[发明专利]利用Al-Si合金熔体连铸硅提纯装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅提纯领域，具体是一种利用Al-Si合金熔体连铸硅提纯装置及方法。

背景技术

近年来太阳能光伏发电市场呈现快速增长，制造太阳能电池用的高纯太阳级硅料需求也快速增长。在传统的硅料提纯技术中，化学法一直是主流，化学法提纯的硅料纯度高，质量好，技术成熟，但是化学法提纯工艺复杂且较难控制，并且污染严重，投资大，成本高。而且采用化学方法提纯硅，在太阳能电池生产的产业链中，能源消耗和碳排放的占比高达50％以上。因此，开发具有低能耗，低排放，低成本的硅料提纯技术具有重要的意义。而冶金法提纯具有投资少，占地面积小，建厂快，能耗低，污染小，成本低的优点，因此是一种很有前途的提纯技术。冶金法提纯工艺的主要难点在于关键杂质元素B和P的去除，如果能够实现这两个杂质元素的高效快速去除，将会大力促进冶金法提纯硅技术的发展。

Al-Si合金法提纯是冶金法提纯的一种，它是将Si和Al或Al与Sn，Ga，Cu，Fe，Ti等金属形成的合金混合熔炼，形成均匀的过共晶合金熔体，再冷却结晶，在冷却过程中，过共晶的硅会从熔体中以片状初晶硅形式生长，形成较高纯度的硅，而杂质元素和共晶硅则残留在溶剂金属中，最后要将生长出的片状初晶硅和基体溶剂金属分离，获得提纯过的硅。该方法熔炼温度低，时间短，可以大幅度降低熔炼的能耗，而且可以同时去除B，P等关键杂质，工艺相对简单，当熔炼熔体量增大后提纯效果不会下降，十分有利于大规模生产，近年来成为了冶金法提纯硅技术开发的热点。

国际专利WO2013111314A1(K.Kaneko；K.Morita，J.Luo，M.Song，Silicon Purification Method)中,采用冷坩埚熔炼+连续铸造的方法制备Al-Si合金铸锭，对Al-Si合金熔体进行简单的定向凝固，分离出硅料后发现取得了较好的提纯效果，B，P和Fe等杂质的去除效率都很高，但是该方法设备复杂昂贵，操作难度大，而且由于采用水冷铜坩埚，大量加热能量被冷却水带走，能耗很高。

中国专利CN202106003U(肖春亭，一种生产过共晶铝硅合金铸锭的装置)中，采用电磁搅拌+垂直半连续铸造的方法对过共晶Al-Si合金组织进行了细化，但是该方法设备复杂昂贵，操作难度大，而且由于采用水冷结晶器，大量的热量被冷却水带走，需要以很高的速度进行连续铸造，再加上电磁搅拌作用，造成初晶硅组织很细，难于和Al-Si基体分离，不适合用于做硅的提纯。

中国专利CN101745620B(徐骏，陈春生，张志峰，梁博，石力开，一种低成本快速制备过共晶铝硅合金棒坯的方法)中，采用电磁搅拌+快速半连续铸造的方法对过共晶Al-Si合金组织进行了细化，但是该方法设备复杂昂贵，操作难度大，而且由于采用水冷结晶器，大量的热量被冷却水带走，需要以很高的速度进行连续铸造，再加上电磁搅拌作用，造成初晶硅组织很细，难于和Al-Si基体分离，不适合用于做硅的提纯。

Yoshikawa等(T.Yoshikawa，K.Morita，Continuous Solidification of Si from Si-Al Melt under the Induction Heating,ISIJ Inter,Vol.47(2007),No.4,pp.582-584.)利用高频电磁感应加热放在石英管中的Si-Al合金，实现了硅的提纯，但是需要采用石英管做坩埚，石英管只能一次性使用，而且石英管外没有保温材料，辐射热损失较大，能耗高。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用Al-Si合金熔体连铸硅提纯装置及方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

利用Al-Si合金熔体连铸硅提纯装置，包括有竖向设置且顶端封闭、底端设置为管口的石英管炉体，以及盖合在石英管炉体底端管口处的炉座，所述石英管炉体外设置有感应线圈，其特征在于：石英管炉体内的炉座上设置有支撑平台，支撑平台上支撑有竖向设置的支撑石墨管，以及套在支撑石墨管外的支撑石英管，石英管炉体内还设置有容器，所述容器由竖向设置且顶端、底端分别设置为管口的发热石墨管，以及设置在发热石墨管底端管口中的石墨底托构成，容器中盛放有Al-Si合金熔体，容器中发热石墨管外壁设置有保温层，所述支撑石墨管支撑在发热石墨管底部，所述支撑石英管支撑在保温层底部，所述石墨底托底部还插接有下拉管，所述下拉管依次穿过支撑平台、炉座后从石英管炉体中穿出，所述石英管炉体顶端端壁中开有连通石英管炉体内外的保护气体进口，所述下拉管位于石英管炉体内的管身上亦设置有保护气体进口。