一种过共晶铝硅合金中初生硅的分离方法
技术领域
本发明属于冶金法制备太阳能级多晶硅技术领域，具体涉及一种采用区域熔炼工艺对过共晶铝硅合金中初生硅进行分离的方法。
背景技术
太阳能级多晶硅是硅太阳能电池的主要原料，其制备工艺一直是太阳能领域的研究重点。在冶金硅提纯制备太阳能级多晶硅的众多方法中，Al-Si合金凝固精炼法因具有熔炼温度低、除杂效率高等优点，而受到了广泛关注。但是固态Al-Si合金中初生硅是弥散分布的，硅的回收难，回收效率不高。如何分离及提高初生硅的回收效率，是合金凝固精炼法亟待解决的问题。目前采用感应加热固定交变磁场，旋转磁场，超重力等技术从Al-Si合金中分离硅，硅的富集能有利于后续的回收并且还能降低酸用量。这些技术在实验室规模取得了成功，但是难以实现连续的量化生产。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种过共晶铝硅合金中初生硅的分离方法，解决了合金凝固精炼过程中初生硅从熔体中分离难、分离效率不高的问题。
本发明采用区域熔炼工艺对Al和Si进行分离；因为Al和Si在液相中无限互溶，而Al在固态Si中的溶解度几乎为零，因此理论上能够通过区熔实现初生硅和铝的分离；当熔体温度达到共晶温度时，过共晶成分的铝硅合金可以分离为初生硅和共晶硅熔体；因此控制区域熔炼的工艺参数，就能实现硅从共晶熔体中分离，从而实现提高初生硅回收率的目的；另外，感应加热区域熔炼工艺具有工艺简单，设备要求低，试样的直径和长度可按实际情况扩大或延长等优点，易实现规模量化生产。
本发明方法通过感应加热区域熔炼实现，通过控制区熔速度和熔炼次数等条件实现初生硅的高效富集，具有工艺简单，设备要求低，试样可延长等优点，易实现规模量化生产等优点。
所述从过共晶铝硅合金中分离初生硅的方法，步骤如下：
（1）将工业铝和工业硅在感应电炉中熔化为铝硅合金溶液，铝硅合金溶液中硅的质量百分含量为30%-80%，将铝硅合金溶液并浇铸为圆柱状铸锭；
（2）将圆柱状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区域熔炼温度控制在800℃-1350℃，区熔速度控制在1mm/min-10mm/min；
（3）区域熔炼结束后，从试样底部截取初生硅富集部分，用3-6mol/L HCl去除硅晶体间的铝基体，回收初生硅；初生硅用去离子水冲洗至溶液呈中性，干燥后研磨至粒径小于50μm，再用浓盐酸和浓硝酸的混合溶液清洗6-12h；采用去离子水清洗硅粉，直至溶液呈中性，过滤收集，干燥后得到高纯度硅粉。
所述圆柱状铸锭的直径为10-100mm。
所述浓盐酸和浓硝酸的混合溶液中浓盐酸:浓硝酸体积比为3:1。
步骤（2）中感应加热区域熔炼可以重复一次以上。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用区域熔炼工艺，提高了铝硅合金熔体中初生硅的分离效率；
（2）本发明提出的感应加热区域熔炼具有工艺简单，设备要求低，试样可延长等优点，易实现规模量化生产。
附图说明
图1为实施例1制备的铝硅合金铸锭的纵截面形貌；
图2为实施例1中区域熔炼铝硅合金凝固试样的纵截面形貌；
图3为实施例2中，区域熔炼铝硅合金凝固试样的纵截面形貌；
图4为实施例3中，区域熔炼铝硅合金凝固试样的纵截面形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例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。任何悉知技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1：过共晶铝硅合金中初生硅的分离方法如下：
（1）按Al-45wt%Si合金成分称取工业硅（纯度95%）和纯铝（纯度为99%），利用感应加热熔炼炉进行熔炼，熔炼后浇铸为直径10mm的棒状铸锭，棒状铸锭的纵截面形貌见图1；
（2）将棒状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区熔温度控制在1050±50℃，区熔速度为3mm/min；
（3）待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样；利用线切割机沿试样的纵截面切开，研磨，抛光后，利用数码相机拍摄试样的纵截面形貌如图2所示；从图中可以看出初生硅富集于试样底部，与步骤（1）铸锭试样的纵截面形貌图1存在明显差别；从试样底部截取初生硅富集部分，用6mol/L HCl溶解硅晶体间夹杂的铝，回收初生硅，并用去离子水冲洗至溶液呈中性后过滤并干燥；初生硅研磨至粒径小于50μm的颗粒，用浓盐酸（HCl）和浓硝酸（体积比为3:1）的王水溶液清洗6h；最后硅粉采用去离子水清洗至溶液呈中性，过滤，收集硅粉，干燥后得到高纯度硅粉。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）检测硅粉主要杂质含量见下表1，由表1可见，去除效果明显；
表.1：冶金硅和提纯硅的主要杂质含量
实施例2：过共晶铝硅合金中初生硅晶体的分离方法如下：
（1）按Al-45wt%Si合金成分称取工业硅（纯度95%）和纯铝（纯度为99%），利用感应加热熔炼炉进行熔炼，熔炼后浇铸为直径10mm棒状铸锭；
（2）将棒状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼，感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区熔温度控制在1050±50℃，区熔速度为3mm/min；
（3）第一次区熔结束后，重复步骤（2）2次，感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区熔温度控制在1050±50℃，区熔速度为3mm/min；
（4）待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样。利用线切割机沿试样纵截面切开，研磨，抛光后，利用数码相机拍摄试样的纵截面形貌如图3，从图中可以看出：与一次区熔图2相比，试样底部初生硅的富集程度提高；从试样底部截取初生硅富集部分，用6mol/L HCl溶解硅晶体间夹杂的铝，回收初生硅；初生硅用去离子水冲洗至溶液呈中性，过滤并干燥后，将初生硅研磨至粒径小于50μm的颗粒，用浓盐酸（HCl）和浓硝酸（体积比为3:1）的王水溶液清洗10h；最后，硅粉采用去离子水清洗至溶液呈中性，过滤收集，干燥后得到高纯度硅粉，去除效果明显。
实施例3：过共晶铝硅合金中初生硅的分离方法，其具体步骤如下：
（1）按Al-65wt%Si合金成分称取工业硅（纯度95%）和纯铝（纯度为99%），利用感应加热熔炼炉进行熔炼，熔炼后浇铸为10mm棒状铸锭；
（2）将棒状铸锭置于石墨坩埚中，进行感应加热区域熔炼；感应加热区域熔炼真空度小于10Pa，区熔温度控制在1200±50℃，区熔速度为5mm/min；
（3）待实验结束，关闭电源和伺服电机，等待10min，待坩埚温度降低；打开区域熔炼感应炉取出合金试样。试样利用线切割机沿纵截面切开，研磨，抛光后，用数码相机拍摄试样纵截如图4；从试样底部截取初生硅富集部分，用4mol/L HCl溶解硅晶体间夹杂的铝，回收片状的初生硅，用去离子水冲洗初生硅至溶液呈中性，过滤并干燥后，将初生硅研磨至粒径小于50μm的颗粒，用浓盐酸（HCl）和浓硝酸（体积比为3:1）的王水溶液清洗12h；最后，采用去离子水清洗硅粉，直至溶液呈中性，过滤收集，干燥后得到高纯度硅粉，去除效果明显。
