專利名稱：一種電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能級(jí)硅生產(chǎn)過程中固態(tài)線鋸硅泥的回收再利用領(lǐng)域，更準(zhǔn)確的說是一種運(yùn)用電磁場(chǎng)分離硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)，生產(chǎn)高純硅的工藝。
背景技術(shù)：
近10年來全球太陽(yáng)能 產(chǎn)業(yè)每年以30%的速度增長(zhǎng)，其中90%以上的太陽(yáng)能材料主要由硅材料制成，特別是多晶硅，因此全球?qū)璧男枨罅颗c日俱增。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2008年以來中國(guó)硅材料產(chǎn)能已穩(wěn)居世界第一。目前我國(guó)太陽(yáng)能電池片普遍采用多鋸配合砂漿切割生產(chǎn)，線切割過程中通常要用到聚乙二醇作為切割液、碳化硅顆粒作為研磨劑，同時(shí)會(huì)伴有大量的硅泥漿產(chǎn)生。硅泥漿由切割液、碳化硅、硅粉及金屬雜質(zhì)等組成。硅材料切割加工過程中碳化硅顆粒需要很高的純度和強(qiáng)度、一定的球形系數(shù)及合適的粒度分布，其粒度大致分布在3 50 μ m ;硅的粒度小于I μ m，約占硅泥漿的10%。硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)導(dǎo)電率幾乎為零，然而硅的導(dǎo)電率為1400000S/m。電磁凈化是利用金屬熔體和非金屬夾雜物之間的電導(dǎo)率之間的差異而達(dá)到去除夾雜物的目的。當(dāng)夾雜物顆粒的電阻率大于金屬熔體的電阻率時(shí)，則金屬液所受的電磁力大于夾雜物所受電磁力，夾雜物所受合力與外加電磁力方向相反，夾雜物顆粒向熔體所受電磁力的反方向運(yùn)動(dòng)。因此碳化硅顆粒的在電磁排斥力的作用下向管壁運(yùn)動(dòng)，最終富集在管道內(nèi)表面區(qū)域，實(shí)現(xiàn)碳化硅顆粒與硅粉的分離，從而生產(chǎn)出高純硅。通過固態(tài)線鋸硅泥的回收再利用得到相應(yīng)的資源性組分，經(jīng)電磁凈化深加工后得到超純硅，循環(huán)應(yīng)用到切割加工過程中去?；厥展枘酀{中的硅組分不僅可以節(jié)約生產(chǎn)成本，還可以減少能量消耗及環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)硅工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)從固態(tài)線鋸硅泥中回收再利用多晶硅，是一種運(yùn)用電磁場(chǎng)高效分離硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)來生產(chǎn)太陽(yáng)級(jí)高純硅的工藝。一種電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的裝置，包括外殼I、啟動(dòng)加熱裝置2、料斗3、石墨坩堝4、熔煉腔室5、感應(yīng)加熱線圈6、粗硅液7、電磁分離線圈8、電磁分離管道9、垂直分離側(cè)管道10、雜質(zhì)收集裝置11、水平分離主管道12、純凈硅液13、冷卻坩堝14、可活動(dòng)底部15、控制冷卻隔離室16、引桿17、臟硅液18。與外殼I相連接的是啟動(dòng)加熱硅的裝置2及料斗3。外殼I內(nèi)包含由感應(yīng)加熱線圈6包圍的熔煉石墨坩堝4，高頻電磁分離線圈8包圍的方形電磁凈化管道9，含碳化硅等雜質(zhì)硅液的收集裝置11、垂直分離側(cè)管道10及水平分離主管道12，冷卻坩堝14以及設(shè)置在冷卻坩堝14下面的控制冷卻隔離室16。石墨坩堝4內(nèi)有熔煉腔室5，電磁分離管道9內(nèi)是粗硅液7，水平分離主管道12是純凈硅液13。冷卻坩堝14下面是可活動(dòng)底部15與引桿17相連，用于控制冷卻隔離室16進(jìn)行相同的縱向活動(dòng)。冷卻坩堝14的壁從上到下向外延伸，上下具有一定的小角度(向外2 7° )。采用上述電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的裝置從線鋸硅泥中回收再利用太陽(yáng)級(jí)高純硅的方法，其特征在于該方法包括以下步驟；
步驟1)，硅屑漿固液分離得到固態(tài)線鋸硅泥；
步驟2)，將步驟I)得到的固態(tài)線鋸硅泥置于混合酸反應(yīng)釜中，按照固態(tài)線鋸硅泥混合酸的重量百分比=1:0. 8^2加入混合無 機(jī)酸。在溫度6(T80°C、攪拌速度4(Γ50轉(zhuǎn)/分條件下，反應(yīng)6-8小時(shí)，然后進(jìn)行過濾，獲得慮渣并進(jìn)行干燥，得到初級(jí)硅料。步驟3)，將步驟2)得到的初級(jí)硅料通過料斗加入到石墨坩堝內(nèi)的熔化腔室5重溶，溶煉在保護(hù)氣氛下完成。步驟4)，待初級(jí)硅料熔化后，在電磁力及靜壓力的作用下，部分熔體形成彎月面并達(dá)到平衡。在原料的連續(xù)供應(yīng)下，平衡被打破，粗硅液從熔化腔室邊部流向石墨坩堝4內(nèi)。步驟5)，隨著工藝的進(jìn)行，粗硅液7流入電磁分離管道9內(nèi)，在電磁力的作用下，碳化硅等雜質(zhì)富集在電磁分離管道9的內(nèi)表面區(qū)域，而中心部分則是純凈的硅液13。步驟6)，當(dāng)硅液流經(jīng)到電磁凈化管的末端時(shí)，靠近壁面的臟硅液(碳化硅等雜質(zhì)富集)受到管道的阻力從垂直分離側(cè)管道10流向收集雜質(zhì)硅液的收集設(shè)備11，與此同時(shí)，中心純凈的硅液13流向緊隨其后的水平分離主管道12。步驟7)，純凈硅液13連續(xù)流入冷卻坩堝10內(nèi)，且隨著熔化工藝和定向移動(dòng)的進(jìn)行，純凈硅熔體7在其下部連續(xù)結(jié)晶，形成多晶硅錠。硅錠連續(xù)向下移動(dòng)至控制冷卻隔離室
16。在控制冷卻室內(nèi)，硅錠在控制的條件下冷卻并消除熱應(yīng)力，得到純度99. 99%以上的硅錠。所述熔煉裝置中熔煉坩堝的下方連接繞有感應(yīng)線圈的電磁分離管道，電磁分離管道的橫切面積為正方形，邊長(zhǎng)a=0. Γ0. 3m。電磁分離管道的末端連接有流走純凈硅液的水平主管道和流走臟硅液的垂直分離側(cè)管道，垂直分離側(cè)管道在電磁分離管道末端垂直連接，水平主管道的邊長(zhǎng)為電磁分離管道的O. 3^0. 7。水平主管道應(yīng)延伸到電磁分離管道內(nèi)，其前端需在垂直分離側(cè)管道出口之前。本發(fā)明所述一種從線鋸硅泥中資源化回收硅組分的方法，步驟5)電磁分離管道9周圍高頻凈化磁場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置為電流Ι=10(Γ500Α，頻率fr=2(T200kHz，線圈匝數(shù)n=30 100。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于
本發(fā)明工藝基于電磁凈化的基本原理實(shí)現(xiàn)，將電磁場(chǎng)應(yīng)用于去除真空重熔融后的硅泥的中的碳化硅等雜質(zhì)，這是傳統(tǒng)工藝中沒有的。本發(fā)明中的電磁方法在去除硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)無需與硅液接觸，不會(huì)帶來外來的雜質(zhì)，有助于提高硅的純度。本發(fā)明中分離熔融硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)，省去了傳統(tǒng)工藝中繁瑣的步驟，不會(huì)帶來二次污染，操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)方便，生產(chǎn)效率高。本發(fā)明工藝的固體多晶硅硅泥中的硅組分的資源化回收率可達(dá)到90%以上，同時(shí)生產(chǎn)最終得到的多晶硅純度高達(dá)99. 99%，完全能滿足太陽(yáng)級(jí)硅料的需求，而氣流浮選及液相重力浮選等傳統(tǒng)技術(shù)回收固態(tài)線鋸硅泥的硅純度低于99%。


下圖用于進(jìn)一步作為參考描述本發(fā)明，然而不限于下圖的描述，其中
圖I :通過感應(yīng)熔化并分離熔融硅泥硅組分的回收裝置縱向切面 圖中各裝置說明如下1-外殼；2-啟動(dòng)加熱裝置；3_料斗；4-石墨坩堝；5_熔煉腔室；6_感應(yīng)加熱線圈；7_粗硅液；8-電磁分離線圈；9-電磁分離管道；10-垂直分離側(cè)管道；11-雜質(zhì)收集裝置；12_水平分離主管道；13_純凈硅液；14_冷卻坩堝；15_可活動(dòng)底部；16_控制冷卻隔離室；17_引桿；18_臟硅液。圖2 :含有熔體的電磁分離裝置的縱向切面圖。具體實(shí)施方法
一種分離固態(tài)線鋸硅泥中多晶硅裝置(圖1)，包括外殼I。與外殼相連接的是啟動(dòng)加熱硅的裝置2及料斗3。在外殼內(nèi)，由感應(yīng)加熱線圈6包圍的熔煉石墨坩堝4，高頻電磁分離線圈8包圍的方形電磁凈化管道9，含碳化硅等雜質(zhì)硅液的收集裝置11、垂直分離側(cè)管道10及水平分離主管道12，冷卻坩堝14以及設(shè)置在冷卻坩堝14下面的控制冷卻隔離室16?？苫顒?dòng)底部15與引桿17相連，用于控制冷卻隔離室16進(jìn)行相同的縱向活動(dòng)。冷卻坩堝14的壁從上到下向外延伸，上下具有一定的小角度。方形電磁凈化管道9的邊長(zhǎng)a=10-30cm，高頻電磁分離線圈8內(nèi)的電流Ι=10(Γ500Α，頻率fr=2(T200kHz。石墨坩堝4、啟動(dòng)加熱裝置2及可活動(dòng)底部15由電導(dǎo)材料石墨制成；其他管道均由耐火材料制成；冷卻坩堝14的壁由銅或銅合金制成。冷卻坩堝與集合管相連，集合管提供冷卻液體的供應(yīng)、分配和分布。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。取一批來自國(guó)外某公司的固液分離好的固態(tài)線鋸硅泥，經(jīng)檢測(cè)固體硅泥的組分情況如下硅組分45%、碳化硅組分45%、鐵組分10%。將上述原料置于混合酸反應(yīng)釜中，按照粗硅粉混合酸的重量百分比=1:1. 5加入混合無機(jī)酸，在溫度70°C、攪拌速度45轉(zhuǎn)/分條件下，反應(yīng)7小時(shí)，然后進(jìn)行過濾，獲得慮渣并進(jìn)行干燥，得到初級(jí)硅料，其組分為硅粉50%，碳化硅50%。在外殼內(nèi)產(chǎn)生保護(hù)氣氛，可活動(dòng)底部15移動(dòng)到冷卻坩堝14的底部。初級(jí)硅料從料斗3加入到熔腔室5內(nèi)，打開啟動(dòng)加熱裝置2，通過感應(yīng)加熱線圈6產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，石墨坩堝5在感應(yīng)加熱線圈6的電磁場(chǎng)內(nèi)加熱，由于熱量在熔煉腔室5內(nèi)的熱傳導(dǎo)使塊狀初級(jí)硅料加熱。當(dāng)溫度達(dá)到750°C左右時(shí)，硅料在熔煉腔室內(nèi)開始熔化。用于啟動(dòng)加熱硅的裝置2從感應(yīng)加熱線圈6的電磁場(chǎng)中移出，在熔煉腔室5內(nèi)形成熔池。塊狀原料4連續(xù)進(jìn)入熔池內(nèi)，熔池上方的彎月面平衡周期性的被打破，熔體在熔化腔室上部溢出進(jìn)入石墨坩堝3內(nèi)，熔體在經(jīng)過石墨坩堝4后流入方形電磁分離管道9。凈化線圈的參數(shù)設(shè)置為電流I=300A，頻率fr=60kHz。隨著工藝的進(jìn)行，在電磁分離管道9內(nèi)，在電磁力的作用下，碳化硅等雜質(zhì)富集在管道內(nèi)表面區(qū)域，而中心部分則是純凈的硅液。當(dāng)硅液流經(jīng)到電磁分離管道的末端時(shí)，靠近壁面的臟硅液18 (碳化硅等雜質(zhì)富集)受到管道的阻力從垂直分離側(cè)管道10流向收集雜質(zhì)硅液的收集裝置11，與此同時(shí)，中心純凈的硅液13流向水平分離主管道12。水平分離主管道12中的純凈硅液流入冷卻坩堝14內(nèi)，在冷卻坩堝14內(nèi)流體的外層進(jìn)行結(jié)晶?？苫顒?dòng)的底部15從冷卻坩堝底部向下移動(dòng)，且隨著熔化工藝和錠向移動(dòng)的進(jìn)行，硅熔體在其下部連續(xù)結(jié)晶，形成多晶硅錠。硅錠連續(xù)向下移動(dòng)至控制冷卻室16。多晶硅錠內(nèi)的移開速度要保證石墨坩堝4及冷卻坩堝14內(nèi)的液面保持穩(wěn)定，且使熔體在冷卻坩堝14內(nèi)連續(xù)結(jié)晶形成錠。在控制冷卻室內(nèi)，硅錠在控制的條件下冷卻并消除熱應(yīng)力。本裝置實(shí)現(xiàn)了線鋸硅泥中硅組分的連續(xù)回收，不僅提高了多晶硅的純度，而且提
高了多晶硅的生產(chǎn)效率。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，回收得到的多晶硅純度高達(dá)99. 99%以上。
權(quán)利要求
1.一種電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的裝置，其特征是包括外殼(I)、啟動(dòng)加熱裝置(2)、料斗(3)、石墨坩堝(4)、熔煉腔室(5)、感應(yīng)加熱線圈(6)、粗硅液(7)、電磁分離線圈(8)、電磁分離管道(9)、垂直分離側(cè)管道(10)、雜質(zhì)收集裝置(11)、水平分離主管道(12)、純凈硅液(13)、冷卻坩堝(14)、可活動(dòng)底部(15)、控制冷卻隔離室(16)、引桿(17)、臟硅液(18);與外殼(I)相連接的是啟動(dòng)加熱硅的裝置(2)及料斗(3)，外殼(I)內(nèi)包含由感應(yīng)加熱線圈(6)包圍的熔煉石墨坩堝(4)、高頻電磁分離線圈(8)包圍的方形電磁凈化管道(9)、含碳化硅等雜質(zhì)硅液的收集裝置(11)、垂直分離側(cè)管道(10)及水平分離主管道(12)、冷卻坩堝(14)以及設(shè)置在冷卻坩堝(14)下面的控制冷卻隔離室(16);石墨坩堝(4)內(nèi)有熔煉腔室(5 )，電磁分離管道(9 )內(nèi)是粗硅液(7 )，水平分離主管道(12 )是純凈硅液(13);冷卻坩堝(14)下面是可活動(dòng)底部(15)與引桿(17)相連，用于控制冷卻隔離室(16)進(jìn)行相同的縱向活動(dòng)；冷卻坩堝(14)的壁從上到下向外延伸，向外傾斜2 7。。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的裝置，其特征在于，熔煉坩堝的下方連接繞有感應(yīng)線圈的電磁分離管道，電磁分離管道的橫切面積為正方形，邊長(zhǎng)a=0. Γ0. 3m ;電磁分離管道的末端連接有流走純凈硅液的水平主管道和流走臟硅液的垂直分離側(cè)管道，垂直分離側(cè)管道在電磁分離管道末端垂直連接，水平主管道的邊長(zhǎng)為電磁分離管道的O. 3^0. 7 ;水平主管道延伸到電磁分離管道內(nèi)，水平主管道前端需在垂直分離側(cè)管道出口之前。
3.ー種采用權(quán)利要求I或2所述裝置通過電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的方法，其特征在于包括以下步驟； 步驟1)，硅屑漿固液分離得到固態(tài)線鋸硅泥； 步驟2)，將步驟I)得到的固態(tài)線鋸硅泥置于混合酸反應(yīng)釜中，按照固態(tài)線鋸硅泥混合酸的重量百分比=1 O. 8^2加入混合無機(jī)酸，在溫度6(T80°C、攪拌速度4(Γ50轉(zhuǎn)/分條件下，反應(yīng)6-8小吋，然后進(jìn)行過濾，獲得濾渣并進(jìn)行干燥，得到初級(jí)硅料； 步驟3)，將步驟2)得到的初級(jí)硅料通過料斗加入到石墨坩堝內(nèi)的熔化腔室(5)重熔，溶煉在保護(hù)氣氛下完成； 步驟4)，待初級(jí)硅料熔化后，在電磁力及靜壓カ的作用下，部分熔體形成彎月面并達(dá)到平衡；在原料的連續(xù)供應(yīng)下，平衡被打破，粗硅液從熔化腔室邊部流向石墨坩堝(4)內(nèi)；步驟5)，隨著工藝的進(jìn)行，粗硅液(7)流入電磁分離管道(9)內(nèi)，在電磁力的作用下，碳化硅雜質(zhì)富集在電磁分離管道(9)的內(nèi)表面區(qū)域，而中心部分則是純凈的硅液(13)； 步驟6)，當(dāng)硅液流經(jīng)到電磁凈化管的末端時(shí)，靠近壁面的碳化硅雜質(zhì)富集的臟硅液受到管道的阻カ從垂直分離側(cè)管道(10)流向收集雜質(zhì)硅液的收集設(shè)備(11)，與此同時(shí)，中心純凈的硅液(13)流向緊隨其后的水平分離主管道(12)； 步驟7)，純凈硅液(13)連續(xù)流入冷卻坩堝(10)內(nèi)，且隨著熔化工藝和定向移動(dòng)的進(jìn)行，純凈硅熔體(7)在冷卻坩堝(10)下部連續(xù)結(jié)晶，形成多晶硅錠；硅錠連續(xù)向下移動(dòng)至控制冷卻隔離室(16 );在控制冷卻隔離室內(nèi)，硅錠在控制的條件下冷卻并消除熱應(yīng)カ，得到純度99. 99%以上的硅錠。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的方法，其特征在于步驟5)電磁分離管道(9)周圍高頻浄化磁場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置為電流Ι=10(Γ500Α，頻率fr=20 200kHz，線圈匝數(shù) n=30 100。
全文摘要
一種電磁法回收線鋸硅泥中硅組分的裝置及方法，涉及太陽(yáng)能級(jí)硅生產(chǎn)過程中固態(tài)線鋸硅泥的回收再利用領(lǐng)域，更準(zhǔn)確的說是一種運(yùn)用電磁場(chǎng)分離硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)，生產(chǎn)高純硅的工藝。其特征在于采用專門為實(shí)現(xiàn)高頻電磁法高效分離熔融后硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)所研制的設(shè)備，利用高頻電磁法高效分離熔融后硅泥中的碳化硅等雜質(zhì)，其線圈電流I=100-500A，f=20-200kHz，最終得到的純度高達(dá)99.99%以上的高純硅。本發(fā)明工藝基于電磁凈化的基本原理實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于省去了傳統(tǒng)工藝中繁瑣的步驟，不會(huì)帶來二次污染，操作簡(jiǎn)單方便，生產(chǎn)效率高，最終回收得到的多晶硅完全能達(dá)到太陽(yáng)級(jí)硅的需求，從而實(shí)現(xiàn)硅工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
文檔編號(hào)C01B33/037GK102849742SQ20121029991
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者張立峰 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)