冶金法制備太陽能級多晶硅的生產(chǎn)方法是我國走出硅原料依賴,發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路。冶金法生產(chǎn)太陽能級多晶硅的生產(chǎn)方法曾經(jīng)令國內(nèi)外業(yè)界人士感到震驚，在多晶硅市場經(jīng)過幾次震蕩后，使用冶金法生產(chǎn)多晶硅的企業(yè)幾乎不受影響，當(dāng)然國內(nèi)有不少企業(yè)停產(chǎn)觀望，由于該方法的核心技術(shù)發(fā)展的進程主要依靠上海普羅、寧夏發(fā)電集團、廈門佳科等大型企業(yè),發(fā)展至今，這幾家大型企業(yè)由于產(chǎn)業(yè)多元化的資金需求，停止了太陽能級多晶硅生產(chǎn)經(jīng)營。
冶金法制備太陽能級多晶硅的生產(chǎn)方法是我國走出硅原料依賴,發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路。冶金法生產(chǎn)太陽能級多晶硅的生產(chǎn)方法曾經(jīng)令國內(nèi)外業(yè)界人士感到震驚，在多晶硅市場經(jīng)過幾次震蕩后，使用冶金法生產(chǎn)多晶硅的企業(yè)幾乎不受影響，當(dāng)然國內(nèi)有不少企業(yè)停產(chǎn)觀望，由于該方法的核心技術(shù)發(fā)展的進程主要依靠上海普羅、寧夏發(fā)電集團、廈門佳科等大型企業(yè),發(fā)展至今，這幾家大型企業(yè)由于產(chǎn)業(yè)多元化的資金需求，停止了太陽能級多晶硅生產(chǎn)經(jīng)營。
冶金法關(guān)鍵技術(shù)對除硼、除磷、除碳、除氧工藝的研究，金屬雜質(zhì)的去除主要依靠傳統(tǒng)的定向凝固方法達(dá)到目的，在上述提及的工藝除雜方面，多晶硅的前期重點工藝為除硼工藝、坩堝壽命及產(chǎn)品出品率作為冶金法制備太陽能級多晶硅的重點研究內(nèi)容，除硼設(shè)備主要以中頻爐為主，由于硅屬于半導(dǎo)體材料的特性決定，在前期熔化具有一定的局限性，對此通過不斷實驗確定，石墨坩堝作為一種高效加熱材料，彌補了硅料在中頻爐內(nèi)前期熔化的缺陷；然而，石墨在持續(xù)高溫狀態(tài)的抗氧化以及壽命都屬于它本身的缺陷，在使用期間也無法改善，導(dǎo)致存在以下問題：現(xiàn)有技術(shù)中采用石墨坩堝打結(jié)的爐體熔煉硅的過程中，由于使用輔助爐襯材料為鎂砂，石墨與鎂砂的熱膨脹系數(shù)不一，造成在冶煉高溫過程中出現(xiàn)的坩堝固定缺陷及期間坩堝受力影響，對石墨坩堝的結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響；由于石墨具有極強的還原性，在1800℃以上會與氧化鎂發(fā)生還原反應(yīng)，此時爐襯會出現(xiàn)一定程度的熔池，隨著冶煉時間的不斷延長，熔池逐漸擴大，爐體感應(yīng)線圈出現(xiàn)不同程度短路，造成控制系統(tǒng)電器原件的大量損壞使冶煉不能正常進行，在冶煉后期，坩堝出現(xiàn)漏硅發(fā)生的感應(yīng)線圈損壞情況下，硅液與水接觸后瞬間出現(xiàn)大量蒸汽，坩堝底部受到蒸汽壓力，坩堝會出現(xiàn)上移，嚴(yán)重時坩堝直接從爐體中脫引而出，造成極大的安全隱患；石墨坩堝運行時間平均不足100小時，石墨坩堝的運行成本占據(jù)整個運行成本一半以上，由于受中頻爐感應(yīng)線圈限制，配套石墨坩堝容積小，使設(shè)備整體產(chǎn)能無法得到正常釋放，造成生產(chǎn)效率低，單位公斤能耗增高；隨著中頻爐設(shè)備產(chǎn)生的增加，石墨坩堝完全不能滿足設(shè)備發(fā)展的需求，制約冶金法生產(chǎn)多晶硅發(fā)展。使用石墨坩堝在熔煉硅的過程中，會增加硅中碳元素含量。
有鑒于此，有必要提供一種利用中頻爐冶煉工業(yè)硅的方法，該利用中頻爐冶煉工業(yè)硅的方法安全可靠，能夠降低生產(chǎn)成本且減少碳元素進入工業(yè)硅的機率。
一種利用中頻爐冶煉工業(yè)硅的方法，包括以下步驟：
筑爐：將1mm～3mm的剛玉顆粒55份、α剛玉微粉40份、釬維素1份、糊精2份、鋁酸鈣水泥1份、耐火土1份混合均勻后，按照4.5～5.5kg/100kg的水進行攪拌，以獲得配置剛玉澆注料；使用耐高溫云母紙將涂有絕緣膠泥的感應(yīng)線圈鋪設(shè)在中頻爐的爐體內(nèi)的底部，完成鋪設(shè)后，澆筑剛玉澆注料并使用振動棒對爐底進行打結(jié)，按照爐膛深度確定將底部打結(jié)完成后，將表面纏有瓦楞紙的模具安裝在爐膛中并進行固定，完成固定后，將剛玉澆注料澆注在爐壁與纏有瓦楞紙的模具之間的間隙中并進行打結(jié)，打結(jié)時使用振動棒將對剛玉澆注料進行振打以排出剛玉澆注料中的氣體，每次振打時間為2～8分鐘；
在室溫20～35℃下陰干24小時，將纏有瓦楞紙的模具取出，中頻爐的爐體內(nèi)的剛玉澆注料形成熔煉坩堝，按照以下烘烤工藝對熔煉坩堝進行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進行烘烤；260℃以上時使用石墨電極加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時保溫3小時后投料；
熔煉：向爐內(nèi)投入預(yù)定量硅料進行熔化，熔煉坩堝內(nèi)的硅料出現(xiàn)熔化跡象或有硅液滲透到物料上表面時，將爐內(nèi)石墨電極取出；當(dāng)投入的預(yù)定量硅料完全熔化后，進行渣洗熔煉，渣洗渣料為二氧化硅、碳酸鈉，將這兩種物料各按照1：1混合均勻后，且渣洗渣料的質(zhì)量與預(yù)定量硅料的質(zhì)量比為1：3，依次投入爐內(nèi)熔化，待熔化完成30分鐘后，將硅液表面殘留的渣液使用扒渣器具扒出，重復(fù)3～5次，將硅液導(dǎo)入澆包后導(dǎo)出冷卻后獲得工業(yè)硅。
冶煉第一爐完成后，將爐內(nèi)硅液倒出一半，爐內(nèi)剩余物料作為下一爐的熱源，再此按照上述熔煉步驟進行冶煉。
當(dāng)熔煉坩堝運爐次達(dá)到8～10爐時，使用檢測器具測量爐底厚度，以確定爐底是否需要進行修復(fù)，在確定爐底需要進行修復(fù)時，將爐內(nèi)硅液全部倒入澆包內(nèi)，待爐溫降至20～35攝氏度時，將爐底殘留的剛玉以外的殘渣清理干凈，使用所述剛玉澆注料對爐底修復(fù)及按照筑爐步驟中的烘烤工藝進行烘烤。
利用中頻爐冶煉工業(yè)硅的方法中，將1mm～3mm的剛玉顆粒55份、α剛玉微粉40份、釬維素1份、糊精2份、鋁酸鈣水泥1份、耐火土1份混合均勻后，按照4.5～5.5kg/100kg的水進行攪拌，以獲得配置剛玉澆注料，使用耐高溫云母紙將涂有絕緣膠泥的感應(yīng)線圈鋪設(shè)在中頻爐的爐體內(nèi)的底部后打結(jié)，按照爐膛深度確定將底部打結(jié)完成后，將表面纏有瓦楞紙的模具安裝在爐膛中并進行固定，將剛玉澆注料澆注在爐壁與纏有瓦楞紙的模具之間的間隙中并進行打結(jié)，每次振打時間為2～8分鐘，在室溫20～35℃下陰干24小時，將纏有瓦楞紙的模具取出，中頻爐的爐體內(nèi)的剛玉澆注料形成熔煉坩堝，按照以下烘烤工藝對熔煉坩堝進行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進行烘烤；260℃以上時使用石墨電極加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時保溫3小時后投料，向爐內(nèi)投入原料300kg進行熔化，熔煉坩堝內(nèi)的硅料出現(xiàn)熔化跡象或有硅液滲透到物料上表面時，將爐內(nèi)石墨電極取出；當(dāng)投入的300kg硅料完全熔化后，進行渣洗熔煉，渣洗渣料為二氧化硅、碳酸鈉，將這兩種物料各50kg混合均勻后，依次投入爐內(nèi)熔化，待熔化完成30分鐘后，將硅液表面殘留的渣液使用扒渣器具扒出，重復(fù)3～5次，將硅液導(dǎo)入澆包后導(dǎo)出冷卻后獲得工業(yè)硅，如此降低了因不同材質(zhì)耐火材料的熱膨脹系數(shù)不一造成坩堝、爐襯損壞的概率，由于剛玉澆注料屬于不導(dǎo)電類型材料，避免了石墨坩堝因洛倫磁力或蒸汽壓力導(dǎo)致的坩堝上下跳動或從爐膛內(nèi)部飛出的安全隱患；因剛玉澆筑料在1900℃以下的熱穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)澆注料熔池熔化現(xiàn)象，避免線圈匝間短路造成設(shè)備二次損壞；由于剛玉澆注料的品質(zhì)和筑爐工藝的保證，延長了使用壽命及減少了石墨坩堝在爐膛占有的空間，增加每爐次的產(chǎn)量及降低了生產(chǎn)成本，同時降低了生產(chǎn)出的產(chǎn)品中碳元素的帶入，有效的杜絕產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的二次污染。
