[发明专利]一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能多晶硅等离子精炼装置技术领域，具体说是一种采用冶金法制备太阳能多晶硅的等离子精炼提纯炉。

背景技术

中温等离子体发生装置在国内冶金系统应用不多，在太阳能多晶硅提纯工艺中由于市场上没有专用的装备供应则更少采用。这与我国现代能源装备制造业、特别是功率较大的冶金用等离子发生器的研发与制造水平相对滞后有关，且没有专业化。

国外在太阳能多晶硅提纯中用等离子弧去除金属硅中的硼，但仅限于去硼，等离子弧区温度可高达5000K，如果缺乏相应保护措施，在去硼的同时也不可避免地使硅遭受损失。

本发明为克服上述装备技术的不足、和满足新材料研发与生产的需要而设计出的新型装备，将各种规格的等离子发生噐用于冶金法太阳能多晶硅提纯新工艺的等离子精炼炉，不仅解决目前国内新能源装备供需矛盾的问题，同时也为冶金工业向高新尖发展提供一种更有效更先进的冶金手段，是对我国现代装备产业的一大贡献。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，其操作简便，节能环保，灵活高效，把造渣精炼(主要去除常规杂质如铁、铝、钙等)和等离子去除多晶硅中特别有害的微量杂质(如硼等)结合起来，是本发明的一大特色。

本发明所采用的技术方案是：一种冶金法太阳能多晶硅等离子精炼提纯炉，包含炉体以及设置在炉体内的感应加热器、坩埚、透气砖、充气系统，炉体顶部设置有炉盖、炉盖中间设置有回转机构，回转机构中间安装非转移弧等离子枪，非转移弧等离子枪安装在等离子枪支架上，在炉盖两侧分别有渣料加料器及硅块加料器，炉体内部设置有坩埚，坩埚周围均匀设置有透气砖，透气砖周围均匀设置有感应加热器，炉料分别通过推料机构将炉料加入坩埚中，坩埚内部设置有炉体倾动机构，气体通过充气系统经透气砖鼓入坩埚熔体内、与感应加热器对炉料进行熔化与精炼，根据倾倒角度可以移动和升降，炉盖升降开启机构可因地置宜设定。

充分利用现代冶金工业发展的成果，通过创造性的有机结合，对不产生电磁感应和电流热效应的硅等非金属无机材料同样可以采用感应加热方式。如单晶硅、多晶硅炉中均采用的石墨材质电阻式热场，这是一种不得已而为之的高成本低热效率的加热方法。我们将设置在水冷炉顶的非转弧等离发生器对这些材料进行快速预熔，当被精炼的块状材料形成小小的熔池以后，感应磁场所产生的热效应不断扩展，材料的温度趆高熔化速度就赿快。这种互补的双管齐下的加热方法，优赿性十分明显，使高纯金属硅的造渣精炼与提纯得以实现。

等离子精炼炉由与水冷炉盖动态组合的非转移弧等离子发生器、炉体内设有使用寿命长又可防止二次污染的陶瓷坩埚或水冷铜坩埚、感应器(外接感应电源)、底部为特殊透气元件与之相联的供气系统、炉顶供料装置，以及炉体倾动机构和炉盖升降机构等组成(详见附图)。

由于等离子弧区温度高、而硅等材料热导性能差等特点，等离子枪可根据工艺要求和熔池液面的变化具备升降和回转运动功能，实现这一目的是在水冷炉盖中央通过耐高温球体实现的，其升降距离和回转半径可以调节，这也是本发明的重要特色之一；

为了提高精炼效果，除选配相适应的渣系外，必须使固体混合渣料快速熔化并复盖在硅料表面，等离子弧直接加热比通常经由高温硅液间接加热的方式、具有缩短熔炼时间和提高‘渣洗’效果的功能；

为进一步提高精炼与提纯效果，从坩埚的底部可以根据工艺要求鼓入氧、氩、水蒸汽等气体对熔池参与物理化学反应，并增强搅拌力度，在感应搅拌与气流搅拌的双重作用下，有助于硅液中夹杂物的排除和熔池温度的均匀化；

本精炼炉在熔炼过程中可不必开启炉盖进行加料，从专设的加料系统加入硅料和混合渣料，这些炉料受到炉气余热加热后，经特殊的简便的推进式加料机构按需加料。这套机构不仅提高了炉子产量、降低能耗，也提高了生产安全性能：

炉体倾动机构简化了排渣与出硅操作，可以在通过闸板式挡渣器使渣硅分离，根据下一工序的要求将精炼后的硅液注入避免二次污染的铸模，以便进入更精细的提纯流程。

本发明的效果是：

1、本发明具有多功能特性，即可以快速造渣和重熔达到提纯效果，并降低硅的损耗；

2、由于等离子弧直接熔融与感应加热相结合供热方式，可以解决采用感应加热又无污染地熔化无机非金属材料的难题；

3、本发明因采用非电阻加热方式从而简化了热场结构，可以降低热场所带来的高成本、低使用寿命短和热场材质对系统的污染等难点；