一种硅熔体炉外精炼的装置及其方法与流程

本发明涉及一种硅熔体炉外精炼的装置及其方法，属于提纯工业硅技术领域。

背景技术：

工业硅产业是整个硅产业链的源头和基础产业。多晶硅及光伏产业是近年来发展最快，最具有发展前景的产业。工业硅产业和多晶硅及光伏产业是同属于硅产业链的上下游产品行业，在数量和质量间制约紧密。我国是工业硅的生产大国，2016年我国工业硅产量为225.20万吨，同比增长4.74％。

光伏产业的迅速发展，多晶硅太阳能电池的需求日益增长，铝硅合金、有机硅的较快发展，这些都带动工业硅的快速发展,其市场需求增加也日益显著。科技生产发展的同时，市场对工业硅的质量要求也越来越高，现有的工业硅生产技术已逐渐满足不了市场要求。因此，如何去除工业硅中更多杂质，制备高纯工业硅成为每个生产产家重点关注的问题。在工业生产中，工业硅厂最常用的除杂方法是在抬包中对矿热炉出来的硅熔体进行炉外精炼。张安福等人(专利申请号：201110127717)通过底吹压缩空气和氧气以及附加精炼脱硫剂钙石，使硅液中的铝加速氧化，形成氧化渣，有效除去了杂质al含量，提高了工业硅产品质量。周继红等人(专利申请号：201510654085)通过先吹氧精炼，再适时加入一定比例的镁盐和钠盐混合成的组合絮剂，有效将冶金级硅提升到化学级硅的品级。可以看出，吹气精炼和造渣精炼能有效除去工业硅中部分杂质，提高硅产品质量。

实际上，发明的炉外精炼技术中使用的抬包底部只有一个喷嘴。在实际生产中，一个喷嘴的底吹精炼既会使硅熔体搅拌不充分，硅熔体内成分不均匀，从而影响产品质量，又造成精炼时间较长，热量损失多，最终影响产量，增加能耗。采用合理位置布置的双喷嘴抬包进行炉外精炼，能在不过多增加基建投资下，有效解决上述问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种硅熔体炉外精炼的装置及其方法。本发明的装置在精炼中采用底部双喷嘴特制抬包来强化炉外精炼，本发明通过以下技术方案实现。

一种硅熔体炉外精炼的装置，所述抬包底2设置两个气体喷嘴3，两个喷嘴3圆心和抬包底部圆心呈现的夹角θ满足：90°≤θ≤180°；两个喷嘴3圆心与抬包底部圆心的距离1、喷嘴3半径r和抬包底2半径r之间的关系为：其中

一种硅熔体炉外精炼的装置的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、向抬包底2设置两个气体喷嘴3中持续通入压缩空气或者精炼气体，向抬包中放入矿热炉冶炼出的硅熔体，随着抬包内释放硅熔体的增加，加入精炼剂，并调节通入精炼气体成分和流量，进行炉外吹气、造渣精炼；

步骤2、硅熔体炉外精炼完毕后，扒开硅熔体表面的浮渣，实现渣硅分离后，进行硅熔体的浇注，获得高纯工业硅产品。

所述步骤1通入精炼气体流量为0.5～15m³/h，压力为1～15mpa，通气时间为0.3～8h。上述精炼气体包括但不限于：空气、富氧空气、水蒸气等中一种或几种气体任意比例的混合气体。

所述步骤1精炼剂加入量与硅熔体质量比为20：1～1：20。精炼剂的加入方式包括：一次性加入、分批次加入等；精炼剂为硅熔体精炼通用精炼剂，包括但不限于：cao、caf2、sio2、第ⅰ和ⅱ主族碱金属化合物等中一种或多种精炼剂任意比例的混合精炼剂。

本发明旨在解决使用现有抬包进行炉外精炼时，抬包内硅熔体搅拌不充分，存在搅拌死角，导致包内熔体质量不均匀；精炼时间长，硅熔体热量损失多，从而影响产量的现实问题。在充分研究工业硅炉外精炼的的工艺特点和实际工况后，本发明直接对抬包进行改造，通过在抬包底部适当位置设置两个喷嘴，各自配置独立的吹气系统，进行造渣、吹气联合精炼，很好的利用硅熔体的热量，提高了产品质量，其中al、ca、ti、c杂质含量较之前显著降低。

本发明所述的方法在于采用底部双喷嘴特制抬包进行吹气、造渣精炼。在此炉外精炼过程中，可以根据特制抬包内硅熔体量的多少，硅熔体的喷溅情况，合理调整每个喷嘴的气体流量、气体压力和气体成份，使得特制抬包内硅熔体无流动“死区”，实现精炼时间较短、精炼效率较高的精炼过程。本发现具有精炼效果好、生产效率高、基建投资少，环境无污染，易于大规模工业化应用等特点。

本发明具有的优点：

(1)精炼效果好：在本发明的双喷嘴特制抬包中进行炉外精炼，保证了特制抬包内硅熔体的动力学条件，消除了搅拌死角，有效的提高了硅产品质量。

(2)生产效率高；炉外精炼采用本发明的特制抬包进行吹气、造渣精炼，通过调节每个喷嘴的气体流量、气体压力，两个喷嘴间断或同时喷吹等操作，对工业硅熔体实现高效率提纯。

(3)基建投资少；本发明只需对抬包进行合理改造，在抬包底部的特定位置安装两个喷嘴，增加一个独立的吹气系统，设备简单，方便可行。

(4)环境无污染；由于此过程不会产生二次污染，对环境压力小，因此能实现绿色冶金。

附图说明

图1是本发明实施例1装置结构图；

图2是本发明实施例1装置具体尺寸结构图；

图3是本发明实施例2装置具体尺寸结构图；

图4是本发明实施例3装置具体尺寸结构图。

图中：1-抬包口，2-抬包底，3-喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，该硅熔体炉外精炼的装置，所述抬包底2设置两个气体喷嘴3，两个喷嘴3圆心和抬包底部圆心呈现的夹角θ为120°(满足：90°≤θ≤180°)；两个喷嘴3圆心与抬包底部圆心的距离1均为0.5r、喷嘴3半径r为0.2r，满足其中

该硅熔体炉外精炼的装置的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、向抬包底2设置两个气体喷嘴3中持续通入压缩空气(压缩空气的流量为8m³/h)，向抬包中放入矿热炉冶炼出的硅熔体(主要包括以下质量百分比组分：96％si、0.8％al、3％ca)，随着抬包内释放硅熔体的增加，加入质量比为10：1：10的sio2、caf2和al2o3精炼剂(精炼剂加入量与硅熔体质量比为20：1)，并将两个气体喷嘴3改通富氧空气(氧气与空气体积比为9：1，通入的富氧空气压力为5mpa，流量为10m³/h)，进行炉外吹气、造渣精炼0.3h(即通气时间为0.3h)；

步骤2、硅熔体炉外精炼完毕后，扒开硅熔体表面的浮渣，实现渣硅分离后，进行硅熔体的浇注，获得高纯工业硅产品。

本实施例制备得到的工业硅产品中al含量<0.1wt％，ca含量<0.02wt％，硅含量为99.6％。现有常规的硅熔体炉外精炼提纯的设备(仅在抬包底部中间位置设置喷嘴1)在与本实施例相同的参数条件下制备得到的硅产品中al含量<0.3wt％，ca含量<0.04wt％，硅含量为99.3％，明显可以看出本申请的工业硅熔体炉外精炼提纯的设备al、ca、ti、c等杂质含量被高效去除，提高了精炼效果。

实施例2

如图3所示，该硅熔体炉外精炼的装置，所述抬包底2设置两个气体喷嘴3，两个喷嘴3圆心和抬包底部圆心呈现的夹角θ为90°(满足：90°≤θ≤180°)；两个喷嘴3圆心与抬包底部圆心的距离1均为0.3r、喷嘴3半径r为0.2r，满足其中

该硅熔体炉外精炼的装置的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、向抬包底2设置两个气体喷嘴3中持续通入压缩空气(压缩空气的流量为8m³/h)，向抬包中放入矿热炉冶炼出的硅熔体(主要包括以下质量百分比组分：96％si、0.8％al、3％ca)，随着抬包内释放硅熔体的增加，加入质量比为10：1：2的nao、caf2和al2o3精炼剂(精炼剂加入量与硅熔体质量比为1：20)，并将两个气体喷嘴3改通水蒸气(通入的水蒸气压力为15mpa，流量为0.5m³/h)，进行炉外吹气、造渣精炼2h(即通气时间为2h)；

步骤2、硅熔体炉外精炼完毕后，扒开硅熔体表面的浮渣，实现渣硅分离后，进行硅熔体的浇注，获得高纯工业硅产品。

本实施例制备得到的工业硅产品中al含量<0.1wt％，ca含量<0.01wt％，b<10ppm，硅含量为99.6％。现有常规的硅熔体炉外精炼提纯的设备(仅在抬包底部中间位置设置喷嘴1)在与本实施例相同的参数条件下制备得到的硅产品中al含量<0.2wt％，ca含量<0.04wt％，硅含量为99.3％，明显可以看出本申请的工业硅熔体炉外精炼提纯的设备al、ca、ti、c等杂质含量被高效去除，提高了精炼效果。

实施例3

如图4所示，该硅熔体炉外精炼的装置，所述抬包底2设置两个气体喷嘴3，两个喷嘴3圆心和抬包底部圆心呈现的夹角θ为180°(满足：90°≤θ≤180°)；两个喷嘴3圆心与抬包底部圆心的距离1均为0.7r、喷嘴3半径r为0.2r，满足其中

该硅熔体炉外精炼的装置的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、向抬包底2设置两个气体喷嘴3中持续通入压缩空气(压缩空气的流量为12m³/h)，向抬包中放入矿热炉冶炼出的硅熔体(主要包括以下质量百分比组分：96％si、0.8％al、3％ca)，随着抬包内释放硅熔体的增加，加入质量比为cao：mgo：caf2＝6：3：1精炼剂(精炼剂加入量与硅熔体质量比为10：1)，并将两个气体喷嘴3改通体积比为1:1的氢气和氮气混合气体(通入的混合气体压力为1mpa，流量为15m³/h)，进行炉外吹气、造渣精炼8h(即通气时间为8h)；

步骤2、硅熔体炉外精炼完毕后，扒开硅熔体表面的浮渣，实现渣硅分离后，进行硅熔体的浇注，获得高纯工业硅产品。

本实施例制备得到的工业硅产品中al含量<0.08wt％，ca含量<0.005wt％，b<8ppm，硅含量为99.7％。现有常规的硅熔体炉外精炼提纯的设备(仅在抬包底部中间位置设置喷嘴1)在与本实施例相同的参数条件下制备得到的硅产品中al含量<0.2wt％，ca含量<0.02wt％，硅含量为99.4％，明显可以看出本申请的工业硅熔体炉外精炼提纯的设备al、ca、ti、c等杂质含量被高效去除，提高了精炼效果。

实施例4

该硅熔体炉外精炼的装置，所述抬包底2设置两个气体喷嘴3，两个喷嘴3圆心和抬包底部圆心呈现的夹角θ为150°(满足：90°≤θ≤180°)；两个喷嘴3圆心与抬包底部圆心的距离1均为喷嘴3半径r为满足其中

该硅熔体炉外精炼的装置的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、向抬包底2设置两个气体喷嘴3中持续通入压缩空气(压缩空气的流量为15m³/h单位)，向抬包中放入矿热炉冶炼出的硅熔体(主要包括以下质量百分比组分：96％si、0.8％al、3％ca)，随着抬包内释放硅熔体的增加，加入cao：mgo：caf2＝6：3：1精炼剂(精炼剂加入量与硅熔体质量比为1：10)，并将两个气体喷嘴3改通体积比为1:1:1的氢气、水蒸汽和氮气混合气体(通入的混合气体压力为5mpa，流量为10m³/h)，进行炉外吹气、造渣精炼2h(即通气时间为2h)；

步骤2、硅熔体炉外精炼完毕后，扒开硅熔体表面的浮渣，实现渣硅分离后，进行硅熔体的浇注，获得高纯工业硅产品。

本实施例制备得到的工业硅产品中al含量<0.06wt％，ca含量<0.005wt％，b<8ppm，硅含量为99.7％。现有常规的硅熔体炉外精炼提纯的设备(仅在抬包底部中间位置设置喷嘴1)在与本实施例相同的参数条件下制备得到的硅产品中al含量<0.2wt％，ca含量<0.015wt％，硅含量为99.5％，明显可以看出本申请的工业硅熔体炉外精炼提纯的设备al、ca、ti、c等杂质含量被高效去除，提高了精炼效果。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。