[发明专利]一种分离硅和剩渣的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅材料提纯的方法，主要是一种分离硅和剩渣的方法, 特别是一种在使用造渣法提纯硅材料的熔炼过程中方便而有效地分离硅和剩渣的方法。

背景技术

用造渣法提纯硅材料是物理法提纯硅材料的多种方法中，最简单易行的方法之一。从原理上来说造渣法的性价比是最高的。因为根据此方法，只需把适当的渣剂和硅材料混合在一块，加热、熔化，保持一段时间然后将硅取出；或者先把硅材料和渣剂分别加热、熔化，再将两种液体混合、搅拌，保持一段时间后将硅取出就可以了。不像其他的物理法提纯需要更复杂的工艺，比如用注入水蒸汽的等离子火焰处理硅液，同时还需用中频感应炉搅拌硅液；另外一个方法是用高温炉把硅熔化，然后往硅液里注入氢气、二氧化碳、水蒸汽、二氧化硅粉末等，同时不停的搅拌，并保持几个小时。这些方法比起造渣法都是更加复杂的。

      然而造渣法有一个严重的问题，即如何把反应完的硅和剩渣分离开来。硅和剩渣的有效的、经济的分离方法将确保造渣法可以用于大批量工业化生产并提高此提纯工艺的性价比。

现有技术的分离硅和剩渣的方法有几种：

（1）设计渣的密度，使熔化反应后的液体渣和液体硅分层，然后把硅液通过开通容器中置于一定高度的排液口排出【 PCT WO 03/031332 A1】。此方法的缺点是需要设计很复杂的高纯石墨容器，成本高且容器易损耗，至今并未投入工业化生产。

（2）在硅和渣都处于液态时，把硅液舀出【US 6861040 B1】。此方法的缺点是，部分渣液会随硅被取出。即使是很少的剩渣，留在硅料中，由于粘接得很结实，后清洗硅的工艺会十分复杂。同时一部分硅会留在渣液里，降低硅的生产效率。此方法虽已经在工业中大量使用，然而其有效性和经济性都不理想。

 

本发明提出一种全新的方法，提出利用硅和剩渣的膨胀系数和导热系数的不同，通过液淬的方式来分离硅和剩渣。液粹是指将高温液体的物质快速倾倒在一种温度远低于这种高温液体的另一种液体中以快速交换热量，并将高温液体的物质凝固。这种低温液体可以是水，也可以是酸溶液，或碱溶液，或水基冷却液，或油基冷却液；水淬是液淬的一种。采用的冷却液必须不含超过允许范围的可溶入硅料中的各项杂质，特别是冷却液中的硼含量不超过50ppb，磷含量不超过50ppb,其他金属总含量不超过10ppm。当液体的硅和剩渣混合熔体缓缓地以细流方式倒入冷却液里时，由于硅的导热性良好，硅的表层马上凝固成球壳状，形成球状体，硅的内部较慢凝固；同时由于液体硅的密度较固体硅大，因此当硅球从外部往内部凝固时，有时内部的液体会被挤出来，形成葡萄串的形状，然而良好的导热性会保证经过快速冷却后的硅不碎裂。当渣液被倒入冷却液里快速冷却时，剩渣的表面开始凝固，但由于剩渣的导热性差，加上液体渣的密度较固体渣小，急速骤冷使剩渣因导热性差和热胀冷缩而碎裂形成细粒的固体，而这些固体的膨胀系数不同于硅的膨胀系数，所以凝固后的剩渣同凝固后的硅不能亲和，剩渣会自然地从同硅的接触部位剥落开来。另一方面，渣液里面含有低沸点的物质，包括气体，比如CO2、水蒸汽或SiO等。在液态剩渣骤然凝固的时刻处于气体形态的这些物质或气体会被束缚在凝固后的剩渣中，形成了凝固后的剩渣的疏松结构。正因为以上的机理，本发明可以很巧妙地使硅液和剩渣液在骤然冷却凝固后自然分离。为了便于把硅取出，可以设计骤冷工艺，将硅和渣液缓慢倒入冷却液，使硅凝固成3～10毫米大小的颗粒的球状体，剩渣凝固成结构疏松的细颗粒。凝固后的硅、渣混合物是很容易分开的。由于剩渣的细颗粒是疏松的，可以利用比较轻柔的机械的方式，比如物料自相搓动，或者相互揉动使渣破碎成更小的细粒，比硅颗粒小得多的细粒，然后通过筛分把硅球取出。此方案简单经济，适合大规模生产。

 

发明内容