專利名稱：定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用于冶金法生產(chǎn)太陽能多晶硅過程的定向凝固提純，特別是指ー種定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備。
背景技術：
利用定向凝固的分凝效應提純除雜是冶金法太陽能多晶硅生產(chǎn)的重要技術之一。市場上現(xiàn)有多晶硅鑄錠爐大多為450kg/爐傳統(tǒng)設備(如美國的GT爐，德國的ALD爐)，造價較高，而且在大容量技術方面無成熟的設備和エ藝，應用于太陽能多晶硅冶金硅料提純尚存在諸多問題。另外，現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐面向電池片用硅料的鑄錠，其エ藝流程包括裝料、熔化、保溫、長晶、退火、冷卻等，對定向凝固的組織結構要求極為苛刻，而冶金法生產(chǎn)太 陽能多晶硅エ藝用鑄錠爐目的是提純，對凝固組織結構要求低。國內現(xiàn)在也有造價便宜的提純用鑄錠設備在使用，雖然在成本方面具有優(yōu)勢，但其產(chǎn)品品質均質性差，成品率低，容量小。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種低運行成本，大容量、低投入的，成品率較高的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是
一種定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其包括ー側面具有活動門的爐體及可活動進出爐體的臺車，臺車上設置保溫隔熱層并承托ー錠模，在臺車的下部設有活動輪；而爐體內壁上設置保溫隔熱層，在爐體上設置散熱通風管，另在爐體上設置有熱電偶，而爐體的爐膛頂部設置加熱硅碳棒，所述的熱電偶及加熱硅碳棒電連接爐體外的控制系統(tǒng)。所述爐體包括外部鋼構架及保溫隔熱，保溫隔熱層通過錨固件而固定于鋼構架上形成爐體。所述爐體頂部內表面用陶瓷螺栓錨固一層陶瓷板。所述鋼構架下部設有臺車導軌。所述的保溫隔熱層為多晶陶瓷纖維。所述熱電偶包括設置在爐體上部的頂部熱電偶及設置在爐體下部的底部熱電偶。所述的臺車下部設有風冷裝置和測溫熱偶。所述的臺車周圍布置有高溫金屬導線并與外部的傳感器連接。所述的錠模下方設有散熱方梁。所述的錠模包括由氮化硅結合碳化硅構成的外套及石墨內坩堝。采用上述方案后，本發(fā)明的設備具有如下特點
O.采用梭式臺車，全保溫隔熱層的爐膛，較傳統(tǒng)磚砌爐型節(jié)能約三分之ニ，且升降溫速度快，生產(chǎn)效率高，使用壽命長；
2).澆鑄爐預熱后，將臺車拉出，在爐外進行硅液澆鑄，待澆鑄完畢后，再將臺車送入爐內，然后對硅液進行保溫，使其實現(xiàn)定向凝固；
3).爐膛頂部帶加熱器和控溫熱偶，可實現(xiàn)爐膛預熱，坩堝涂層燒結，同時在定向凝固時可對爐內的溫度梯度實現(xiàn)精確控制；
4).臺車下部有的風冷裝置和測溫熱偶，可實現(xiàn)對坩堝底部進行控制冷卻，進而在坩堝內部形成可控的溫度梯度，實現(xiàn)良好的定向凝固速度；
5).在臺車周圍布置高溫金屬導線并與外部傳感器相連，一旦發(fā)生硅液泄漏，則金屬線熔斷后電阻率升高，傳感器迅速發(fā)出報警信號，切斷加熱電流，實施緊急冷卻，可以保護設備及操作人員的人身安全；
6).爐體設計有氣體通道，采用惰性氣體對硅錠進行保護性長晶凝固或加快冷卻速
度； 7).硅碳棒加熱，成本低，使用壽命長，維護簡單；
8).硅錠冷卻完畢后，將臺車推出，拆卸坩堝，用專用夾具移走硅錠，簡單方便；
9).外層坩堝主要起支撐和防止硅液泄漏的作用，采用氮化硅結合碳化硅材料進行拼接而成，可重復利用，坩堝蓋板材料亦采用氮化硅結合碳化硅材料。


圖I為本發(fā)明臺車與爐體分離的主視 圖2為本發(fā)明臺車與爐體分離的俯視 圖3為圖2的A-A向剖視 圖4為本發(fā)明臺車與爐體組合的主視 圖5為本發(fā)明臺車與爐體組合的俯視 圖6為圖5的B-B向剖視 圖7為圖6的C-C向剖視 圖8為本發(fā)明臺車與爐體組合的側視 圖9為本發(fā)明錠模的橫向剖視圖。
具體實施例方式如圖I至圖9所示，本發(fā)明掲示了一種定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其包括爐體I與臺車5 ;
該爐體I由鋼結構12及由兩種不同使用溫度的保溫隔熱層2，此處為多晶陶瓷纖維錨固在鋼結構12上形成爐體，此兩種多晶陶瓷纖維是內層使用1800型，外層使用1400型；在爐體I內表面用陶瓷螺栓錨固一層陶瓷板13，在爐體I的側面設有一活動門14，另在鋼結構12的底部設有導軌9 ；
所述的臺車5上設置保溫隔熱層6并承托ー錠模4，當然該保溫隔熱6與上述的保溫隔熱層2采用相同材質與結構。在臺車5的下部還設置風冷裝置和測溫熱偶(圖中未示出)，同時在臺車5周圍布置有高溫金屬導線并與外部的傳感器連接，而臺車5的下部設有在導軌9的移動的滾輪51。所述爐體I上還設置散熱通風管8，另在爐體I上部設置頂部熱電偶10及在爐體I下部設置底部熱電偶11上設置有熱電偶，而爐體I的爐膛頂部設置加熱硅碳棒3，即硅碳棒3是布置在錠模4的上部，所述的頂部熱電偶10、底部熱電偶11及加熱硅碳棒3電連接爐體I外的控制系統(tǒng)。所述的錠模4的下方設有散熱方梁7,并該錠模4包括由氮化娃結合碳化娃構成的外套41及石墨內坩堝42。如此結構的本發(fā)明設備，是將整個爐體I設計成為梭式臺車5，外部為鋼結構12的形式，而通過耐熱不銹鋼錨固件將多晶陶瓷纖維構成的保溫隔熱層2錨固在鋼結構12上，然后在爐體I內表面用陶瓷板13，這樣做的目的是為了在滿足エ藝的條件下盡量降低爐膛造價，并且防止保溫材料脫落污染硅料，使用全纖維爐膛的優(yōu)點是爐膛升溫降溫速度快，蓄熱少，在節(jié)能方面優(yōu)勢明顯，頂部使用全纖維頂蓋，比現(xiàn)在常用的耐火磚做拱頂更具保溫優(yōu)勢。另外，全纖維爐膛可在大氣環(huán)境中使用，比現(xiàn)有鑄錠爐的碳纖維更具適應性?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)鑄錠爐熱場使用碳素材料，只能用于真空條件或惰性氣體保護環(huán)境 下，而本發(fā)明設備中的硅碳棒3布置在錠模4上部，而硅碳棒3能在滿足溫度需要的條件下在低氧的富氬環(huán)境下使用。這些優(yōu)點都使目前的鑄錠設備擺脫了真空的要求。再有錠模4采用雙層結構，內錠模使用石墨坩堝42，為防止污染和脫模在內壁刷涂氮化硅涂層，外錠模套41使用氮化硅結合碳化硅方梁材質，作為防護層，支撐石墨坩堝，防止漏娃，氮化娃結合碳化娃i甘禍內尺寸1800*1500*450mm。在外錠模底部加裝通風冷卻裝置，通過頂部，底部的熱電偶的反饋信號，對硅錠底部的通風量以及硅鑰棒的加熱功率進行精確控制，保證硅錠定向凝固的溫度梯度。為了達到定向凝固除雜的目的，其本發(fā)明設備的工作流程為
I、在熔煉エ位處，將硅料在中頻爐中熔化，中頻爐選用500kg — 1500kg容量，其過程包括通氣。2、在鑄錠エ位處，在硅料熔化的同吋，將錠模推進爐體I中進行預熱，預熱溫度1300度，保溫2h。3、預熱完畢后，通過軌道系統(tǒng)將梭式臺車5拖出，中頻爐機械傾爐，進行澆鑄，澆鑄完畢后立即推入鑄錠爐爐膛，進入鑄錠環(huán)節(jié)，同時在爐膛內充入氬氣并升溫。4、在鑄錠過程中，爐體I頂部熱電偶10溫度保持在1430— 1550°C之間。爐體I底部熱電偶11保持在1420— 1350°C之間。在整個鑄錠過程中，隨著熱電偶的溫度的反饋信號，由邏輯器件控制控制錠模4底部通風管8的通風量及硅碳棒3的加熱功率。為保證控溫精度，通風裝置由變頻風機控制，凝固速率設定為6—15mm/h，凝固時間26h。5、硅錠尺寸1500*1200*300，重量I. 25噸；外側氮化硅結合碳化硅外套41緊貼石墨坩堝42，通過機械咬合進行加固，裝料量為75-80%，在凝固結束后，通過軌道位置，將臺車5拉出爐腔取錠，拆除氮化硅結合碳化硅外套41，并且保證外套41不損壞，再分解石墨內坩堝42取錠，最后通過金剛石刀或線切割工具切除自上而下硅錠總高10-15%的雜志富集區(qū)及硅錠表皮。6、具體技術指標
1).硅錠尺寸1500*1200*300，重量I.25噸
2).常用工作溫度1450°C；
3).最大加熱功率120Kw(3Φ 380V);
4).空爐升溫時間彡6h;5).生產(chǎn)周期彡45h;
6).成品合格率75%
7).設備占地尺寸3100L*2650W*1850H;
8).設備安裝尺寸7000L*3500ff*2500H;
7、技術路線特點
0.采用梭式爐型，全纖維爐膛，較傳統(tǒng)磚砌爐型節(jié)能約三分之ニ，且升降溫速度快，生產(chǎn)效率高，使用壽命長； 2).澆鑄爐預熱后，將臺車5拉出，在爐體I外進行硅液澆鑄，待澆鑄完畢后，再將臺車5送入爐體I內，然后對硅液進行保溫，使其實現(xiàn)定向凝固；
3).爐膛頂部帶加熱器和控溫熱偶，可實現(xiàn)爐膛預熱，坩堝涂層燒結，同時在定向凝固時可對爐內的溫度梯度實現(xiàn)精確控制；
4).臺車5下部有的風冷裝置和測溫熱偶，可實現(xiàn)對坩堝底部進行控制冷卻，進而在坩堝內部形成可控的溫度梯度，實現(xiàn)良好的定向凝固速度；
5).在臺車5周圍布置高溫金屬導線并與外部傳感器相連，一旦發(fā)生硅液泄漏，則金屬線熔斷后電阻率升高，傳感器迅速發(fā)出報警信號，切斷加熱電流，實施緊急冷卻，可以保護設備及操作人員的人身安全。6).爐體I設計有氣體通道8，采用惰性氣體對硅錠進行保護性長晶凝固或加快冷卻速度；
7).硅碳棒3加熱，成本低，使用壽命長，維護簡單；
8).硅錠冷卻完畢后，將臺車5推出，拆卸錠模4，用專用夾具移走硅錠，簡單方便；
9).錠模4的外套41對內層坩堝42主要起支撐和防止硅液泄漏的作用，采用氮化硅結合碳化硅材料進行拼接而成，可重復利用，坩堝蓋板材料亦采用氮化硅結合碳化硅材料；目前大尺寸耐火材料成型困難，只能采用扁方梁進行拼接，側板用的方梁1800*150*18，底板用1800*150*50的方梁，相互之間有咬ロ，可用水玻璃進行填充，并在內外坩堝的間隙中填充高溫耐火纖維或石英砂，可防止硅液泄漏從接縫中流出。以下應用實例中所列舉的參數(shù)僅作為本發(fā)明應用的實例，并不代表本發(fā)明受所列舉實例中的數(shù)據(jù)限制。實例I
1、自動控溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫入 設定頂部熱電偶的控溫曲線為
1430 0C-------保溫-----Ih
1430 0C-------1428 0C-----5h
1428 °C-------1426 °C-----5h
1426 °C-------1424 °C-----5h
1424 °C-------1422 °C-----5h
1422 °C-------1420 °C-----5h
斷電自然降溫至600°C
底部熱電偶的控溫曲線為
1420 0C-------保溫-----Ih1420 °C-------1419°C-----2h
1419°C-------1418°C-----Ih
1418°C-------1417°C-----Ih
1417°C-------1380 °C-----20h
斷電自然降溫至500°C
2、石墨錠模內尺寸1500*1200*400mm
3、中頻爐容量為1500kg，石墨坩堝。4、娃料采用P值Ippmw左右，金屬元素總量在IOOOppmw以下的金屬娃。5、結果
按照既定的控溫曲線進行定向凝固，經(jīng)GDMS檢測，硅料的原始成分和凝固后的主要元素成分見下表
權利要求
1.一種定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于包括一側面具有活動門的爐體及可活動進出爐體的臺車，臺車上設置保溫隔熱層并承托一錠模，在臺車的下部設有活動輪；而爐體內壁上設置保溫隔熱層，在爐體上設置散熱通風管，另在爐體上設置有熱電偶，而爐體的爐膛頂部設置加熱硅碳棒，所述的熱電偶及加熱硅碳棒電連接爐體外的控制系統(tǒng)。
2.如權利要求I所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于爐體包括外部鋼構架及保溫隔熱層，保溫隔熱層通過錨固件而固定于鋼構架上形成爐體。
3.如權利要求I或2所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于爐 體頂部內表面用陶瓷螺栓錨固一層陶瓷板。
4.如權利要求I所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于鋼構架下部設有臺車導軌。
5.如權利要求I所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于保溫隔熱層為多晶陶瓷纖維。
6.如權利要求I所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于熱電偶包括設置在爐體上部的頂部熱電偶及設置在爐體下部的底部熱電偶。
7.如權利要求I所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于臺車下部設有風冷裝置和測溫熱偶。
8.如權利要求I或7所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于臺車周圍布置有高溫金屬導線并與外部的傳感器連接。
9.如權利要求I所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于錠模下方設有散熱方梁。
10.如權利要求I或9所述的定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其特征在于錠模包括由氮化硅結合碳化硅構成的外套及石墨內坩堝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定向凝固冶金法太陽能多晶硅提純設備，其包括一側面具有活動門的爐體及可活動進出爐體的臺車，臺車上設置保溫隔熱層并承托一錠模，在臺車的下部設有活動輪；而爐體內壁上設置保溫隔熱層，在爐體上設置散熱通風管，另在爐體上設置有熱電偶，而爐體的爐膛頂部設置加熱硅碳棒，所述的熱電偶及加熱硅碳棒電連接爐體外的控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了造價低、容量大、能耗低的功效，另實現(xiàn)冶金法硅料在熔煉工序完成后直接進行常壓下大容量定向凝固提純，提高鑄錠的成品率及其提純效果，進而降低生產(chǎn)成本，規(guī)模化生產(chǎn)。
文檔編號C30B11/00GK102701213SQ20121021769
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權日2012年6月28日
發(fā)明者孫慧勇, 楊繼榮 申請人:佳科太陽能硅(龍巖)有限公司