備硅溶液用正常工藝在礦熱爐中生產(chǎn)硅溶液，保證熔煉好的硅熔液 溫度不低于2000。C; 2]除渣將溫度不低于20ocrc的高溫硅熔液倒入有保溫措施的結(jié)晶器中，溫度保持在1500 1900°C，氣壓為l個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，結(jié)晶器底部中間通入空氣和或惰性氣體使熔液為翻騰狀態(tài)，保持l 2h;3]定向凝固分離將二次除渣處理后的硅熔液自然冷卻至環(huán)境溫度，則凝固分離后得到高純度硅層。上述除渣的步驟還包括高溫硅熔液倒入結(jié)晶器前的精煉爐除渣的步驟 將熔煉好的溫度高于200(TC的硅熔液倒入精煉爐中，溫度保持在1500 190(TC，氣壓為0.5 2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通入氯氣或者氧氣或者富氧空氣或者氯氣和空氣的混合氣體進(jìn)行除渣，保持0. 5 1. 5h;上述通入氯氣或者氧氣或者富氧空氣或者氯氣和空氣的混合氣體是通過中 空石墨棒從精煉爐上部進(jìn)行的。上述通入氯氣或者氧氣或者富氧空氣或者氯氣和空氣的混合氣體是通過管 道從精煉爐底部進(jìn)行的。上述精煉爐除渣步驟是在氣壓為1 1. 2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行的。上述精煉爐除渣步驟是持續(xù)通入富氧空氣lh進(jìn)行除渣。 上述惰性氣體為氬氣。上述生產(chǎn)硅溶液的方法包括以下步驟l]原料準(zhǔn)備選擇Si02含量》99y。的硅石，粉碎至一定的粒度，作為硅源； 選擇粉末狀石油焦作為還原劑；按照硅石石油焦=1.5:12.5:1的重量比進(jìn)行充 分混合，加入礦熱爐；2]還原反應(yīng)加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為1.5 2.5h; 停止加熱，搗爐；重新加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為1. 5 2. 5h。上述還原反應(yīng)的步驟為加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為 1.5 2.5 h;停止加熱，搗爐；重新加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時 間為1.5 2.5h;停止加熱，搗爐；再次加熱至爐溫為2400 2600。C,溫度保 持時間為1.5 2. 5 h。上述方法還包括還原反應(yīng)中向礦熱爐內(nèi)的硅熔液中通入適量空氣的過程； 所述硅石和石油焦的較佳重量比為硅石石油焦=1. 8:1 2. 2:1;所述硅石較佳 粒度為50 150mm;所述還原反應(yīng)中每次加熱的溫度保持時間為2h;所述礦熱 爐內(nèi)呈"品"字狀分布三個石墨電極，并分別和三相工頻電源連接；所述石墨 電極為中空結(jié)構(gòu)，所述向礦熱爐內(nèi)的硅熔液中通入適量空氣是通過所述石墨電 極通入爐內(nèi)硅熔液中。本發(fā)明方法的優(yōu)點是-1、 生產(chǎn)工藝簡單。本發(fā)明方法只需一步加熱即可從硅石得到高純度工業(yè)硅， 尤其是不需要反復(fù)除渣的情況下就可以得到4N純度的高純度硅，工藝過程比傳 統(tǒng)工藝大為簡單。2、 能量損耗小。本發(fā)明方法不需要多次反復(fù)加熱和降溫，只需將硅石和還 原劑加熱至所需高溫條件，即可進(jìn)行除渣和結(jié)晶過程，可降低能耗一倍以上。3、 雜質(zhì)含量少，高純度硅的純度高。由于還原劑只采用石油焦，沒有其他 還原劑的引入，所以同等條件的硅石可還原出純度很高的高純度硅。從理論分析和實際檢驗可知，正常情況下可保證4N純度。4、 消除了爐底上漲現(xiàn)象。本發(fā)明采用高溫高壓條件來解決全石油焦作為還原劑產(chǎn)生爐底上漲現(xiàn)象，在這種還原條件下，石油焦幾乎不會發(fā)生石墨化現(xiàn)象。5、 反應(yīng)速度快。由于本發(fā)明大幅度提高了硅石的還原反應(yīng)溫度和壓力，加 上通入空氣來加速還原反應(yīng)，使得反應(yīng)速度加快，反應(yīng)更充分。6、 爐體結(jié)構(gòu)簡單。本發(fā)明方法采用中空石墨電極的中空通道作為空氣通道， 簡化了爐體結(jié)構(gòu)。另外，石墨電極的布局方式也有利于爐溫的一致性和爐體結(jié) 構(gòu)的簡單。7、 對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)很少。本發(fā)明方法主要是從工藝參數(shù)和方法上對 現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，無需對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行大的改變。
具體實施方式
本發(fā)明的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的具體方法如下l]原料準(zhǔn)備選擇Si02含量》99。/。， FeA含量《0. 04%，八1203含量《0. 04%,， CaO含量《O.OP/。的硅石，粉碎至50 150腿粒度，作為硅源；選擇固定碳含量 》80%,揮發(fā)份》13%，灰分《2%的粉末狀石油焦作為還原劑；按照硅石:石油焦 =2:1的重量比進(jìn)行充分混合，加入礦熱爐；礦熱爐內(nèi)包括三個呈"品"字狀分 布并分別和三相工頻電源連接石墨電極，石墨電極為中空電極；2]還原反應(yīng)加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為2h;停止加熱， 搗爐；重加熱至爐溫為2400 260(TC，溫度保持時間為2h;停止加熱，搗爐； 重加熱至爐溫為2400 2600。C，溫度保持時間為2h;還原反應(yīng)同時通過中空石 墨電極向礦熱爐內(nèi)的硅熔液中持續(xù)通入適量空氣；3]除渣將還原反應(yīng)后的溫度高于200(TC的高溫硅熔液倒入有保溫措施的 結(jié)晶器中，溫度保持在1500 1900°C，氣壓為l個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，結(jié)晶器底部中 間通入空氣和或惰性氣體使熔液為翻騰狀態(tài)，保持1. 5h;4]定向凝固將二次除渣處理后的硅熔液自然冷卻至環(huán)境溫度，則凝固后 得到高純度硅。為了更好的提高純度，可在除渣前進(jìn)行一次精煉爐除渣的步驟將還原反應(yīng)后的溫度高于200(TC的硅熔液倒入精煉爐中，溫度保持在1500 190(TC，氣 壓為1.22個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通入富氧空氣進(jìn)行除渣，保持lh;然后再倒入結(jié)晶器 中進(jìn)行除渣。經(jīng)天津地質(zhì)研究院地質(zhì)礦產(chǎn)測試中心分析化驗，所得高純度硅指標(biāo)為Si》99. 99%， Fe《0.003%， Al《0.001%， Ca《0. 001%, Ti《0. 0005%， Mn《 0. 0001°/。， Mg《0.0002%，Cu《0. 0003%, Na《0. 0001。/。， Zn《0. 0003%， As《 0. 0003°/。' Pb《0. 0002%, Zr《0. 0005%, C《0. 003%， P《0. 0001%， S《0. 001%, B《 0. 0003%， Co《0. 0001%， Ni幼.0002%， Cr《0. 0001%， V《0. 003%。本發(fā)明原理本發(fā)明與現(xiàn)有方法的區(qū)別在于不需要多次反復(fù)加熱和降溫， 也不需要對現(xiàn)有設(shè)備和工藝進(jìn)行大的改動，只需利用硅石還原反應(yīng)后的高溫條 件，即可進(jìn)行除渣和結(jié)晶過程，得到高純度硅。所以無論采用何種工藝得到的 高溫硅熔液，均可直接采用本發(fā)明工藝生產(chǎn)高純度硅。但是，如果采用本發(fā)明 所述的全石油焦作為還原劑生產(chǎn)硅熔液的工藝，則本發(fā)明生產(chǎn)高純度硅的優(yōu)點 就更加突出，尤其體現(xiàn)在純度的提高和能耗的進(jìn)一步降低。本發(fā)明方法通過在 結(jié)晶器底部中間通入空氣和或氬氣，使硅熔液結(jié)晶過程中保持翻騰，加快定向 凝固的速度。
權(quán)利要求
1、一種高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于其包括以下步驟1]準(zhǔn)備硅溶液用正常工藝在礦熱爐中生產(chǎn)硅溶液，保證熔煉好的硅熔液溫度不低于2000℃；2]除渣將溫度不低于2000℃的高溫硅熔液倒入有保溫措施的結(jié)晶器中，溫度保持在1500～1900℃，氣壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，結(jié)晶器底部中間通入空氣和或惰性氣體使熔液為翻騰狀態(tài)，保持1～2h；3]定向凝固分離將二次除渣處理后的硅熔液自然冷卻至環(huán)境溫度，則凝固分離后得到高純度硅層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于 所述除渣的步驟還包括高溫硅熔液倒入結(jié)晶器前的精煉爐除渣的步驟將熔煉好的溫度高于200(TC的硅熔液倒入精煉爐中，溫度保持在1500 1900°C，氣壓為0.5 2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通入氯氣或者氧氣或者富氧空氣或者氯 氣和空氣的混合氣體進(jìn)行除渣，保持0. 5 1. 5h。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于 所述通入氯氣或者氧氣或者富氧空氣或者氯氣和空氣的混合氣體是通過中空石 墨棒從精煉爐上部進(jìn)行的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于所述通入氯氣或者氧氣或者富氧空氣或者氯氣和空氣的混合氣體是通過管道從 精煉爐底部進(jìn)行的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于 所述精煉爐除渣步驟是在氣壓為1 1. 2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于所述精煉爐除渣步驟是持續(xù)通入富氧空氣lh進(jìn)行除渣。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至7之任一權(quán)利要求所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于所述生產(chǎn)硅溶液的方法包括以下步驟l]原料準(zhǔn)備選擇Si02含量》99。/。的硅石，粉碎至一定的粒度，作為硅源； 選擇粉末狀石油焦作為還原劑；按照硅石:石油焦=1. 5:12. 5:1的重量比進(jìn)行充分混合，加入礦熱爐；2]還原反應(yīng)加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為1.5 2.5h; 停止加熱，搗爐；重新加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為1. 5 2. 5h。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于 所述還原反應(yīng)的步驟為加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為1.5 2.5 h;停止加熱，搗爐；重新加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時間為 1.5 2. 5 h;停止加熱，搗爐；再次加熱至爐溫為2400 2600°C，溫度保持時 間為1. 5 2. 5 h。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高溫分離法生產(chǎn)高純度硅的方法，其特征在于: 所述方法還包括還原反應(yīng)中向礦熱爐內(nèi)的硅熔液中通入適量空氣的過程；所述 硅石和石油焦的較佳重量比為硅石石油焦=1. 8: 1 2. 2:1;所述硅石較佳粒度 為50 150mm;所述還原反應(yīng)中每次加熱的溫度保持時間為2h;所述礦熱爐內(nèi) 呈"品"字狀分布三個石墨電極，并分別和三相工頻電源連接；所述石墨電極 為中空結(jié)構(gòu)，所述向礦熱爐內(nèi)的硅熔液中通入適量空氣是通過所述石墨電極通 入爐內(nèi)硅熔液中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高純度硅的生產(chǎn)方法，包括以下步驟準(zhǔn)備硅溶液，除渣，二次除渣，定向凝固分離；本發(fā)明解決了現(xiàn)有高純度硅生產(chǎn)方法工藝過程復(fù)雜，能源消耗大，無法大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)問題，具有生產(chǎn)工藝簡單、能量損耗小、雜質(zhì)含量少，高純度硅的純度高、消除了爐底上漲現(xiàn)象、反應(yīng)速度快、爐體結(jié)構(gòu)簡單、對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)很少的優(yōu)點。
文檔編號C01B33/00GK101332993SQ20071001816
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者蔡華憲 申請人:商南中劍實業(yè)有限責(zé)任公司