一种硅片切割废料顶吹精炼的方法
技术领域
本发明涉及一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，属于硅二次资源回收再生制备高纯硅技术领域。
背景技术
在目前常规的硅片切割废料回收再生制备硅过程中主要工艺技术集中于切割废料的熔炼提取。首先，由于硅片切割废料的原料差异性和波动，存在在熔炼过程中对铝、钙杂质的去除效率低或无去除效果的实际问题。再次，在熔炼过程中为了解决二氧化硅熔化温度高、粘度大、渣硅分离性能差、硅回收率低的问题而通常需要加入其它辅助低熔点添加剂改善熔炼炉况，在加入添加剂的同时难免造成了硅熔体中外来杂质的二次升高和引入，从而降低了工业硅产品牌号和附加值。因此，为了同时兼顾熔炼和精炼，满足工业硅产品对纯度和回收率的要求，本发明方法提出硅片切割废料顶吹精炼的方法，目的在于实现硅片切割废料熔炼产出的硅熔体中杂质深度去除，并且同时提高产品硅的回收率和纯度牌号，从而提高产品附加值和生产利润。
发明内容
针对硅片切割废料常规火法熔炼过程不具备除杂能力或除杂效率低的实际问题，本发明提供一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，即在硅片切割废料熔炼过程中外加吹气装置，通入氧化性气体，对熔化后的硅片切割废料进行氧化精炼，在硅熔体发生强烈搅拌的同时，促进硅中的Ca、Al等杂质氧化反应进入渣相得以去除，实现高品质硅的制备。
一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，具体步骤如下：
(1)将硅片切割废料压滤的滤饼进行干燥、破碎、筛分得到硅片切割废料颗粒；
(2)将硅片切割废料颗粒缓慢加入到熔炼装置内至熔炼装置有效熔炼体积的1/3～1/2，加热至硅片切割废料颗粒熔融；维持炉内温度为1500-1600℃，再分批将硅片切割废料颗粒加入到熔炼装置内至熔炼装置有效熔炼体积的2/3，加热至硅片切割废料颗粒熔融得到熔融硅液；
(3)将顶吹装置移至熔炼装置的炉口正上方并使吹气口位于熔融硅液的底部，向硅熔体中吹入氧化性气体，熔融硅液进行顶吹富氧精炼去除杂质得到除杂硅熔体；
(4)将除杂硅熔体进行浇铸得到硅产品。
所述氧化性气体包括空气、氧气、湿氧或富氧空气；氧化性气体还可以为氧化性气体与氩气、氮气或水的混合气体；氧化性气体吹入方式可以为单顶吹、顶底复吹、顶侧复吹或顶偏心吹；吹入气体不仅可以起到除杂的作用，同时还可以剧烈搅拌硅熔体，保证杂质充分与除杂剂反应的同时又使得炉口处的气液界面不断更新从而更利于挥发性杂质挥发去除。
所述氧化性气体的通气压力为0.1-1.5MPa，气体流速0.2-2m3/min。
所述顶吹装置包括吹气管、集烟罩、烟道和收尘装置，集烟罩、烟道和收尘装置依次连接，吹气管穿过集烟罩并插设至熔融硅液的底部。
进一步的，所述吹气管为隔热导气管，顶吹装置还包括储气柜，吹气管与储气柜连通，吹气管上还设置有安全阀、减压阀、可调开关。
进一步的，所述集炉外精炼装置的抬包口正上方，集烟罩与炉外精炼装置的抬包口密闭连接以形成密闭腔体；集烟罩外壁与天车悬吊或升降-旋转构件系统连接。其中，升降-旋转构件包括控制器、驱动伺服电机I、驱动伺服电机II、传动轴I、传动轴II和夹持连杆，夹持连杆一端与集烟罩外壁固定连接，夹持连杆另一端与传动轴I的顶端固定连接，传动轴I的底端通过滚珠轴承或滚针轴承与传动轴II的顶端连接，传动轴I可在传动轴II的顶端旋转，传动轴II的底端与驱动伺服电机II的输出轴固定连接，驱动伺服电机II为步进往复电机，驱动伺服电机I通过支撑杆固定设置在传动轴II上，驱动伺服电机I的输出轴上设置有齿轮I，传动轴I上套设有齿轮II，齿轮I与齿轮II位于同一水平面上且啮合传动；驱动伺服电机I、驱动伺服电机II分别与控制器电连接。
进一步的，所述集烟罩外壁设置有耐火层和冷却水套；
熔炼过程中的烟尘烟气在气液界面处产生并在收集于集烟罩中，集烟罩口面积可以覆盖熔炼装置的整个顶部开口，集烟罩的升降-旋转构件可根据不同精炼时期进行高度调整，例如通气过程和加入造渣剂时可适当升高，加入或放出硅液时可以提升集烟罩至特定高度；集烟罩的耐火层可保证烟罩承受不同的熔炼温度；
所述熔炼装置均可以为抬包炉、中间包、石墨坩埚或其它熔炼专用设备；
所述熔炼装置的加热方式包括但不限于：电阻加热、感应加热、等离子体、电弧炉加热、反应生产的自热或硅熔体热容量等；
所述集烟罩可以为圆底型、锥形型、四面体棱台型等形状，具体尺寸和截面形状可根据具体熔炼装置顶口几何形状和尺寸而定以保证烟罩与炉口的完好衔接，从而避免了炉气的跑、冒、漏等，并确保集烟罩内的微负压环境；
所述集烟罩材质可以为不锈钢壳层、钢套等，外壁衬有耐火层及冷却水套，既保证集烟罩的刚度、强度和耐高温性，又避免外来污染源对硅熔体的污染；
所述收尘系统可以为布袋、旋风、重力或静电等收尘设备，可以同时收集熔炼过程中烟尘中夹带的微硅粉、硅粉等。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法在硅片切割废料熔炼过程中外加吹气装置，通入氧化性气体，对熔化后的硅片切割废料进行氧化精炼，在硅熔体发生强烈搅拌的同时，促进硅中的Ca、Al等杂质氧化反应进入渣相得以去除，实现高品质硅的制备；
(2)本发明方法实现了硅片切割废料熔炼产出硅熔体中杂质的深度去除，解决前端熔炼工序对原料中杂质含量要求高的问题，有效扩宽了原料的使用范围。同时，降低了后续浇铸过程中对杂质控制的负担，使得浇铸过程中可使用大模具浇铸成为可能，提高了生产效率和降低了单位生产成本和能源消耗，从而间接实现了工业硅生产的节能减排绿色制造。
附图说明
图1为顶吹装置与熔炼装置配合示意图；
图2为升降-旋转系统连接示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例的顶吹装置与熔炼装置配合示意图见图1，顶吹装置包括吹气管、集烟罩、烟道和收尘装置，集烟罩、烟道和收尘装置依次连接，吹气管穿过集烟罩并插设至熔融硅液的底部；吹气管为隔热导气管，顶吹装置还可以包括储气柜，吹气管与储气柜连通，吹气管上还设置有安全阀、减压阀、可调开关；集烟罩外壁连接设置有升降-旋转构件(见图2)，升降-旋转构件包括控制器、驱动伺服电机I、驱动伺服电机II、传动轴I、传动轴II和夹持连杆，夹持连杆一端与集烟罩外壁固定连接，夹持连杆另一端与传动轴I的顶端固定连接，传动轴I的底端通过滚珠轴承或滚针轴承与传动轴II的顶端连接，传动轴I可在传动轴II的顶端旋转，传动轴II的底端与驱动伺服电机II的输出轴固定连接，驱动伺服电机II为步进往复电机，驱动伺服电机I通过支撑杆固定设置在传动轴II上，驱动伺服电机I的输出轴上设置有齿轮I，传动轴I上套设有齿轮II，齿轮I与齿轮II位于同一水平面上且啮合传动；驱动伺服电机I、驱动伺服电机II分别与控制器电连接；集烟罩外壁设置有耐火层和冷却水套；精炼过程中的烟尘烟气在气液界面处产生并在收集于集烟罩中，集烟罩口面积可以覆盖熔炼装置的整个顶部开口，集烟罩的升降-旋转构件可根据不同精炼时期进行高度调整，例如通气过程和加入造渣剂时可适当升高，加入或放出硅液时可以提升集烟罩至特定高度；集烟罩的耐火层可保证烟罩承受不同的熔炼温度；熔炼装置均可以为抬包炉、中间包、石墨坩埚或其它熔炼专用设备；熔炼装置的加热方式包括但不限于：电阻加热、感应加热、等离子体、电弧炉加热、反应生产的自热或硅熔体热容量等；集烟罩可以为圆底型、锥形型、四面体棱台型等形状，具体尺寸和截面形状可根据具体熔炼装置顶口几何形状和尺寸而定以保证烟罩与炉口的完好衔接，从而避免了炉气的跑、冒、漏等，并确保集烟罩内的微负压环境；集烟罩材质可以为不锈钢壳层、钢套等，外壁衬有耐火层及冷却水套，既保证集烟罩的刚度、强度和耐高温性，又避免外来污染源对硅熔体的污染；收尘系统可以为布袋、旋风、重力或静电等收尘设备，可以同时收集熔炼过程中烟尘中夹带的微硅粉、硅粉等。
实施例1：一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，具体步骤如下：
(1)将云南某切片企业的硅片切割废料压滤的滤饼进行干燥、破碎、筛分得到硅片切割废料颗粒；其中硅片切割废料颗粒的平均粒度<3cm，含水量<8％，以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为7600ppm，Ca为2000ppm；
(2)将硅片切割废料颗粒缓慢加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的1/3，将石墨坩埚置于感应炉内加热至硅片切割废料颗粒熔融；维持炉内温度为1500-1600℃，再分批将硅片切割废料颗粒加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的2/3，加热至硅片切割废料颗粒熔融得到熔融硅液；
(3)将顶吹装置移至熔炼装置感应炉的炉口正上方并使吹气口位于熔融硅液的底部，向硅熔体中吹入氧化性气体，熔融硅液进行顶吹富氧精炼去除铝、钙等杂质得到除杂硅熔体；其中氧化性气体的吹气方式为顶吹，氧化性气体为工业氧气，通气时间为10min，通气压力为0.1-2MPa，气体流速0.2-3m3/min；
(4)将除杂硅熔体进行浇铸得到硅产品；
以质量百分数计，本实施例硅产品中杂质含量为Al<300ppm，Ca<600ppm。
实施例2：一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，具体步骤如下：
(1)将云南某切片企业的硅片切割废料压滤的滤饼进行干燥、破碎、筛分得到硅片切割废料颗粒；其中硅片切割废料颗粒的平均粒度<3cm，含水量<8％，以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为5000ppm，Ca为1000ppm；
(2)将硅片切割废料颗粒缓慢加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的1/3，将石墨坩埚置于感应炉内加热至硅片切割废料颗粒熔融；维持炉内温度为1500-1600℃，再分批将硅片切割废料颗粒加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的2/3，加热至硅片切割废料颗粒熔融得到熔融硅液；
(3)将顶吹装置移至熔炼装置感应炉的炉口正上方并使吹气口位于熔融硅液的底部，向硅熔体中吹入氧化性气体，熔融硅液进行顶吹富氧精炼去除铝、钙等杂质得到除杂硅熔体；其中氧化性气体的吹气方式为顶吹，氧化性气体为富氧空气，通气时间为30min，通气压力为0.5-1MPa，气体流速0.1-0.2m3/min；
(4)将除杂硅熔体进行浇铸得到硅产品；
以质量百分数计，本实施例硅产品中杂质含量为Al<200ppm，Ca<500ppm。
实施例3：一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，具体步骤如下：
(1)将云南某切片企业的硅片切割废料压滤的滤饼进行干燥、破碎、筛分得到硅片切割废料颗粒；其中硅片切割废料颗粒的平均粒度<3cm，含水量<8％，以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为5000ppm，Ca为500ppm；
(2)将硅片切割废料颗粒缓慢加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的1/3，将石墨坩埚置于感应炉内加热至硅片切割废料颗粒熔融；维持炉内温度为1500-1600℃，再分批将硅片切割废料颗粒加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的2/3，加热至硅片切割废料颗粒熔融得到熔融硅液；
(3)将顶吹装置移至熔炼装置感应炉的炉口正上方并使吹气口位于熔融硅液的底部，向硅熔体中吹入氧化性气体，熔融硅液进行顶吹富氧精炼去除铝、钙等杂质得到除杂硅熔体；其中氧化性气体的吹气方式为顶吹，氧化性气体为空气，通气时间为20min，通气压力为1MPa，气体流速为0.3-0.4m3/min；
(4)将除杂硅熔体进行浇铸得到硅产品；
以质量百分数计，本实施例硅产品中杂质含量为Al<300ppm，Ca<100ppm。
实施例4：一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，具体步骤如下：
(1)将云南某切片企业的硅片切割废料压滤的滤饼进行干燥、破碎、筛分得到硅片切割废料颗粒；其中硅片切割废料颗粒的平均粒度<3cm，含水量<8％，以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为2000ppm，Ca为3000ppm；
(2)将硅片切割废料颗粒缓慢加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的1/3，将石墨坩埚置于感应炉内加热至硅片切割废料颗粒熔融；维持炉内温度为1500-1600℃，再分批将硅片切割废料颗粒加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的2/3，加热至硅片切割废料颗粒熔融得到熔融硅液；
(3)将顶吹装置移至熔炼装置感应炉的炉口正上方并使吹气口位于熔融硅液的底部，向硅熔体中吹入氧化性气体，熔融硅液进行顶吹富氧精炼去除铝、钙等杂质得到除杂硅熔体；其中氧化性气体的吹气方式为顶吹，氧化性气体为工业氧气与氩气的混合气体，工业氧气与氩气的体积比为2:1，通气时间为40min，通气压力为1.2MPa，气体流速0.5m3/min；
(4)将除杂硅熔体进行浇铸得到硅产品；
以质量百分数计，本实施例硅产品中杂质含量为Al<600ppm，Ca<300ppm。
实施例5：一种硅片切割废料顶吹精炼的方法，具体步骤如下：
(1)将云南某切片企业的硅片切割废料压滤的滤饼进行干燥、破碎、筛分得到硅片切割废料颗粒；其中硅片切割废料颗粒的平均粒度<3cm，含水量<8％，以质量百分数计，硅片切割废料中杂质含量为Al为3600ppm，Ca为1200ppm；
(2)将硅片切割废料颗粒缓慢加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的1/3，将石墨坩埚置于感应炉内加热至硅片切割废料颗粒熔融；维持炉内温度为1500-1600℃，再分批将硅片切割废料颗粒加入到石墨坩埚内至石墨坩埚有效熔炼体积的2/3，加热至硅片切割废料颗粒熔融得到熔融硅液；
(3)将顶吹装置移至熔炼装置感应炉的炉口正上方并使吹气口位于熔融硅液的底部，向硅熔体中吹入氧化性气体，熔融硅液进行顶吹富氧精炼去除铝、钙等杂质得到除杂硅熔体；其中氧化性气体的吹气方式为顶吹，氧化性气体为工业氧气与水蒸气的混合气体，工业氧气与水蒸气的体积比为3:1，通气时间为60min，通气压力1.0MPa，气体流速0.6m3/min；
(4)将除杂硅熔体进行浇铸得到硅产品；
以质量百分数计，本实施例硅产品中杂质含量为Al<500ppm，Ca<300ppm。
