一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉的制作方法
【专利摘要】本发明涉及太阳能多晶硅等离子精炼装置【技术领域】，具体说是一种用冶金法制备太阳能多晶硅的精炼提纯炉，该设备采用感应加热与等离子弧双重加热的方式，使金属硅预先形成局部熔池，成为金属硅固体料接受感应加热的起点，同时可以通过等离子弧直接快速熔化精炼所需的混合渣料，而不是通常利用硅液间接熔化渣料的方式，费时耗能；与目前国内外单晶硅、多晶硅炉普遍采用的石墨材质热场的间接式电阻加热方法相比，本发明可以用高温陶瓷复合坩埚，或者水冷铜坩埚作为反应器，不仅大大降低了生产成本，也减少了污染，缩短了熔炼时间，同時也解决了无机非金属材料无法采用感应加热的难题，使采用火法冶金手段进行高纯硅的提纯成为可能。
【专利说明】一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能多晶硅等离子精炼装置【技术领域】，具体说是一种采用冶金法制备太阳能多晶娃的等尚子精炼提纯炉。
【背景技术】
[0002]中温等离子体发生装置在国内冶金系统应用不多，在太阳能多晶硅提纯工艺中由于市场上没有专用的装备供应则更少采用。这与我国现代能源装备制造业、特别是功率较大的冶金用等离子发生器的研发与制造水平相对滞后有关，且没有专业化。
[0003]国外在太阳能多晶硅提纯中用等离子弧去除金属硅中的硼，但仅限于去硼，等离子弧区温度可高达5000K，如果缺乏相应保护措施，在去硼的同时也不可避免地使硅遭受损失。
[0004] 本发明为克服上述装备技术的不足、和满足新材料研发与生产的需要而设计出的新型装备，将各种规格的等离子发生嚣用于冶金法太阳能多晶硅提纯新工艺的等离子精炼炉，不仅解决目前国内新能源装备供需矛盾的问题，同时也为冶金工业向高新尖发展提供一种更有效更先进的冶金手段，是对我国现代装备产业的一大贡献。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其操作简便，节能环保，灵活高效，把造渣精炼(主要去除常规杂质如铁、铝、钙等)和等离子去除多晶硅中特别有害的微量杂质(如硼等)结合起来，是本发明的一大特色。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，包含炉体以及设置在炉体内的感应加热器、坩埚、透气砖、充气系统，炉体顶部设置有炉盖、炉盖中间设置有回转机构，回转机构中间安装非转移弧等离子枪，非转移弧等离子枪安装在等离子枪支架上，在炉盖两侧分别有渣料加料器及硅块加料器，炉体内部设置有坩埚，坩埚周围均匀设置有透气砖，透气砖周围均匀设置有感应加热器，炉料分别通过推料机构将炉料加入坩埚中，坩埚内部设置有炉体倾动机构，气体通过充气系统经透气砖鼓入坩埚熔体内、与感应加热器对炉料进行熔化与精炼，根据倾倒角度可以移动和升降，炉盖升降开启机构可因地置宜设定。
[0007]充分利用现代冶金工业发展的成果，通过创造性的有机结合，对不产生电磁感应和电流热效应的硅等非金属无机材料同样可以采用感应加热方式。如单晶硅、多晶硅炉中均采用的石墨材质电阻式热场，这是一种不得已而为之的高成本低热效率的加热方法。我们将设置在水冷炉顶的非转弧等离发生器对这些材料进行快速预熔，当被精炼的块状材料形成小小的熔池以后，感应磁场所产生的热效应不断扩展，材料的温度越高熔化速度就越快。这种互补的双管齐下的加热方法，优越性十分明显，使高纯金属硅的造渣精炼与提纯得以实现。
[0008]等离子精炼炉由与水冷炉盖动态组合的非转移弧等离子发生器、炉体内设有使用寿命长又可防止二次污染的陶瓷坩埚或水冷铜坩埚、感应器(外接感应电源)、底部为特殊透气元件与之相联的供气系统、炉顶供料装置，以及炉体倾动机构和炉盖升降机构等组成(详见附图)。
[0009]由于等离子弧区温度高、而硅等材料热导性能差等特点，等离子枪可根据工艺要求和熔池液面的变化具备升降和回转运动功能，实现这一目的是在水冷炉盖中央通过耐高温球体实现的，其升降距离和回转半径可以调节，这也是本发明的重要特色之一；
[0010]为了提高精炼效果，除选配相适应的渣系外，必须使固体混合渣料快速熔化并复盖在硅料表面，等离子弧直接加热比通常经由高温硅液间接加热的方式、具有缩短熔炼时间和提高‘渣洗’效果的功能；
[0011]为进一步提高精炼与提纯效果，从坩埚的底部可以根据工艺要求鼓入氧、氩、水蒸汽等气体对熔池参与物理化学反应，并增强搅拌力度，在感应搅拌与气流搅拌的双重作用下，有助于硅液中夹杂物的排除和熔池温度的均匀化；
[0012]本精炼炉在 熔炼过程中可不必开启炉盖进行加料，从专设的加料系统加入硅料和混合渣料，这些炉料受到炉气余热加热后，经特殊的简便的推进式加料机构按需加料。这套机构不仅提高了炉子产量、降低能耗，也提高了生产安全性能:
[0013]炉体倾动机构简化了排渣与出硅操作，可以在通过闸板式挡渣器使渣硅分离，根据下一工序的要求将精炼后的硅液注入避免二次污染的铸模，以便进入更精细的提纯流程。
[0014]本发明的效果是:
[0015]1、本发明具有多功能特性，即可以快速造渣和重熔达到提纯效果，并降低硅的损耗；
[0016]2、由于等离子弧直接熔融与感应加热相结合供热方式，可以解决采用感应加热又无污染地熔化无机非金属材料的难题；
[0017]3、本发明因采用非电阻加热方式从而简化了热场结构，可以降低热场所带来的高成本、低使用寿命短和热场材质对系统的污染等难点；
[0018]4、本发明由于組合式加热的特点，可以采用水冷铜坩埚，从而彻底避免坩埚材质对被提纯材料的污染，而且使用寿命长，不必像使用石英坩埚那样每使用一次必须破碎废弃，从而降低了生产成本；
[0019]5、本发明具有连续加料和连续生产的功能，从而显著提高了设备的生产能力，进一步降低设备投资并使单位生产成本下降；
[0020]6、本发明用于以高纯金属硅或工业硅为原料，通过该设备的综合功能将不符合太阳能多晶硅质量要求的杂质去除，可达到4N水平，是短流程冶金法新工艺的中间关键新装备;
[0021]7、本发明将非转移等离子弧、水冷铜坩埚和感应加热三者最优化结合在一起，达到熔渣去杂、等离子孤对硅料的预熔与除硼、水冷铜坩埚无污染的复合叠加效果。以上各项是一个互为依存互为强化和不可分割的创新型体系；
[0022]8、本发明等离子枪与水冷炉盖之间设有密封回转升降机构，这种机构以水冷球体作回转升降的主体，设有可自动控制运行系统；
[0023]9、本发明炉底嵌入特殊透气材料的供气通道，该系统设有多种气体的流量配比控制系统。
[0024]10、本发明硅材与渣料的加料系统通过大量实验证明具有预热与简易操作的特点，热废气通过水平进料管道从料斗排出，这种送料机构可以方便硅块的顺利输送。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明结构示意图。
[0026]附图标记说明:1_等离子枪支架；2_推料机构；3_渣料加料器；4_非转移弧等离子枪；5-回转机构；6_娃块加料器；7-炉盖；8-炉体；9_感应加热器；10-樹祸；11_炉体倾动机构；12_透气砖；13_炉盖提升机构；14_充气系统。
【具体实施方式】
[0027]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。
[0028]如图1所述为本发明一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉结构示意图，包含炉体8以及设置在炉体内的感应加热器9、坩埚10、透气砖12、充气系统14，炉体8顶部设置有炉盖7、炉盖7中间设置有回转机构5，回转机构5中间安装非转移弧等离子枪4，非转移弧等离子枪4安装在等离子枪支架I上，在炉盖7两侧分别有渣料加料器3及硅块加料器6，炉体8内部设置 有坩埚10，坩埚10周围均匀设置有透气砖12，透气砖12周围均匀设置有感应加热器9，炉料分别通过推料机构2将炉料加入坩埚10中，坩埚10内部设置有炉体倾动机构11，气体通过充气系统14经透气砖12鼓入坩埚10熔体内、与感应加热器9对炉料进行熔化与精炼，根据倾倒角度可以移动和升降，炉盖升降开启机构13可因地置宜设定。
[0029]非转移弧形等离子枪4与炉盖7之间设有以水冷球体作回转升降的主体，装有可自动控制运行系统和密封回转升降机构；提纯炉的加热方式为感应加热与等离子弧加热双重方式，以满足不同阶段的启动需要，；提纯所设置的充气系统有可从底部鼓入氧、氩、水蒸汽等气体，对熔池进行提纯处理和进一步强化电磁感应搅拌功能；所述提纯炉还包含有炉料传送带，其间可设有颗粒度分检与称量装置。
[0030]本发明具有多功能特性，即可以快速造渣和重熔达到提纯效果，并降低硅的损耗；由于等离子弧直接熔融与感应加热相结合供热方式，解决了采用非电阻加热方式熔化无机非金属材料的难题；从而简化了热场结构，降低了热场所带来的高成本、使用寿命短和热场材质对被加工材料的污染；本发明由于組合式加热的特点，可以采用水冷铜坩埚，从而澈底避免坩埚材质对被提纯材料的污染，而且使用寿长，不必像使用石英坩埚那样每使用一次必须破碎废弃，降低了生产成本；本发明具有连续加料和连续阶段式出硅方式，从而显著提高了设备的生产能力和降低能耗，使单位生产成本下降；本发明用于以高纯金属硅或附合要求的工业硅为原料，通过该设备的精烁提纯，将不符合太阳能多晶硅质量要求的杂质去除，达到4N水平，是当代最具先进性的短流程冶金法新工艺的中间关键设备；本发明将非转移等离子弧、水冷铜坩埚和感应加热三者最优化结合在一起，即达到快速熔渣去杂、等离子弧对硅料的预熔与除硼、水冷铜坩埚无二次污染困惑的复合叠加效果；本发明等离子枪与水冷炉盖之间设有密封回转升降机构，这种机构以水冷球体作回转升降的主体，可以根据液面高低而升降等离子枪的位置，也可以根据炉料的状况调节等离子枪旋转半径，本发明硅料与渣料的加料系统是通过大量实验证明具有预热与简易操作的特点，余热废气通过水平进料管道从料斗排出并加以收集，这种送料机构可以方便硅块顺利输送。
[0031]国内外采用冶金法提纯太阳能多晶硅工艺，绝大多数均以常规工业硅为原料。即使最高等级工业硅2202，其杂质含量Fe≤0.2%、Al≤0.2%、Ca≤0.02%，即分别达到2000ppm和200ppm，除标准规定的Fe、Al、Ca三元素外，对太阳能多晶硅10多项杂质浓度是没有限定的，尤其对太阳能多晶特别有害的P、B等元素。工业硅中P、B含量从几十ppm到几百ppm不等，而太阳能多晶娃中的P、B含量只允许在Ippm左右，因此，将工业娃精炼提纯的任务非常繁重，现有的冶金设备(如非真空感应炉等)根本无法实现这一目标，该工序成了以工业硅为原料生产太阳能多晶硅的瓶颈。
[0032] 我们采两种原料通过不同渣系的试验结果见表一 表一:采两种原料通过不同渣系的试验结果
【权利要求】
1.一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，包含炉体以及设置在炉体上的水冷炉盖，炉内含有水冷坩埚或复合坩埚、感应加热器、透气砖及充气系统，其特征在于:在水冷炉盖上部安置非转移弧等离子枪、等离子枪与水冷炉盖之间设有以水冷球体作回转升降的主体，装有可自动控制运行系统密封回转升降机构；坩埚上端的等离子发生器与坩埚周围的感应加热器构成的双重加热体系.以及可以选择多种气体和流量控制的充气系统和余热连续加料机构等，构成了本发明的特殊功能特性。
2.根据权利要求1所述的一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其特征在于:等离子非转移弧加热与感应加热双重加热方式。
3.根据权利要求1所述的一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其特征在于:对于无机非金属材料由于不导电或热导性很差的条件下，非转移弧等离子枪在水冷炉盖上的球体机构实现了动态密封下的升降与回转运动。
4.根据权利要求1所述的一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其特征在于:所述提纯炉在坩埚底部鼓入氧、氩、水蒸汽等多种气体对熔池进行冶金反应提纯和增强搅拌的功能。
5.根据权利要求1所述的一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其特征在于:一种适合于硬度高，多品种自动化加料机构，这种机构具有余热利用、炉料配比可调，称重和推进式输送功能。
6.根据权利要求1所述的一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其特征在于:可间隔式出炉与连续式加料的操作特点，从而大大简化了设备结构，提高了设备利用率，该设备作为冶金新工 艺流程中的一个重要工序，具有独特的优势。
【文档编号】C01B33/037GK103896275SQ201210576186
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】潘健武, 苏善存 申请人:苏州晶科新能源装备科技有限公司