[发明专利]一种湿氧炉外精炼提纯工业硅熔体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿氧炉外精炼提纯工业硅熔体的方法，属于工业硅技术领域。

背景技术

工业硅中杂质元素主要有Fe、Al、Ca、B、P等，其纯度一般为98.5%以上，按照金属硅中铁、铝、钙的含量，通常把工业硅分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同品质的牌号，中国是工业硅生产大国，但不是生产强国，工业硅生产企业存在规模小、布局分散、技术装备落后、产品质量较差等问题，据不完全统计，截止到2012年12月底，中国工业硅已建产能为360万吨，另外还有60万吨的在建产能，预计到2013年，中国工业硅产能将在400万吨左右。

近几年来，随着光伏产业的迅速发展，冶金法低成本制备太阳能级多晶硅受到越来越多的重视，对工业硅产品质量的要求也越来越苛刻，现有的工业硅生产技术和氧气炉外精炼已经不能满足市场要求。为了进一步降低多晶硅的生产成本，低成本制备太阳能级多晶硅新工艺逐步向上游延伸，工业硅的炉外精炼已经成为冶金法低成本制备太阳能级多晶硅新工艺的不可缺少的工序之一。采用传统的氧气炉外精炼难以控制工业硅中非金属杂质B、P，品质高、牌号低的工业硅产品仍然是工业硅领域术瓶颈。 

陈永良等人（专利号97108101）通过向工业硅熔体中吹入氧气同时添加一定量的SiO₂粉末进行精炼，可使工业硅中Fe、Al、Ca含量分别降低至0.4%、0.2%和0.1%，工业硅纯度仅为99.3%。张安福等人（专利号：201110127717）通入压缩空气和氧气以及附加精炼脱杂剂钙石，有效去除工业硅中的杂质Al含量，同时提高了产品质量。陈德胜在《铁合金》上发表论文“利用纯氧精炼工业硅的生产实践”（2001, 5(1-4):26-27），通过自制的喷嘴系统，向抬包底部喷吹氧气精炼工业硅，可降低工业硅中杂质含量，Fe、Al、Ca等含量控制在0.17%、0.058%和0.016%，工业硅纯度达到99.7%，但这些方法没有提及对非金属杂质B、P的去除。

日本川崎制铁株式会社（专利号98105942.2）向熔融硅液面上喷吹添加了水蒸气的氩气等离子流，同时在等离子流中进一步添加还原气体，适当调整水蒸气/还原气体的混合比率、气体喷吹角度和加热方式，采用10%水蒸气的氩气在1620-1630℃下进行精炼，可将硅中的杂质硼含量降低至0.1ppm，Alemany等人在《Sol. Energy Mater. Sol. Cells》上发表论文“Refining of metallurgical-grade silicon by inductive plasma”（2002, 72(1-4):41-48），采用等离子焰进行吹气精炼，对Al、Ca、Fe、B等杂质的去除效果非常明显，但对元素P的去除效果较差，以上方法虽然对杂质硼的去除效率非常高，但采用等离子体装置成本极高，也难以实现工业化应用。

氧气炉外精炼难以满足太阳能级多晶硅原料对Fe、Al、Ca、B、P等杂质含量的要求，牌号为2202、1101等高品质工业硅尤其是低B、P含量工业硅的生产是企业在生产过程中面临的技术难题，为了提高冶金法太阳能级多晶硅原料品质，本发明提出了一种湿氧炉外精炼去除工业硅熔体中的Fe、Al、Ca、B、P等杂质的精炼技术，该技术对非金属杂质的去除效果非常明显，B、P含量可分别降至0.005%和0.01%以下，而且生产成本低廉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种湿氧炉外精炼提纯工业硅熔体的方法，具体包括如下步骤：

（1）将电炉中纯度98.5%以上的工业硅熔体倒入感应抬包中，控制温度在1450～1700℃；

（2）将含有水蒸气的工业氧吹入步骤（1）中得到的工业硅熔体进行精炼，同时利用电磁和气流的方式充分搅拌，水蒸气体积含量为2～20%，精炼4～8h后停止吹气，完成精炼过程；

（3）将精炼后的硅熔体倒入结晶器中，同时扒除表面的氧化物和渣层，待凝固后即可得到高纯的工业硅产品。

步骤（2）所述的含有水蒸气的工业氧制备过程如下：将高压工业氧与水蒸气发生器相连，通过调节氧气与水蒸气的流量获得不同组成的湿氧混合气体，混合气中水蒸气体积含量为2～20%，其中，工业氧可以用氧气瓶提供，水蒸气发生器压力为0.4～0.7MPa。

所述步骤（1）的感应抬包外部包覆石棉板，并由抬包架支撑，可旋转倾倒熔体，包体内部是由耐火材料砌筑。