冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)方法是我國(guó)走出硅原料依賴,發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路。冶金法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)方法曾經(jīng)令國(guó)內(nèi)外業(yè)界人士感到震驚，在多晶硅市場(chǎng)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(guó)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(jìn)程主要依靠上海普羅、寧夏發(fā)電集團(tuán)、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(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。
冶金法制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)方法是我國(guó)走出硅原料依賴,發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽(yáng)能級(jí)多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路。冶金法生產(chǎn)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的生產(chǎn)方法曾經(jīng)令國(guó)內(nèi)外業(yè)界人士感到震驚，在多晶硅市場(chǎng)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(guó)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(jìn)程主要依靠上海普羅、寧夏發(fā)電集團(tuán)、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(yáng)能級(jí)多晶硅生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。
冶金法關(guān)鍵技術(shù)對(duì)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(diǎn)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(yáng)能級(jí)多晶硅的重點(diǎn)研究?jī)?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(duì)此通過不斷實(shí)驗(yàn)確定，石墨坩堝作為一種高效加熱材料，彌補(bǔ)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(wú)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(duì)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(qiáng)的還原性，在1800℃以上會(huì)與氧化鎂發(fā)生還原反應(yīng)，此時(shí)爐襯會(huì)出現(xiàn)一定程度的熔池，隨著冶煉時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，熔池逐漸擴(kuò)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(jìn)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(huì)出現(xiàn)上移，嚴(yán)重時(shí)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(yùn)行時(shí)間平均不足100小時(shí)，石墨坩堝的運(yùn)行成本占據(jù)整個(gè)運(yùn)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(wú)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(huì)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(jìn)入工業(yè)硅的機(jī)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(jìn)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(dòng)棒對(duì)爐底進(jìn)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(jìn)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(jìn)行打結(jié)，打結(jié)時(shí)使用振動(dòng)棒將對(duì)剛玉澆注料進(jìn)行振打以排出剛玉澆注料中的氣體，每次振打時(shí)間為2～8分鐘；
在室溫20～35℃下陰干24小時(shí)，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(duì)熔煉坩堝進(jìn)行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進(jìn)行烘烤；260℃以上時(shí)使用石墨電極加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)保溫3小時(shí)后投料；
熔煉：向爐內(nèi)投入預(yù)定量硅料進(jìn)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(shí)，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(jìn)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(jìn)行冶煉。
當(dāng)熔煉坩堝運(yùn)爐次達(dá)到8～10爐時(shí)，使用檢測(cè)器具測(cè)量爐底厚度，以確定爐底是否需要進(jìn)行修復(fù)，在確定爐底需要進(jìn)行修復(fù)時(shí)，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(shí)，將爐底殘留的剛玉以外的殘?jiān)謇砀蓛簦褂盟鰟傆駶沧⒘蠈?duì)爐底修復(fù)及按照筑爐步驟中的烘烤工藝進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行打結(jié)，每次振打時(shí)間為2～8分鐘，在室溫20～35℃下陰干24小時(shí)，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(duì)熔煉坩堝進(jìn)行烘烤；260℃以下使用電阻式加熱棒進(jìn)行烘烤；260℃以上時(shí)使用石墨電極加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)保溫3小時(shí)后投料，向爐內(nèi)投入原料300kg進(jìn)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(shí)，將爐內(nèi)石墨電極取出；當(dāng)投入的300kg硅料完全熔化后，進(jìn)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(dòng)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(huì)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(zhǎng)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(shí)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。
