一種封閉式高純金屬硅還原爐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能多晶硅冶金法制備工藝設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是一種封閉式高純金屬硅還原爐，所述爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)置在排氣管上，排氣管另一端連接有自動加料裝置，排氣管上還設(shè)置有進料口，排氣管安裝在絕熱爐體頂端，絕熱爐體頂端的排氣管兩側(cè)分別設(shè)置有電極和短網(wǎng)，電極和短網(wǎng)一端設(shè)置在絕熱爐體內(nèi)側(cè)，絕熱爐體上還設(shè)置有搗料口，絕熱爐體頂端設(shè)置有絕熱爐蓋，絕熱爐體底端設(shè)置有出料閥門，出料閥門與前爐連接，前爐上端設(shè)置有等離子系統(tǒng)，前爐底部通過出料口連接有連續(xù)鑄模機，把工藝與裝備結(jié)合起來研發(fā)，充分應(yīng)用冶金學的基本原理和冶金科技的最新成果，既源于它又超越于它，進行科學創(chuàng)新。
【專利說明】一種封閉式高純金屬硅還原爐

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽能多晶硅冶金法制備工藝設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是一種封閉式 高純金屬硅還原爐。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)外生產(chǎn)太陽能多晶硅的方法主要沿用電子級多晶硅生產(chǎn)的改良西門子 化學法，這種方法以鐵合金廠出品的工業(yè)硅（也稱金屬硅）為原料，通過破碎，用無水氯化 氫（HC1)與其反應(yīng)，生成三氯氫硅及氣態(tài)混合物，通過多級分餾凈化三氯氫硅，再采用高溫 還原工藝，在氫氣還原下形成高純硅Ο 9N)沉積在硅捧上。大約只有1/3的三氯氫硅被 利用，在提煉過程中70%以上的5丨隨同!12、！1(：1、5丨!1(：1 3、5丨(：14、5丨等經(jīng)過濾、冷凝或排放 掉。由于氣態(tài)混合物的分離非常復雜，能耗大，回收利用投入也大，環(huán)境污染嚴重，在整個改 良西門子法工藝中，一些關(guān)鍵技術(shù)仍掌握國外幾家大公司手中，國外進口設(shè)備年產(chǎn)千噸多 晶硅生產(chǎn)線不進行環(huán)保處理的曾高達10億人民幣，該工藝尾氣中的硅、氯兩個資源的循環(huán) 利用存在很大問題，為此國務(wù)院2010年38號文件明確規(guī)定，還原尾氣中的四氯化硅、氯化 氫、氯氣的回收率不得低于98. 5 %、99 %、99 %，這就花數(shù)億元投資進行改造；其次，還規(guī)定 還原能耗應(yīng)低于60千瓦時/千克、綜合能耗低于200千瓦時/千克；并對規(guī)模和占地面積 都有明確限定。由于投資大，折舊所占成本比例就大、能耗高、污染嚴重，加上太陽能多晶 硅的純度只須5N(即99. 9999% )就可以了，隨著太陽能利用在清潔再生能源中比重越來越 大，預(yù)計2020年需求量可高達百萬噸以上，所以，采用冶金法生產(chǎn)太陽能級多晶硅成為世 界各國科技界和冶金企業(yè)的重大研發(fā)課題，包括西門子化學法老牌企業(yè)也轉(zhuǎn)向冶金法的開 發(fā)，并已取得不少成果。
[0003] 國內(nèi)外許多從事冶金法的企業(yè)大多都是從采購的標準牌號工業(yè)硅進行提純，如日 本JFE，前性年國內(nèi)有關(guān)從事所謂"物理法"研發(fā)的企業(yè)等，都并不成功，原因是從各地購 得的工業(yè)硅有2% (相當于20000ppm)左右的雜質(zhì)，工業(yè)硅標準中雜質(zhì)含量只限定三個， 即鐵（Fe)、鋁（A1)、鈣（Ca)，如我國標準中雜質(zhì)最低的2202牌號，其中Fe彡0.2% (即 2000ppm)，A1彡0· 2%，Ca彡0· 02% (即200ppm)，而對光伏效率影響最大又最難去除的磷 (P)、硼（B)等均沒有限定，一般都在幾十ppm上下，而太陽能多晶硅對這些有害雜質(zhì)要求很 高，須在lppm左右，用冶金法提純有很大難度。
[0004] 用冶金方法生產(chǎn)太陽能級多晶硅是大勢所趨，它符合全球再生清潔能源和低炭經(jīng) 濟發(fā)展的需求，太陽能多晶硅是冶金企業(yè)產(chǎn)品--金屬硅的深度加工的延伸產(chǎn)品，在技術(shù)和 裝備上存在不可分割的聯(lián)系，作為冶金超級大國的中國，具有極大優(yōu)勢，
[0005] 因此，目前生產(chǎn)工業(yè)硅的鐵合金冶煉爐稱為礦熱爐，均為非封閉式、粗放形的電 爐，從爐型、內(nèi)襯材料、操作方法、爐內(nèi)氛圍、原料準備到硅液的爐外處理等，都不可能生產(chǎn) 出高純金屬硅，工業(yè)硅是所有鐵合金產(chǎn)品中最難生產(chǎn)的品種，屬于無渣操作，因此，只有從 設(shè)備到工藝不進行創(chuàng)新與改革才能生產(chǎn)出比工業(yè)硅要求高得多的高純金屬硅4N)，從 而得以用冶金法大規(guī)模、低成本生產(chǎn)出太陽能多晶硅成為可能，本發(fā)明是冶金法生產(chǎn)太陽 能級多晶硅頭道關(guān)鍵裝備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明就是利用不同于一般礦熱爐的特種還原爐，配合相 應(yīng)新工藝，直接生產(chǎn)低P、B (0. 5?2ppm)的高純金屬硅（彡4N)，實現(xiàn)用火法冶金提純新 工藝生產(chǎn)出符合太陽能電池生產(chǎn)所需的原料，而這種高純金屬硅如用于西門子化學法或冶 金工藝進一步提純，都將可以大大降低成本，縮短工藝流程，并可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，本發(fā)明 的特點在于把工藝與裝備結(jié)合起來研發(fā)，充分應(yīng)用冶金學的基本原理和冶金科技的最新成 果，既源于它又超越于它，進行科學創(chuàng)新，創(chuàng)新型裝備是新材料制備與發(fā)展中最重要的基 礎(chǔ)。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種封閉式高純金屬硅還原爐，其 特征在于：包含爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥、進料口、自動加料裝置、排氣管、電極、搗料口、絕熱爐蓋、 絕熱爐體、短網(wǎng)、等離子系統(tǒng)、前爐、出料口、出料閥門、連續(xù)鑄模，所述爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)置 在排氣管上，排氣管另一端連接有自動加料裝置，排氣管上還設(shè)置有進料口，排氣管安裝在 絕熱爐體頂端，絕熱爐體頂端的排氣管兩側(cè)分別設(shè)置有電極和短網(wǎng)，電極和短網(wǎng)一端設(shè)置 在絕熱爐體內(nèi)側(cè)，絕熱爐體上還設(shè)置有搗料口，絕熱爐體頂端設(shè)置有絕熱爐蓋，絕熱爐體底 端設(shè)置有出料閥門，出料閥門與前爐連接，前爐上端設(shè)置有等離子系統(tǒng)，前爐底部通過出料 口連接有連續(xù)鑄模機。
[0008] 進一步，所述絕熱爐體為堅爐。
[0009] 進一步，所述爐氣通過加料系統(tǒng)向外排放。
[0010] 進一步，所述連續(xù)鑄模機為轉(zhuǎn)盤水冷鑄模機。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：
[0012] 1、本發(fā)明的爐型為堅爐，不同于一般礦熱爐的矮胖型，二氧化硅與碳還原生成硅 是在不同區(qū)域的五個化學反應(yīng)完成的，而是先生成SiC和氣態(tài)SiO,通過SiO在爐內(nèi)的循環(huán) 與凝聚、SiC的破壞而生成硅，所以爐腔升高有利于這些中間反應(yīng)的進行，減少有效成分的 損失，提高硅的收得率。
[0013] 2、本發(fā)明將爐氣通過加料系統(tǒng)向外排放，這個系統(tǒng)既能利用余熱加熱爐料降低單 位能耗，還能使殘余的SiO進一步與爐料的凝聚反應(yīng)提高娃的收得率。
[0014] 3、本發(fā)明的加料機構(gòu)可以不必開啟爐蓋或加料口，這對減少熱的損失和降低能耗 有明顯效果。對于產(chǎn)量要求不高的小型高純金屬硅還原爐而言，尤為重要。
[0015] 4、封閉式爐型對形成爐內(nèi)還原氣氛、節(jié)能、環(huán)保和操作安全都具有明顯優(yōu)勢，但必 須控制好爐內(nèi)氣壓，使氣態(tài)反應(yīng)物順利循環(huán)與爐料的正常下行。本發(fā)明具有將的爐內(nèi)氣壓 與爐況相匹配的智能調(diào)控系統(tǒng)，這個智能調(diào)控系統(tǒng)所采集的參數(shù)眾多，從而把爐況與確保 安全有機統(tǒng)合起來，是本發(fā)明的重要特色之一。
[0016] 5、本發(fā)明為適應(yīng)爐容量比較小（如3000?6000KW)的特點和充分利用液態(tài)硅的 熱能，設(shè)有帶等離子槍的前爐，在封閉式環(huán)境下不必定時打開或封堵出鐵口，既簡化了操作 也減少硅液的二次污染與損耗。當爐缸內(nèi)硅液面達到一定高度時會自動流入前爐，前爐硅 液達到規(guī)定容量時關(guān)閉閘門，在等離子孤與爐渣的共同作用下，進行爐外精爐，去除含量相 對較1?的鐵、錯、I丐及砸等雜質(zhì)，進一步提1?娃的純度。
[0017] 6、本發(fā)明的鑄錠機構(gòu)為轉(zhuǎn)盤水冷鑄模，并采用防止二次污染的措施，如涂刷防污 涂料和選擇相適應(yīng)的材質(zhì)等，轉(zhuǎn)盤式鑄模的另一個優(yōu)點可以降低設(shè)備高度，適用中小型爐 的操作，防止二次污是本發(fā)明在各個環(huán)節(jié)貫徹始終，這一點極其重要，這是傳統(tǒng)礦熱爐無法 生產(chǎn)出成分穩(wěn)定的高純金屬硅的重要原因之一。
[0018] 7、爐氣回收利用已有比較成熟的經(jīng)驗，但本發(fā)明將爐氣通過混合爐料向外排放 (有可調(diào)風機的抽力）有利于爐氣中顆粒型塵埃的過濾，既降低了爐氣溫度又減少了含塵 量.可以簡化除塵系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成與壓力，具有一舉多得的效果。
[0019] 8、本發(fā)明制得的高純金屬硅經(jīng)多家權(quán)威單位檢驗中心18個元素的分析，除P、B很 低外，其純度均在4?5N之間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 附圖標記說明：1-爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥；2-進料口；3-自動加料裝置；4-排氣管； 5-電極；6-搗料口；7-絕熱爐蓋；8-絕熱爐體；9-短網(wǎng)；10-等尚子系統(tǒng)；11-如爐；12-出 料口；13-出料閥門；14-連續(xù)鑄模機。

【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明，應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落在申請所附權(quán)利要求書所限定的 范圍。
[0023] 圖1為本發(fā)明一種封閉式高純金屬硅還原爐結(jié)構(gòu)圖，包含爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥1、進料 口 2、自動加料裝置3、排氣管4、電極5、搗料口 6、絕熱爐蓋7、絕熱爐體8、短網(wǎng)9、等離子系 統(tǒng)10、前爐11、出料口 12、出料閥門13、連續(xù)鑄模14,所述爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥1設(shè)置在排氣管 4上，排氣管4另一端連接有自動加料裝置3,排氣管4上還設(shè)置有進料口 2,排氣管4安裝 在絕熱爐體8頂端，絕熱爐體8頂?shù)亩伺艢夤?兩側(cè)分別設(shè)置有電極5和短網(wǎng)9,電極5和 短網(wǎng)9 一端設(shè)置在絕熱爐體8內(nèi)側(cè)，絕熱爐體8上還設(shè)置有搗料口 6,絕熱爐體8頂端設(shè)置 有絕熱爐蓋7,絕熱爐體8底端設(shè)置有出料閥門13,出料閥門13與前爐11連接，前爐11上 端設(shè)置有等離子系統(tǒng)10,前爐11底部通過出料口 12連接有連續(xù)鑄模機14 ;所述絕熱爐體 8為堅爐；所述爐氣通過加料系統(tǒng)向外排放；所述連續(xù)鑄模機14為轉(zhuǎn)盤水冷鑄模機。
[0024] 本發(fā)明使用時，經(jīng)特殊處理的二氧化硅礦（Si > 99% )和混合碳質(zhì)還原劑在本發(fā) 明的還原爐內(nèi)生產(chǎn)高純金屬硅，爐料按比例從儲存爐頂?shù)膫?cè)上方料倉進入進料口 2,開爐后 按需經(jīng)自動加料裝置3加入爐內(nèi)，爐氣經(jīng)爐料輸送管道和爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥1排出，進入除塵 系統(tǒng)，在爐頂側(cè)面有三個需要時開啟的搗料口 6,可以根據(jù)爐料下行情況采用可移動的搗料 機快速搗料，爐內(nèi)氣體通過自動加料裝置3進入爐氣除塵系統(tǒng)，由水封式儲氣塔存儲備用。 硅液從爐缸經(jīng)可開閉的出料閥門13流入前爐11，前爐11爐頂一側(cè)設(shè)有觀察口和排氣口，以 及爐頂可升降與回轉(zhuǎn)運動的等離子槍，爐外粗煉結(jié)束后，從流漕進入轉(zhuǎn)盤式連續(xù)鑄模機14， 冷卻成硅塊，絕熱爐蓋7與絕熱爐體8之間有水冷密封圈法蘭，前爐11也一樣，檢修時可打 開絕熱爐蓋7,爐與爐膛之從低到高溫采用不同材質(zhì)的耐火材料、隔熱材料，爐底為優(yōu)質(zhì)石 墨磚砌成，電極5的升降系統(tǒng)隨爐況變化自動調(diào)節(jié)，也可手工操作。
[0025] 通過上述運作可以產(chǎn)出穩(wěn)定的低P、B低成本的高純金屬硅（> 4N)，經(jīng)過進一步 提純可以獲得太陽能級多晶硅的難度較低，能否從還原爐（礦熱爐）直接獲得低P、B的高 純金屬硅，多年來已成為冶金法成敗的瓶頸，而本發(fā)明正是解決這一關(guān)鍵中的重要手段，填 補了這一領(lǐng)域空白。
【權(quán)利要求】
1. 一種封閉式高純金屬硅還原爐，其特征在于：包含爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥、進料口、自動加 料裝置、排氣管、電極、搗料口、絕熱爐蓋、絕熱爐體、短網(wǎng)、等離子系統(tǒng)、前爐、出料口、出料 閥門、連續(xù)鑄模，所述爐內(nèi)壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)置在排氣管上，排氣管另一端連接有自動加料裝 置，排氣管上還設(shè)置有進料口，排氣管安裝在絕熱爐體頂端，絕熱爐體頂端的排氣管兩側(cè)分 別設(shè)置有電極和短網(wǎng)，電極和短網(wǎng)一端設(shè)置在絕熱爐體內(nèi)側(cè)，絕熱爐體上還設(shè)置有搗料口， 絕熱爐體頂端設(shè)置有絕熱爐蓋，絕熱爐體底端設(shè)置有出料閥門，出料閥門與前爐連接，前爐 上端設(shè)置有等離子系統(tǒng)，前爐底部通過出料口連接有連續(xù)鑄模機。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種封閉式高純金屬硅還原爐，其特征在于：所述絕熱爐體 為堅爐。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種封閉式高純金屬硅還原爐，其特征在于：所述爐氣通過 加料系統(tǒng)向外排放。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種封閉式高純金屬硅還原爐，其特征在于：所述連續(xù)鑄模 機為轉(zhuǎn)盤水冷鑄模機。
【文檔編號】C01B33/025GK104150484SQ201310173479
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月13日
【發(fā)明者】潘健武, 蘇善存, 石祥 申請人:蘇州晶科新能源裝備科技有限公司