專利名稱：一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于冶金法提純多晶硅技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置。
背景技術(shù)：
為了進(jìn)一步提高冶金硅的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外各企業(yè)均采取各種不同的辦法措施，例如 擇優(yōu)原料、爐外吹氯、吹氧精煉、添加溶劑、定向凝固等，在去除各種雜質(zhì)方面取得了良好的效果。其中定向凝固工藝是冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是通過(guò)控制溫度場(chǎng)變化使得硅錠單向生長(zhǎng)，利用分凝效應(yīng)將分凝系數(shù)小的主要金屬雜質(zhì)元素Fe、Al、Ca、 Ti、Cu、ZruMn等聚集到硅錠凝固末端，通過(guò)截取末端雜質(zhì)多的部分，得到經(jīng)過(guò)提純的硅。目前，多晶硅鑄錠爐是硅材料定向凝固性能比較完善的設(shè)備，該設(shè)備由抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)、保溫層升降系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)及熔化結(jié)晶自動(dòng)判斷系統(tǒng)、故障診斷報(bào)警系統(tǒng)、強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成，多用于太陽(yáng)能多晶硅電池切片硅錠鑄錠， 也有用于品質(zhì)較高多晶硅料再次提純使用。實(shí)用新型專利CN85100519《一種定向凝固生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用的電池用的多晶硅錠工藝》，CN101323972《一種多晶硅定向凝固設(shè)備》， CN101898763《一種定向凝固多晶硅的制備方法》，CN85100529《一種定向凝固生長(zhǎng)太陽(yáng)能電池用的多晶硅錠工藝》等，這些已經(jīng)公開(kāi)的專利申請(qǐng)也都是類似多晶硅鑄錠爐的針對(duì)太陽(yáng)能電池多晶硅鑄錠工藝與設(shè)備的實(shí)用新型，由于此類設(shè)備都需要真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)等，需要將硅材料在設(shè)備內(nèi)重熔，故其設(shè)備具有造價(jià)較高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，單體凝固耗能大等缺點(diǎn)。冶金硅(2N級(jí))的品質(zhì)較多晶硅(5 6N)低3 4個(gè)數(shù)量級(jí)，雜質(zhì)含量多， 如直接使用多晶硅鑄錠爐定向凝固，會(huì)引起鑄錠爐石墨件的快速老化、石英陶瓷坩堝的嚴(yán)重析晶造成漏硅事故等，多晶硅鑄錠爐的高成本不適合冶金硅定向凝固要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)目前現(xiàn)有的冶金硅定向凝固中所存在的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，提供一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，該裝置單爐產(chǎn)能大、工藝簡(jiǎn)單易行、生產(chǎn)運(yùn)行成本低、提純效果好，適合于規(guī)?；a(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，采用澆鑄法和熱交換法(HME)相結(jié)合的定向凝固原理，裝置為矩形體，該裝置包括上保溫蓋、中保溫套、下底板軌道車架構(gòu)成，復(fù)合模具、 導(dǎo)熱板和水冷銅盤(pán)，水冷銅盤(pán)設(shè)于下底板軌道車架的中間，導(dǎo)熱板設(shè)于水冷銅盤(pán)的上部，復(fù)合模具設(shè)置于導(dǎo)熱板的上部，復(fù)合模具的四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒，上保溫蓋和中保溫套之間有密封圈。上保溫蓋包括吊環(huán)、鋼質(zhì)爐罩、多晶陶瓷纖維層、六鈦酸鉀晶須層、剛玉頂板，最外層為鋼質(zhì)爐罩，最內(nèi)層安裝有剛玉頂板，中間安置多晶陶瓷纖維層和六鈦酸鉀晶須層，鋼質(zhì)爐罩的頂板上安裝有吊環(huán)。中保溫套包括鋼質(zhì)爐套、多晶陶瓷纖維層、六鈦酸鉀晶須層、剛玉側(cè)板，最外層為鋼質(zhì)爐套，最內(nèi)層安裝有剛玉側(cè)板，中間安置多晶陶瓷纖維層和六鈦酸鉀晶須層。下底板軌道車架設(shè)置有4個(gè)軌道車輪，軌道車輪安裝在鋼質(zhì)底板上，水冷銅盤(pán)安置在下底板軌道車架的中間。復(fù)合模具包括石墨底板和剛玉立板，并置于導(dǎo)熱板的上部，四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒，該顆粒近似圓形，顆粒度為4-8毫米。導(dǎo)熱板和水冷銅盤(pán)的中部安裝有熱電偶。復(fù)合模具的表面涂覆一層氮化硅脫模劑。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1、采用上述技術(shù)方案后，本實(shí)用新型因頂部與四周側(cè)面均采用六鈦酸鉀晶須和剛玉板作隔熱材料，使裝置內(nèi)熱損失少、蓄熱能力強(qiáng)，比現(xiàn)在鑄錠爐的硬質(zhì)碳纖維氈更具有保溫優(yōu)勢(shì)，無(wú)需再進(jìn)行輔助加熱以維持硅錠上部溫度，只需硅液倒入時(shí)的溫度大于1600°c即可，在合理利用熱能方面優(yōu)勢(shì)顯著；同時(shí)，也滿足了在大氣環(huán)境中使用的工藝要求，擺脫定向凝固在真空和惰性氣體保護(hù)環(huán)境中的束縛。2、本實(shí)用新型的復(fù)合模具采用組合模式，內(nèi)表面涂覆一層氮化硅脫模劑，即便于硅錠脫模，又保護(hù)了模具，此外模具四周側(cè)部填充碳化硅顆粒使模具結(jié)合牢固、緊密，硅液不會(huì)滲漏，有效地提高模具的重復(fù)使用次數(shù)、降低輔助材料用量，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。3、本實(shí)用新型每爐可對(duì)多達(dá)IOOOKg的冶金硅進(jìn)行定向凝固提純，每爐處理時(shí)間為48 72小時(shí)，定向凝固后的硅錠無(wú)氣孔、無(wú)裂紋。4、本實(shí)用新型顯著效果是裝置內(nèi)部液態(tài)冶金硅的散熱方式被有效控制，形成一個(gè)只有底部散熱，而頂部及四周側(cè)面絕熱的熱場(chǎng)系統(tǒng)，熱場(chǎng)的頂部與側(cè)向無(wú)溫度梯度，通過(guò)底部水冷銅盤(pán)的冷卻水流量的控制，使硅液上下有一定的溫度梯度，熱量只沿底部單一方向散熱，達(dá)到硅液溫度自下而上逐步下降，熔融硅液緩慢結(jié)晶凝固，同時(shí)保持固液界面的始終水平上升，得到良好的定向凝固效果，以去除冶金硅中的分凝系數(shù)低的雜質(zhì)元素。5、本實(shí)用新型適用于澆鑄法冶金硅定向凝固，非真空生產(chǎn)、設(shè)備造價(jià)低、能耗低、 維修量小且方便、使用安全、無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題，通過(guò)簡(jiǎn)易的裝置達(dá)到定向凝固提純效果，進(jìn)而提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型復(fù)合模具組合結(jié)構(gòu)俯視方向示意圖。如圖所示1_上保溫蓋2-中保溫套3-下底板軌道車架4-復(fù)合模具5-吊環(huán) 6-鋼質(zhì)爐罩 7-多晶陶瓷纖維層 8-六鈦酸鉀晶須層 9-剛玉頂板 10-鋼質(zhì)爐套11-多晶陶瓷纖維層12-六鈦酸鉀晶須層13-剛玉頂板14-軌道車輪15-鋼質(zhì)底板16-石墨底板17-剛玉立板18-碳化硅顆粒19-薄多晶陶瓷纖維層20-密封圈 21-快速夾具22-密封圈23-導(dǎo)熱板24-水冷銅盤(pán)25-熱電偶
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
如下如圖1和圖2所示，該裝置為矩形體，包括上保溫蓋(1)、中保溫套(2)和下底板軌道車架(3)、復(fù)合模具(4)、導(dǎo)熱板(23)和水冷銅盤(pán)(24)，水冷銅盤(pán)(24)設(shè)于下底板軌道車架(3)的中間，導(dǎo)熱板(23)設(shè)于水冷銅盤(pán)(24)的上部，復(fù)合模具(4)設(shè)置于導(dǎo)熱板(23) 的上部，復(fù)合模具(4)的四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒(18)，上保溫蓋(1)和中保溫套⑵之間有密封圈(20)。 上保溫蓋(1)包括吊環(huán)(5)、鋼質(zhì)爐罩(6)、多晶陶瓷纖維層(7)、六鈦酸鉀晶須層 (8)、剛玉頂板(9)，最外層為鋼質(zhì)爐罩(6)，最內(nèi)層安裝有剛玉頂板(9)，中間安置多晶陶瓷纖維層(7)和六鈦酸鉀晶須層(8)，鋼質(zhì)爐罩(6)的頂板上安裝有吊環(huán)(5)。中保溫套(2)包括鋼質(zhì)爐套(10)、多晶陶瓷纖維層(11)、六鈦酸鉀晶須層(12)、剛玉側(cè)板(13)，最外層為鋼質(zhì)爐套(10)，最內(nèi)層安裝有剛玉側(cè)板(13)，中間安置多晶陶瓷纖維層(11)和六鈦酸鉀晶須層(12)。六鈦酸鉀晶須層(8)或六鈦酸鉀晶須層(12)采用六鈦酸鉀晶須原粉混入一定量的粘接劑夯筑成型、晾干、緩慢焙燒制成。多晶陶瓷纖維層采用 10-20毫米的厚度。在剛玉側(cè)板(13)和剛玉頂板(9)之間以及鈦酸鉀晶須層(12)與密封圈(20)之間均設(shè)置有薄多晶陶瓷纖維層(19)，用以增強(qiáng)兩零部件之間的密封作用。下底板軌道車架(3)設(shè)置有4個(gè)軌道車輪(14)，軌道車輪(14)安裝在鋼質(zhì)底板 (15)上，水冷銅盤(pán)(24)安置在下底板軌道車架(3)的中間。鋼質(zhì)底板(15)與中保溫套(2) 之間有密封圈(22)。上保溫蓋(1)和中保溫套(2)之間；中保溫套(2)與鋼質(zhì)底板(15)之間安裝有快速夾具(21)，配合密封圈(20)和(22)加強(qiáng)上保溫蓋(1)、中保溫套(2)和下底板軌道車架(3)之間的緊密密封。復(fù)合模具(4)包括石墨底板(16)和剛玉立板(17)，并置于導(dǎo)熱板(23)的上部， 四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒，該顆粒近似圓形，顆粒度為4-8毫米。復(fù)合模具 (4)的表面涂覆一層氮化硅脫模劑，涂層的厚度為0. 5 1. 2mm。導(dǎo)熱板(23)和水冷銅盤(pán)的中部安裝有熱電偶(25)。使用本實(shí)用新型時(shí)，為了達(dá)到定向凝固除雜的目的，本實(shí)用新型的工作流程為1.按照附圖結(jié)構(gòu)組裝好裝置，復(fù)合模具(4)內(nèi)表面噴涂一層氮化硅，用電阻加熱方式(如硅碳棒、硅鉬棒)進(jìn)行烘烤，使氮化硅粉與復(fù)合模具粘合的緊密牢固，同時(shí)預(yù)熱爐體，升溫至800 1000°C，推至澆鑄工位。2.打開(kāi)上保溫蓋(1)，將經(jīng)熔融精煉的液態(tài)冶金硅倒入空復(fù)合模具內(nèi)，要求液態(tài)冶金硅的溫度大于1600°C，迅速盒好上保溫蓋，將快速夾具(21)夾緊，快速平穩(wěn)推至凝固工位。3.插接水冷銅盤(pán)(24)的快速接頭，確保進(jìn)、出水管路暢通；連接熱電偶電源信號(hào)線，由控制電路精確控制水冷卻裝置的通水量，硅液進(jìn)行定向凝固，凝固速率控制在8 16mm/h。4.凝固結(jié)束后，熱電偶(25)溫度降至300°C以下方可打開(kāi)上保溫蓋，加速降溫至室溫，通過(guò)吊環(huán)(5)起吊中保溫套(2)，收集碳化硅顆粒，拆除復(fù)合模具側(cè)板，取出硅錠。5.通過(guò)打磨硅錠四周及底面潔凈，金剛石帶鋸或線鋸切除硅錠上部雜質(zhì)富集區(qū)， 切除量為硅錠總高的10 15%，即得到高品質(zhì)的冶金硅硅錠。
權(quán)利要求1.一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，該裝置為矩形體，其特征在于該裝置包括上保溫蓋(1)、中保溫套⑵和下底板軌道車架⑶、復(fù)合模具⑷、導(dǎo)熱板(23)和水冷銅盤(pán)(24)，水冷銅盤(pán)(24)設(shè)于下底板軌道車架(3)的中間，導(dǎo)熱板(23)設(shè)于水冷銅盤(pán)(24) 的上部，復(fù)合模具(4)設(shè)置于導(dǎo)熱板(23)的上部，復(fù)合模具(4)的四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒，上保溫蓋(1)和中保溫套(2)之間有密封圈(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，其特征在于所述的上保溫蓋(1)包括吊環(huán)(5)、鋼質(zhì)爐罩(6)、多晶陶瓷纖維層(7)、六鈦酸鉀晶須層(8)、剛玉頂板(9)，最外層為鋼質(zhì)爐罩(6)，最內(nèi)層安裝有剛玉頂板(9)，中間安置多晶陶瓷纖維層 (7)和六鈦酸鉀晶須層(8)，鋼質(zhì)爐罩(6)的頂板上安裝有吊環(huán)(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，其特征在所述的中保溫套(2)包括鋼質(zhì)爐套(10)、多晶陶瓷纖維層(11)、六鈦酸鉀晶須層(12)、剛玉側(cè)板(13)，最外層為鋼質(zhì)爐套(10)，最內(nèi)層安裝有剛玉側(cè)板(13)，中間安置多晶陶瓷纖維層 (11)和六鈦酸鉀晶須層(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，其特征在所述的下底板軌道車架(3)設(shè)置有4個(gè)軌道車輪(14)，軌道車輪(14)安裝在鋼質(zhì)底板(15)上， 水冷銅盤(pán)(24)安置在下底板軌道車架(3)的中間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，其特征在所述的復(fù)合模具(4)包括石墨底板(16)和剛玉立板(17)，并置于導(dǎo)熱板(23)的上部，四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒，該顆粒近似圓形，顆粒度為4-8毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，其特征在所述的導(dǎo)熱板(23)和水冷銅盤(pán)(24)的中部安裝有熱電偶(25)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置，其特征在所述的復(fù)合模具(4)的表面涂覆一層氮化硅脫模劑。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于冶金硅定向凝固除雜的節(jié)能裝置。該裝置為矩形體，包括上保溫蓋、中保溫套、下底板軌道車架、復(fù)合模具、導(dǎo)熱板和水冷銅盤(pán)，水冷銅盤(pán)設(shè)于下底板軌道車架的中間，導(dǎo)熱板設(shè)于水冷銅盤(pán)的上部，復(fù)合模具設(shè)置于導(dǎo)熱板的上部，復(fù)合模具的四周填充起支撐和保溫作用的碳化硅顆粒，上保溫蓋和中保溫套之間有密封圈。本實(shí)用新型適用于澆鑄法冶金硅定向凝固，非真空生產(chǎn)、設(shè)備造價(jià)低、能耗低、維修量小且方便、使用安全、無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題，通過(guò)簡(jiǎn)易的裝置達(dá)到定向凝固提純效果，進(jìn)而提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C01B33/037GK202181216SQ20112019118
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者劉應(yīng)寬, 劉永貴, 李小燕, 盛之林, 納永清, 范占軍 申請(qǐng)人:寧夏銀星多晶硅有限責(zé)任公司