专利名称：一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于冶金法提纯多晶硅技术领域，尤其是涉及一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置。
背景技术：
为了进一步提高冶金硅的质量，国内外各企业均采取各种不同的办法措施，例如 择优原料、炉外吹氯、吹氧精炼、添加溶剂、定向凝固等，在去除各种杂质方面取得了良好的效果。其中定向凝固工艺是冶金法制备太阳能级多晶硅的一个重要环节，它是通过控制温度场变化使得硅锭单向生长，利用分凝效应将分凝系数小的主要金属杂质元素Fe、Al、Ca、 Ti、Cu、ZruMn等聚集到硅锭凝固末端，通过截取末端杂质多的部分，得到经过提纯的硅。目前，多晶硅铸锭炉是硅材料定向凝固性能比较完善的设备，该设备由抽真空系统、加热系统、测温系统、保温层升降系统、压力控制系统及熔化结晶自动判断系统、故障诊断报警系统、强大的计算机控制系统等组成，多用于太阳能多晶硅电池切片硅锭铸锭， 也有用于品质较高多晶硅料再次提纯使用。实用新型专利CN85100519《一种定向凝固生长太阳能电池用的电池用的多晶硅锭工艺》，CN101323972《一种多晶硅定向凝固设备》， CN101898763《一种定向凝固多晶硅的制备方法》，CN85100529《一种定向凝固生长太阳能电池用的多晶硅锭工艺》等，这些已经公开的专利申请也都是类似多晶硅铸锭炉的针对太阳能电池多晶硅铸锭工艺与设备的实用新型，由于此类设备都需要真空系统、加热系统、测温系统等，需要将硅材料在设备内重熔，故其设备具有造价较高，生产周期长，单体凝固耗能大等缺点。冶金硅(2N级)的品质较多晶硅(5 6N)低3 4个数量级，杂质含量多， 如直接使用多晶硅铸锭炉定向凝固，会引起铸锭炉石墨件的快速老化、石英陶瓷坩埚的严重析晶造成漏硅事故等，多晶硅铸锭炉的高成本不适合冶金硅定向凝固要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对目前现有的冶金硅定向凝固中所存在的技术难点问题，提供一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，该装置单炉产能大、工艺简单易行、生产运行成本低、提纯效果好，适合于规模化生产。为了实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是冶金硅定向凝固除杂的节能装置，采用浇铸法和热交换法(HME)相结合的定向凝固原理，装置为矩形体，该装置包括上保温盖、中保温套、下底板轨道车架构成，复合模具、 导热板和水冷铜盘，水冷铜盘设于下底板轨道车架的中间，导热板设于水冷铜盘的上部，复合模具设置于导热板的上部，复合模具的四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，上保温盖和中保温套之间有密封圈。上保温盖包括吊环、钢质炉罩、多晶陶瓷纤维层、六钛酸钾晶须层、刚玉顶板，最外层为钢质炉罩，最内层安装有刚玉顶板，中间安置多晶陶瓷纤维层和六钛酸钾晶须层，钢质炉罩的顶板上安装有吊环。中保温套包括钢质炉套、多晶陶瓷纤维层、六钛酸钾晶须层、刚玉侧板，最外层为钢质炉套，最内层安装有刚玉侧板，中间安置多晶陶瓷纤维层和六钛酸钾晶须层。下底板轨道车架设置有4个轨道车轮，轨道车轮安装在钢质底板上，水冷铜盘安置在下底板轨道车架的中间。复合模具包括石墨底板和刚玉立板，并置于导热板的上部，四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，该颗粒近似圆形，颗粒度为4-8毫米。导热板和水冷铜盘的中部安装有热电偶。复合模具的表面涂覆一层氮化硅脱模剂。本实用新型具有以下优点1、采用上述技术方案后，本实用新型因顶部与四周侧面均采用六钛酸钾晶须和刚玉板作隔热材料，使装置内热损失少、蓄热能力强，比现在铸锭炉的硬质碳纤维毡更具有保温优势，无需再进行辅助加热以维持硅锭上部温度，只需硅液倒入时的温度大于1600°c即可，在合理利用热能方面优势显著；同时，也满足了在大气环境中使用的工艺要求，摆脱定向凝固在真空和惰性气体保护环境中的束缚。2、本实用新型的复合模具采用组合模式，内表面涂覆一层氮化硅脱模剂，即便于硅锭脱模，又保护了模具，此外模具四周侧部填充碳化硅颗粒使模具结合牢固、紧密，硅液不会渗漏，有效地提高模具的重复使用次数、降低辅助材料用量，有明显的经济效益。3、本实用新型每炉可对多达IOOOKg的冶金硅进行定向凝固提纯，每炉处理时间为48 72小时，定向凝固后的硅锭无气孔、无裂纹。4、本实用新型显著效果是装置内部液态冶金硅的散热方式被有效控制，形成一个只有底部散热，而顶部及四周侧面绝热的热场系统，热场的顶部与侧向无温度梯度，通过底部水冷铜盘的冷却水流量的控制，使硅液上下有一定的温度梯度，热量只沿底部单一方向散热，达到硅液温度自下而上逐步下降，熔融硅液缓慢结晶凝固，同时保持固液界面的始终水平上升，得到良好的定向凝固效果，以去除冶金硅中的分凝系数低的杂质元素。5、本实用新型适用于浇铸法冶金硅定向凝固，非真空生产、设备造价低、能耗低、 维修量小且方便、使用安全、无环境污染问题，通过简易的装置达到定向凝固提纯效果，进而提高产品品质、降低生产成本，适合于大规模生产。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型复合模具组合结构俯视方向示意图。如图所示1_上保温盖2-中保温套3-下底板轨道车架4-复合模具5-吊环 6-钢质炉罩 7-多晶陶瓷纤维层 8-六钛酸钾晶须层 9-刚玉顶板 10-钢质炉套11-多晶陶瓷纤维层12-六钛酸钾晶须层13-刚玉顶板14-轨道车轮15-钢质底板16-石墨底板17-刚玉立板18-碳化硅颗粒19-薄多晶陶瓷纤维层20-密封圈 21-快速夹具22-密封圈23-导热板24-水冷铜盘25-热电偶
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式
如下如图1和图2所示，该装置为矩形体，包括上保温盖(1)、中保温套(2)和下底板轨道车架(3)、复合模具(4)、导热板(23)和水冷铜盘(24)，水冷铜盘(24)设于下底板轨道车架(3)的中间，导热板(23)设于水冷铜盘(24)的上部，复合模具(4)设置于导热板(23) 的上部，复合模具(4)的四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒(18)，上保温盖(1)和中保温套⑵之间有密封圈(20)。 上保温盖(1)包括吊环(5)、钢质炉罩(6)、多晶陶瓷纤维层(7)、六钛酸钾晶须层 (8)、刚玉顶板(9)，最外层为钢质炉罩(6)，最内层安装有刚玉顶板(9)，中间安置多晶陶瓷纤维层(7)和六钛酸钾晶须层(8)，钢质炉罩(6)的顶板上安装有吊环(5)。中保温套(2)包括钢质炉套(10)、多晶陶瓷纤维层(11)、六钛酸钾晶须层(12)、刚玉侧板(13)，最外层为钢质炉套(10)，最内层安装有刚玉侧板(13)，中间安置多晶陶瓷纤维层(11)和六钛酸钾晶须层(12)。六钛酸钾晶须层(8)或六钛酸钾晶须层(12)采用六钛酸钾晶须原粉混入一定量的粘接剂夯筑成型、晾干、缓慢焙烧制成。多晶陶瓷纤维层采用 10-20毫米的厚度。在刚玉侧板(13)和刚玉顶板(9)之间以及钛酸钾晶须层(12)与密封圈(20)之间均设置有薄多晶陶瓷纤维层(19)，用以增强两零部件之间的密封作用。下底板轨道车架(3)设置有4个轨道车轮(14)，轨道车轮(14)安装在钢质底板 (15)上，水冷铜盘(24)安置在下底板轨道车架(3)的中间。钢质底板(15)与中保温套(2) 之间有密封圈(22)。上保温盖(1)和中保温套(2)之间；中保温套(2)与钢质底板(15)之间安装有快速夹具(21)，配合密封圈(20)和(22)加强上保温盖(1)、中保温套(2)和下底板轨道车架(3)之间的紧密密封。复合模具(4)包括石墨底板(16)和刚玉立板(17)，并置于导热板(23)的上部， 四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，该颗粒近似圆形，颗粒度为4-8毫米。复合模具 (4)的表面涂覆一层氮化硅脱模剂，涂层的厚度为0. 5 1. 2mm。导热板(23)和水冷铜盘的中部安装有热电偶(25)。使用本实用新型时，为了达到定向凝固除杂的目的，本实用新型的工作流程为1.按照附图结构组装好装置，复合模具(4)内表面喷涂一层氮化硅，用电阻加热方式(如硅碳棒、硅钼棒)进行烘烤，使氮化硅粉与复合模具粘合的紧密牢固，同时预热炉体，升温至800 1000°C，推至浇铸工位。2.打开上保温盖(1)，将经熔融精炼的液态冶金硅倒入空复合模具内，要求液态冶金硅的温度大于1600°C，迅速盒好上保温盖，将快速夹具(21)夹紧，快速平稳推至凝固工位。3.插接水冷铜盘(24)的快速接头，确保进、出水管路畅通；连接热电偶电源信号线，由控制电路精确控制水冷却装置的通水量，硅液进行定向凝固，凝固速率控制在8 16mm/h。4.凝固结束后，热电偶(25)温度降至300°C以下方可打开上保温盖，加速降温至室温，通过吊环(5)起吊中保温套(2)，收集碳化硅颗粒，拆除复合模具侧板，取出硅锭。5.通过打磨硅锭四周及底面洁净，金刚石带锯或线锯切除硅锭上部杂质富集区， 切除量为硅锭总高的10 15%，即得到高品质的冶金硅硅锭。
权利要求1.一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，该装置为矩形体，其特征在于该装置包括上保温盖(1)、中保温套⑵和下底板轨道车架⑶、复合模具⑷、导热板(23)和水冷铜盘(24)，水冷铜盘(24)设于下底板轨道车架(3)的中间，导热板(23)设于水冷铜盘(24) 的上部，复合模具(4)设置于导热板(23)的上部，复合模具(4)的四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，上保温盖(1)和中保温套(2)之间有密封圈(20)。
2.根据权利要求1所述的一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，其特征在于所述的上保温盖(1)包括吊环(5)、钢质炉罩(6)、多晶陶瓷纤维层(7)、六钛酸钾晶须层(8)、刚玉顶板(9)，最外层为钢质炉罩(6)，最内层安装有刚玉顶板(9)，中间安置多晶陶瓷纤维层 (7)和六钛酸钾晶须层(8)，钢质炉罩(6)的顶板上安装有吊环(5)。
3.根据权利要求1所述的一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，其特征在所述的中保温套(2)包括钢质炉套(10)、多晶陶瓷纤维层(11)、六钛酸钾晶须层(12)、刚玉侧板(13)，最外层为钢质炉套(10)，最内层安装有刚玉侧板(13)，中间安置多晶陶瓷纤维层 (11)和六钛酸钾晶须层(12)。
4.根据权利要求1所述的一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，其特征在所述的下底板轨道车架(3)设置有4个轨道车轮(14)，轨道车轮(14)安装在钢质底板(15)上， 水冷铜盘(24)安置在下底板轨道车架(3)的中间。
5.根据权利要求1所述的一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，其特征在所述的复合模具(4)包括石墨底板(16)和刚玉立板(17)，并置于导热板(23)的上部，四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，该颗粒近似圆形，颗粒度为4-8毫米。
6.根据权利要求1所述的一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，其特征在所述的导热板(23)和水冷铜盘(24)的中部安装有热电偶(25)。
7.根据权利要求1或5所述的一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置，其特征在所述的复合模具(4)的表面涂覆一层氮化硅脱模剂。
专利摘要本实用新型涉及一种用于冶金硅定向凝固除杂的节能装置。该装置为矩形体，包括上保温盖、中保温套、下底板轨道车架、复合模具、导热板和水冷铜盘，水冷铜盘设于下底板轨道车架的中间，导热板设于水冷铜盘的上部，复合模具设置于导热板的上部，复合模具的四周填充起支撑和保温作用的碳化硅颗粒，上保温盖和中保温套之间有密封圈。本实用新型适用于浇铸法冶金硅定向凝固，非真空生产、设备造价低、能耗低、维修量小且方便、使用安全、无环境污染问题，通过简易的装置达到定向凝固提纯效果，进而提高产品品质、降低生产成本。
文档编号C01B33/037GK202181216SQ20112019118
公开日2012年4月4日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者刘应宽, 刘永贵, 李小燕, 盛之林, 纳永清, 范占军 申请人:宁夏银星多晶硅有限责任公司