一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法及设备技术

本发明专利技术涉及冶金熔炼技术，具体涉及硅粉废料的回收熔炼方法及设备。提出了一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，采用直流电弧熔炼技术，通过通入氩气提高主反应区的温度，有利于二氧化硅与还原剂充分反应，且能降低填料过程中硅粉的氧化，通过底部感应出料的方式，进一步提高了熔炼过程的效率，实现了连续出料。本发明专利技术还提出了一种金刚线切割硅粉的连续熔炼设备，包括熔炼炉、电极及供电控制系统，具有结构合理、提纯效果好、熔炼效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法及设备
本专利技术涉及冶金熔炼技术，具体涉及一种金刚线切割硅粉废料的回收熔炼方法及设备。
技术介绍
地球内蕴藏的化石能源有限，且大量的燃烧化石能源会造成很严重的环境污染，因此在未来人们对可在生能源的需求会越来越大。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源在可在生能源中扮演着重要的角色。其中太阳能光伏产业发展迅猛，已经成为了全球范围内稳步和快速发展的朝阳产业之一。近些年来，晶硅太阳能电池一直在太阳能电池中保持着90%以上的市场占有率，是当之无愧的主流技术，并且在数十年之内仍将占据主导地位。硅作为太阳能电池的主要原料，光伏产业的迅猛发展会大幅增加对太阳能级多晶硅的需求，截止到目前每年消耗的多晶硅原料可以达到40万吨，预计在2030年全球晶硅需求量比现在翻一番。目前晶硅太阳能电池切片主要采用金刚线切割技术，由于会产生切缝损失，质量近半的高纯硅粉与切割添加剂及镀层金属杂质混在一起形成切割废料。目前，切割废料主要用于钢铁冶炼的脱氧剂，也有用于合金的冶炼。但由于效果并不是很理想，并没有实现大规模应用。由于切割废料的数量逐年递增，且用途开发较少，价格从之前的1100元/吨下降至目前的700元/吨。从晶硅太阳能电池行业整体的角度来看，将日益增长的切割废料再制造成太阳能级硅，对于降低太阳能电池总成本实现大规模应用有着十分重要的意义。对于冶金法而言，解决金刚线切割硅粉废料回收问题一共可分为三步：第一步是硅粉废料的前处理，第二部是硅粉废料的熔炼，第三部是冶金硅的提纯。随着切割技术的不断进步，硅粉废料中的杂质含量会越来越少，因此解决硅粉回收问题的关键就是要解决超细粉体的熔炼问题。其中，熔炼过程中的出成率以及产品的纯度是决定回收硅潜在价值的重要因素。据调查，工业上尝试过对硅粉废料直接进行感应熔炼，但由于金刚线切割硅粉较细，一般小于0.5微米，加之感应熔炼温度较低，在熔炼的过程中超细硅粉极易与碳气氛等发生不可逆的化学反应，因此一般出成率不超过70%。其中还有一个非常重要的缺点是硅粉的填充率非常低，由于硅粉表面附着有有机添加剂，烘干后的硅粉较为蓬松，堆垛密度一般为0.3g/cm3,实际的填充效率不超过10%。考虑到坩埚的消耗，这种方式经济可行性差，因此并没有被推广。另一种方式是造渣熔炼，其缺点依然是出成率较低，由于填料过程中的氧化问题，其出成率一般不足60%，且会引入大量的渣剂杂质。目前，针对于金刚线切割硅粉废料的回收研究较少。已经发表的文献包括：热等离子体熔炼、感应熔炼、球磨成纳米颗粒制直接制备太阳能电池、溴氢化和气溶胶反应等。前人的这些研究拓宽了硅粉的应用和提供的必要的理论支撑，但是均没有致力于从根本上解决目前硅粉废料回收的实际问题。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，采用电弧熔炼方式，配合底部感应出料及氩气保护，有效提高了硅的出成率及熔炼效率，降低了硅中的杂质。另外，本专利技术还提供了一种金刚线切割硅粉的连续熔炼设备，具有结构合理、提纯效果好、熔炼效率高等优点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：提出了一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，包括以下步骤：第一步：在炉体底部的出料流道中填满硅块，然后盖上炉箅，通过中空的负电极向炉体内部持续通入氩气，启动电弧熔炼系统供电控制系统，采用低功率对炉体进行预热，直到加热电流趋于稳定；第二步：提高电弧熔炼系统的输出功率至熔炼所需正常功率，通过设置在炉盖上的对称加料口向炉体中加入配置好还原剂的块状硅粉废料；整个熔炼过程中需要保证氩气的持续通入，同时负电极深入且稳定地插入在硅粉废料中，且加热电流及电压稳定；第三步：当炉体内的熔化硅液上涨上部临界高度时，给设置在出料流道上的感应线圈通电，对出料流道进行感应加热，当出料流道温度达到硅的熔点时，将出料流道中填装的硅块熔化，炉体内的硅液通过出料流道流入预先放置的收料容器中，当炉体内硅液下降至下部临界高度时，停止向感应线圈通电，出料流道温度降低，硅液的自行凝结将出料流道封死；第四步：重复所述第二、三步，实现硅粉的连续熔炼。所述出料流道为上宽下窄式的V形结构，V形结构的倾斜角度为3°-8°。所述电弧熔炼系统采用直流供电，且正电极及负电极均采用双侧对称进出的接电方式。一种金刚线切割硅粉的连续熔炼设备，包括熔炼炉、电极及供电控制系统，所述熔炼炉包括炉盖、炉体及设置在炉体底部的出料系统，所述炉盖上设置有加料口、观察窗及炉内排烟口，所述炉盖密封盖合于所述炉体顶部，所述出料系统包括多孔炉篦、出料流道及感应加热线圈，所述多孔炉篦设置在出料流道的顶部，所述出料流道上绕制有所述感应加热线圈；所述电极包括正电极及负电极，所述正电极设置在所述炉体内靠近底部位置处，所述负电极为中空电极，负电极安装在炉盖上并延伸至炉体内；所述供电控制系统包括依次连接的电源、变压器及整流器，所述整流器输出负极通过负极短网及输电系统与所述负电极电连接，所述负电极与电极自动升降系统连接，所述整流器输出正极通过正极短网及电极连通装置与所述正电极电连接。所述出料流道为上宽下窄式的V形结构，V形结构的倾斜角度为3°-8°。所述炉盖上设置有水冷紧锢圈。所述炉盖采用砂封密封盖合于所述炉体顶部。所述炉体外壁上设置有水冷炉壳。本专利技术的熔炼方法中首次提出用直流电弧熔炼的方法来解决目前硅粉废料熔炼效果差的关键问题。电弧熔炼由于其熔炼温度高，远大于硅粉废料所需要的反应温度（理论>1800℃），且在氩气保护的条件下，主反应区的温度会进一步提高，相比普通电弧熔炼更有利于二氧化硅与还原剂充分反应，整个熔炼过程中氩气保持持续通入，可以有效防止电极在预热过程中的氧化和硅粉在填料过程中的氧化，从而降低还原剂配比节约成本；通过合理的控制反应过程的氧化还原平衡以及连续化生产工艺，理论上硅的出成率大于90%，结合底部感应出料的方式，可以进一步地提高熔炼过程的效率；同时，采用该熔炼方法出料时间短，结合料炉体加盖以及氩气保护技术，可以使硅中的氧、氮及夹杂物的含量有所减少，有利于得到较高品级的硅材料。本专利技术的熔炼设备采用电弧熔炼方式，由于直流电弧阴极的损耗仅为交流电弧的30%-50%，闪烁效应只有交流的50%-70%，埋弧操作噪声较低,自然功率因数高达0.94-0.96，电极中心温度高热量集中，易于深埋电极，炉底不易上涨，特别适合硅粉废料等熔点较高的产品冶炼。因此本套电弧熔炼装置的供电系统采用直流，并通过双侧对称进出的接电方式（即：将整流器输出的正级或负极均采用一根导线分成两路，然后将两路对称地接到正电极或负电极的两侧）来有效的解决直流电弧在熔炼过程中的偏弧现象，通过中空电极通氩气的方法来提高熔炼效率和减少硅粉氧化，有利于得到较高品级的硅材料；该熔炼设备炉盖与炉体之间采用砂封避免烟气泄露；该熔炼设备采用底部感应连续出料系统，由于硅在凝固过程中，体积会发生膨胀，因此出料流道设计成下窄上宽的结构，倾斜角度为3°-8°，料道的长度以硅液能够自行凝固封口为准，出料料道部分设计有感应加热线圈，可以随时对料道进行加热，实现连续放料功能；同时由于采用底部出料，水冷炉壳的面积可以增加到90%左右，有利于扩大炉熔炼和降低耐火材料的消耗。附图说明图1为本专利技术熔炼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：在炉体底部的出料流道中填满硅块，然后盖上炉箅，通过中空的负电极向炉体内部持续通入氩气，启动电弧熔炼系统供电控制系统，采用低功率对炉体进行预热，直到加热电流趋于稳定；第二步：提高电弧熔炼系统的输出功率至熔炼所需正常功率，通过设置在炉盖上的对称加料口向炉体中加入配置好还原剂的块状硅粉废料；整个熔炼过程中需要保证氩气的持续通入，同时负电极深入且稳定地插入在硅粉废料中，且加热电流及电压稳定；第三步：当炉体内的熔化硅液上涨上部临界高度时，给设置在出料流道上的感应线圈通电，对出料流道进行感应加热，当出料流道温度达到硅的熔点时，将出料流道中填装的硅块熔化，炉体内的硅液通过出料流道流入预先放置的收料容器中，当炉体内硅液下降至下部临界高度时，停止向感应线圈通电，出料流道温度降低，硅液的自行凝结将出料流道封死；第四步：重复所述第二、三步，实现硅粉的连续熔炼。

【技术特征摘要】
1.一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：在炉体底部的出料流道中填满硅块，然后盖上炉箅，通过中空的负电极向炉体内部持续通入氩气，启动电弧熔炼系统供电控制系统，采用低功率对炉体进行预热，直到加热电流趋于稳定；第二步：提高电弧熔炼系统的输出功率至熔炼所需正常功率，通过设置在炉盖上的对称加料口向炉体中加入配置好还原剂的块状硅粉废料；整个熔炼过程中需要保证氩气的持续通入，同时负电极深入且稳定地插入在硅粉废料中，且加热电流及电压稳定；第三步：当炉体内的熔化硅液上涨上部临界高度时，给设置在出料流道上的感应线圈通电，对出料流道进行感应加热，当出料流道温度达到硅的熔点时，将出料流道中填装的硅块熔化，炉体内的硅液通过出料流道流入预先放置的收料容器中，当炉体内硅液下降至下部临界高度时，停止向感应线圈通电，出料流道温度降低，硅液的自行凝结将出料流道封死；第四步：重复所述第二、三步，实现硅粉的连续熔炼。2.根据权利要求1所述的一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，其特征在于，所述出料流道为上宽下窄式的V形结构，V形结构的倾斜角度为3°-8°。3.根据权利要求1所述的一种金刚线切割硅粉的连续熔炼方法，其特征在于，所述电弧熔炼系统采用直流供电，且正电极及负电极均采用双侧对称进出的接电方式。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：谭毅，卢通，王登科，
申请(专利权)人：大连颐和顺新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21