專利名稱：一種使用惰性氣體助熔金屬硅的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬硅的熔解方法，特別是涉及一種使用惰性氣體助熔金屬硅的方法。
背景技術：
硅是一種重要的冶金、化工、電子、光學材料，在信息、通訊、航天航空、環保、 太陽能硅電池等廣闊領域發揮著重要的作用，市場需求也越來越大。在金屬硅的精煉過程 中，需要將從冶煉爐得到的粗硅重新熔化以進行精制步驟，而金屬硅的重新熔化一般都采 用中頻感應爐，即在感應線圈內放置石墨坩堝作為發熱體,而后通過導熱的方式逐步升溫， 直至金屬硅完全熔化。但由于作為發熱體的坩堝與作為受熱體的金屬硅之間的溫差較大, 熱量分布的不均衡導致位于柑堝中心位置的金屬硅難于溶解，與此同時，由于坩堝的表面 溫度過高，導致大量的熱量被感應線圈的水帶走，導致大量的熱量被浪費。按照現有的方 法，每熔化100公斤金屬硅，需要消耗的電量約為300千瓦時。
發明內容
本發明的目的是提供了一種使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，以解決現有技術中存在 的上述問題。本發明在石墨坩堝中通入惰性氣體，促進硅熔體和坩堝之間的熱傳遞，使熱 量分布均勻，促進位于坩堝中心位置的金屬硅溶解，同時，由于坩堝表面的熱量被大量傳 遞至金屬硅，也減少了熱量和電能的浪費。
本發明提供的技術方案如下
一種使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，包括如下步驟
A、 將待處理的粗硅放置在中頻感應爐的石墨坩堝中，石墨坩堝的底部中央設有一個 連接有控氣裝置的惰性氣體氣源導入氣頭；
B、 使用中頻感應爐加熱石墨坩堝并保持在1550'C-1950'C，通過設置在石墨坩堝的 底部中央惰性氣體氣源導入氣頭吹入1 2kg/cm、壓力的惰性氣體，直至粗硅全 部熔融。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，前述中頻感應電爐的電壓為220-800伏， 工作頻率為500"1000Hz。用電磁感應原理，將石墨坩堝放置于中頻感應爐的交變磁場中 產生渦流而發熱，從而達到熔融金屬硅的目的。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，坩堝中填充的粗硅數量最好根據坩堝的設 計和熱區的設計而變化，如果填充的粗硅數量太少，就需要使用相當大的能量來熔化爐料， 而使用高功率必然使坩堝壁溫度較高，從而導致坩堝的過早損壞；而在坩堝中填充太多的 粗硅，則會出現較髙的機械應力。另外，本發明還可以分批次向坩堝中充填粗硅，例如， 使用一個直徑為56cm的坩堝時來熔融100公斤粗硅時，初始充填40" 65公斤粗硅爐料， 其中，以50"60公斤為最佳，而后再逐步向其充填剩余的粗硅。粗硅可以為塊狀，顆粒 狀。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，壓力為r2kg/cm^惰性氣體可以使硅液稍 有沸騰但又不使之噴濺。惰性氣體的壓力可根據擬熔融的粗硅重量在上述范圍內做適當的 調整，以免氣壓過大產生沸騰和損傷石墨坩堝邊壁，從而保證操作者的安全，并延長石墨 坩堝的使用壽命。
另外，防止熔融的硅液在石墨坩堝底部產生的壓力過大，繼而向氣源導入氣頭倒灌， 石墨坩堝高度不超過2m。填入坩堝內的粗硅全部熔融后的高度應小于石墨坩堝的高度。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，所述惰性氣體可以為氦氣、氖氣、氬氣、氪 氣，也可以是化學性質不活潑的氮氣，優選為氬氣。氬氣占大氣總量的1%，性質極不活 潑，生產成本低。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，向中頻感應爐中持續通入惰性氣體，直至 金屬硅全部熔融。在將熔融的硅液倒出時，石墨坩堝中還可以留有20%的熔融硅液作為 下一爐的母液，以利于惰性氣體的升溫。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，所述氣源導入氣頭直徑與前述石墨坩堝直 徑的比例優選為1: 9~11。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，氣源導入氣頭使用氧化鎂、氧化鋯或氧化 鉿中的一種制成。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，石墨坩堝對硅液的污染須控制在太陽能級 硅所允許的限度以內。
前述使用惰性氣體助熔金屬硅的方法中，對用作原料的金屬硅的純度無特殊要求， 優選含量大于90%的硅原料。
本發明采用在石墨坩堝中通入惰性氣體，促進硅熔體和坩堝的熱傳遞，使熱量分布 均勻，促進位于坩堝中心位置的金屬硅溶解，同時，由于坩堝表面的熱量被大量傳遞至金 屬硅，也減少了熱量和電能的浪費。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明做進一步的描述，但不構成對本發明的任何限制。 實施例l
將100公斤顆粒狀粗硅全部放置入中頻感應爐的石墨坩堝中，前述石墨坩堝的直徑 為56cm,其底部中央設有一個連接有控氣裝置的惰性氣體氣源導入氣頭，使用氧化鎂制 成的導入氣頭的直徑為5.6cm;使用中頻感應爐加熱石墨坩堝并保持在1550'C。
從石墨坩堝底部中央設置的惰性氣體氣源導入氣頭持續通入壓力為lkg/cm2g的氬 氣，直至硅金屬全部熔融。在將熔融的硅液倒出時，石墨坩堝中還可以留有20%的熔融 硅液作為下一爐的母液，同時有利于惰性氣體的升溫。
前述中頻感應電爐的電壓為380伏，工作頻率為500Hz，耗電量為200千瓦時。
實施例2
將350公斤顆粒狀粗硅全部放置入中頻感應爐的石墨坩堝中，前述石墨坩堝的直徑 為90cm,其底部中央設有一個連接有控氣裝置的惰性氣體氣源導入氣頭，使用氧化鋯制 成的導入氣頭的直徑為9cm;使用中頻感應爐加熱石墨坩堝并保持在1950'C。
從石墨坩堝底部中央設置的惰性氣體氣源導入氣頭持續通入壓力為2kg/cm2g的氖 氣，直至硅金屬全部熔融。在將熔融的硅液倒出時，石墨坩堝中還可以留有20%的熔融 硅液作為下一爐的母液，同時有利于惰性氣體的升溫。
前述中頻感應電爐的電壓為380伏，工作頻率為500Hz，耗電量為700千瓦時。
實施例3
將100公斤塊狀粗硅全部放置入中頻感應爐的石墨坩堝中，前述石墨坩堝的直徑為 56cm，其底部中央設有一個連接有控氣裝置的惰性氣體氣源導入氣頭，使用氧化鉿制成 的導入氣頭的直徑為5. 6cm;使用中頻感應爐加熱石墨坩堝并保持在1850'C。
從石墨坩堝底部中央設置的惰性氣體氣源導入氣頭持續通入壓力為2kg/Cm2g的氮 氣，直至硅金屬全部熔融。在將熔融的硅液倒出時，石墨坩堝中還可以留有20%的熔融 硅液作為下一爐的母液，同時有利于惰性氣體的升溫。
前述中頻感應電爐的電壓為380伏，工作頻率為500Hz，耗電量為180千瓦時。
上述僅為本發明的三個具體實施例，但本發明的設計構思并不局限于此，凡利用此構 思對本發明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發明保護范圍的行為。
權利要求
1、一種使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，包括如下步驟A、將待處理的粗硅放置在中頻感應爐的石墨坩堝中，石墨坩堝的底部中央設有一個連接有控氣裝置的惰性氣體氣源導入氣頭；B、使用中頻感應爐加熱石墨坩堝并保持在1550℃~1950℃，通過設置在石墨坩堝的底部中央惰性氣體氣源導入氣頭吹入1～2kg/cm2g壓力的惰性氣體，直至粗硅全部熔融。
2、 根據權利要求1中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于填入石墨坩 堝內的固體硅全部熔融后的高度小于前述石墨坩堝高度，石墨坩堝高度不超過2m。
3、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于所述惰性氣 體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氮氣。
4、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于所述惰性氣 體優選為氬氣。
5、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于在將熔融的 硅液倒出時，石墨坩堝中還留有20%的熔融硅液作為下一爐的母液。
6、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于所述氣源導 入氣頭直徑與前述石墨坩堝直徑的比例優選為1: 9 11。
7、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于氣源導入氣頭使用氧化鎂、氧化鋯或氧化鉿中的一種制成。
8、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于粗硅為塊狀或顆粒狀。
9、 根據權利要求2中所述的使用惰性氣體助熔金屬硅的方法，其特征在于前述中頻感 應電爐的電壓為22-800伏，工作頻率為50- 1000Hz。
全文摘要
本發明公開了一種使用惰性氣體助熔金屬硅的方法。本發明采用在石墨坩堝中通入惰性氣體，促進硅熔體和坩堝的熱傳遞，使熱量分布均勻，既促進了位于坩堝中心位置的金屬硅溶解，同時，由于大量的熱量被傳遞至金屬硅，坩堝表面的溫度會降低，也減少了熱量和電能的浪費。
文檔編號C01B33/021GK101386411SQ20081007112
公開日2009年3月18日 申請日期2008年5月23日 優先權日2008年5月23日
發明者鄭智雄 申請人:南安市三晶硅品精制有限公司