专利名称：一种液固分离定向凝固歧化反应炉的制作方法
技术领域：
本实用新型属于硅的纯化的技术领域，具体涉及到一种在歧化反应制取太阳能级多晶硅的过程中能够同时将一氧化硅歧化反应后的液态硅与固态二氧化硅进行液固分离并定向凝固以去除硅中金属杂质的歧化反应炉。
背景技术：
采用歧化反应法制取太阳能级多晶硅是本发明人多年来精心研究所取得的重大成果，为此曾先后申请过多项中国专利，其中主要的有ZL200710012825.5《一种太阳能电池用多晶硅制造方法》、CN101880044A《一种太阳能级硅的歧化反应制取法》和ZL201010107833.X《一种联体式真空高温歧化反应装置》。这些专利成功地利用一氧化硅歧化反应生成液态的高纯硅和固态二氧化硅微粉，但是采用固一液分离筛板对硅和二氧化硅进行液固分离时，感到效率和效果都还不够理想。经我们检索相关专利时，发现虽然也有的专利提到过液固分离步骤，但却都是仅仅一笔含糊带过，并没有给出具体的技术方案。事实上，虽然硅与二氧化硅其熔点相差接近摄氏三百度，但由于两者的比重极为接近，而且所析出的二氧化硅既是微粉；又是弥散分布在硅液内，这使得两者的分离显得极为困难。中国专利ZL98813207.9《高纯硅的制造方法及装置》虽然在其权利要求3中提到过“将生成的液体硅在液态下与固体一氧化硅和/或二氧化硅分离。”但在其发明说明书〔见该说明书中(生成的硅的分离方法)〕中，也只是含糊地说:“在硅熔点1412°C以上温度下，硅可以自然溶出分离。”“如果在热处理容器下部设置能够以液态取出熔融硅，则也可以使熔融硅以滴下方式分离。”使人难以理解的是，他们后面具体介绍的却是两种将固体硅与固体一氧化硅和/或二氧化硅分离的方法，其中一种方法是将反应后的固态生成物破碎进行筛分；另一种方法则是用氢氟酸溶解固态一氧化硅和/或二氧化硅，分离硅。事实上，经过我们的研究考察，由于氢氟酸具有极强的腐蚀性和毒性，用氢氟酸来分离硅与二氧化硅，会对环境产生极大污染，工业上不宜推广；而如前所述因析出的固态二氧化硅颗粒极小，分布又很分散，`无论是采用破碎筛分或者依靠单纯的自然分离的手段，对于规模化的工业化生产来说，显然也是不可行的！看来，他们并没有解决好一氧化硅歧化反应后硅与二氧化硅液固分离的问题。如果不能很好地解决液态硅与固态二氧化硅分离的问题，就无法推广歧化反应法制取太阳能级多晶硅的创新工艺。为此，研究如何将一氧化硅歧化反应后的液态硅与固态二氧化硅进行液固分离是极为重要的。此外，在实际生产的过程中，我们还发现，由于原料的成分不可能保证完全一致，有时候会遇到原料中金属杂质偏高的情况。如果这样，在歧化反应获得低硼、低磷的多晶硅之后，还必需再增加一道去除金属杂质的工序。如何去除硅中的金属杂质，最简便的方法便是采用定向凝固的工艺。中国专利ZL201010609932.8公开了《一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法》，但它主要是解决坩锅对硅体的污染问题；中国专利申请案CN102485970A报导了《一种定向凝固制备太阳能级多晶硅锭的方法》，它采用金属发热体和加热坩锅，也是为了解决多晶硅的碳污染和石墨坩锅使用寿命短的问题。而中国专利ZL200910010396.7所公开的《一种多功能真空一正压熔炼凝固设备》，它由互成90° 100°角放置的熔炼炉和定向凝固炉两部分组成，主要用于制备多孔金属材料。所有的上述这些装置均不适合于歧化反应生产太阳能级多晶硅的工艺流程采用，因为必需将定向凝固和电磁悬浮液固分离两者有机地结合起来，才能很好地完成采用歧化反应法制取太阳能级多晶硅的任务。
实用新型内容如前所述，本实用新型的目的就在于提供一种在歧化反应制取太阳能级多晶硅的过程中能够将一氧化硅歧化反应后的液态硅与固态二氧化硅进行液固分离并同时去除硅中残余金属杂质的装置，利用该装置设计新的高温歧化反应炉，可以连续地实现歧化反应法制取太阳能级硅的新工艺，取得大规模生产太阳能级多晶硅的效果。首先，本设计人深入地研究了液态硅与固态二氧化硅的物理性质上的差异后发现:第一，液态硅是导电体；在1450°C下其电阻率可降到80Χ1(Γ6Ω.cm ;而固态二氧化硅则是绝缘体，其电导率为零。第二，液态硅与固态二氧化硅两者是互不浸润的，它们之间不会发生粘连。正是基于上述两个物理特性，我们想到采用电磁悬浮技术，在强电磁作用下使导电的硅液悬浮在真空炉的空腔内，并使它不停的搅拌，而原本在硅液中的固态二氧化硅微粉，由于不导电、又与硅液不发生粘连，受到自身重力的作用下落，便会脱离硅液慢慢地坠入到坩埚底部，从而达到硅与二氧化硅液固分离的目的。其次，我们考虑到，在硅冶炼和凝固的过程中，对于其固一-液相的界面来说，当杂质在两相中的溶解度不一样时，它们在界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就出现所谓的杂质分凝现象。杂质的分凝现象通常用分凝系数来描述:“分凝系数”=(杂质在固相中的溶解度)/ (杂质在液相中的溶解度)。当杂质的分凝系数很小时，利用定向凝固的手段很容易将其驱赶到最后凝固的一段中去，只要将铸锭中杂质富集的那一段切掉，便可以实现去除杂质的目的。我们尝试通过考察硅中金属杂质的性质，即杂质类型和其分凝系数来寻找去除这些杂质的办法。表1:娃中金属杂质的基本性质
权利要求1.一种液固分离定向凝固歧化反应炉，包括炉盖、炉筒、炉底、加热装置、坩埚、电磁悬浮装置、水冷系统、真空系统和支架，其特征在于: (一)坩埚下方有升降机构和拉锭装置，坩埚上方有一氧化硅注入的进料装置； (二)加热装置分为两部分，分别设置在坩埚上方和下部外围，可将一氧化硅加热到1420°C 1500°C ； (三)坩埚中部外围安置有能产生使液态硅悬浮电磁场的直流强电磁线圈； (四)当坩埚上升至最高位置时，坩埚中的一氧化硅处在加热装置的均热区内；当坩埚下降至最低位置时，硅液的悬浮区在坩埚顶部的上方； (五)另设计有可向炉筒内充入保护气体的装置。
2.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的分为两部分的加热装置中，设置在坩锅上方的是等离子束；设置在坩锅下部外围的是交流感应线圈。
3.按权利要求2所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的交流感应线圈由一个以上的分线圈并联而成，各个分线圈均可按照硅液定向凝固的要求调节其加热电流。
4.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的坩锅是高纯石英坩锅或者高纯刚玉坩锅。
5.按权利要求4所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的坩锅是高纯石英坩锅，该坩锅座落在坩锅托盘和托盘升降机构上。
6.按权利要求4所述的液固分`离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的坩锅是高纯刚玉坩锅，该坩锅座落在坩锅托盘和托盘升降机构上。
7.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的直流强电磁线圈，磁感应强度为0.5 5T,方向与重力场相反。
8.按权利要求1所述的液固分离定向凝固歧化反应炉，其特征在于所说的可向炉壳内充入保护气体的装置是充氩气的系统，它可以向炉内充入最大约为100 350乇的高纯氩气。
专利摘要一种液固分离定向凝固歧化反应炉，包括炉盖、炉筒、炉底、加热装置、坩埚、电磁悬浮装置、水冷系统、真空系统和支架，其特征在于(一)坩埚下方有升降机构和拉锭装置，上方有一氧化硅注入的进料装置；(二)加热装置分为两部分，分别设置在坩埚上方和下部外围，可将温度升到1420℃～1500℃；(三)坩埚中部外围安置有能产生液态硅悬浮的电磁场的强直流电磁线圈；(四)当坩埚上升至最高位置时，一氧化硅处在加热装置的均热区内；当坩埚下降至最低位置时，悬浮的硅液处在坩埚顶部的上方；(五)另设计有向炉筒内充保护气体的装置。本液固分离定向凝固歧化反应炉，不仅可将一氧化硅反应后的高纯硅与二氧化硅分离除去硼和磷，还能有效的去除硅中的金属杂质，为太阳能的利用开拓新的局面，具有极大的社会效益和经济效益。
文档编号C01B33/039GK203144115SQ20132003727
公开日2013年8月21日 申请日期2013年1月10日 优先权日2012年3月2日
发明者李绍光 申请人:李绍光