1.本發(fā)明屬于硅材料提純的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種硅材料提純裝置及方法。

背景技術(shù)：

2.進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著礦石能源的日益枯竭及其應(yīng)用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，促使光伏產(chǎn)業(yè)世界范圍內(nèi)快速發(fā)展。我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上明確提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。如果到了2060年，中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和，核能的裝機(jī)容量是現(xiàn)在的5倍多，風(fēng)能的裝機(jī)容量是現(xiàn)在的12倍多，而太陽(yáng)能裝機(jī)容量會(huì)是現(xiàn)在的70多倍。光伏產(chǎn)能的迅速擴(kuò)張使得多晶硅原料的需求大漲。

3.但是，光伏產(chǎn)業(yè)消耗的多晶硅會(huì)有近30％在硅棒加工過(guò)程中生成硅粉，2020年我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)多晶硅消耗量為54萬(wàn)噸，意味著有16萬(wàn)噸左右的硅粉產(chǎn)生。另一方面，光伏協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前各型號(hào)單晶爐43900多臺(tái)，每爐每月生產(chǎn)3爐，每爐產(chǎn)生5公斤的鍋底料，則每年有近20000多噸的鍋底料產(chǎn)生。還有大量的原生多晶硅破碎過(guò)程中產(chǎn)生的落地料等。當(dāng)前對(duì)于這些硅料還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)科學(xué)的綜合循環(huán)利用，是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，也是制約光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種硅材料提純裝置及方法，以緩解上述的技術(shù)問(wèn)題。

5.為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

6.第一方面：

7.本發(fā)明提供了一種硅材料提純裝置，包括提煉爐、坩堝、真空機(jī)組、冷卻系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)；所述提煉爐具有爐蓋和爐門(mén)；所述坩堝設(shè)于所述提煉爐的內(nèi)部，所述真空機(jī)組與所述提煉爐連通，所述加熱系統(tǒng)設(shè)置于所述坩堝上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置于所述坩堝的下方。

8.進(jìn)一步地，還包括下料倉(cāng)，所述下料倉(cāng)具有加料口和下料管道，所述下料管道傾斜設(shè)置，且其底端位于所述提煉爐的內(nèi)部，并位于所述坩堝的上方。

9.進(jìn)一步地，所述加熱系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)線圈，所述電磁感應(yīng)線圈圍繞所述坩堝的外部設(shè)置。

10.進(jìn)一步地，所述加熱系統(tǒng)還包括引燃環(huán)和提拉裝置，所述引燃環(huán)位于所述坩堝的內(nèi)部，所述引燃環(huán)與所述提拉裝置連接。

11.進(jìn)一步地，所述提拉裝置包括第一機(jī)架、電機(jī)、減速齒輪組和提拉桿，所述第一機(jī)架設(shè)置于所述爐蓋上，所述電機(jī)和所述減速齒輪組固定于所述第一機(jī)架上，所述提拉桿的底端與所述引燃環(huán)固定連接，所述電機(jī)的動(dòng)力輸出軸與所述減速齒輪組的輸入端連接，所述提拉桿與所述減速齒輪組的輸出端連接。

12.進(jìn)一步地，所述冷卻系統(tǒng)包括下拉裝置和承托座，所述坩堝為筒狀結(jié)構(gòu)，所述承托座位于所述坩堝的底部，所述下拉裝置與所述承托座連接。

13.進(jìn)一步地，所述下拉裝置包括第二機(jī)架、升降柱及液壓缸，所述第二機(jī)架預(yù)埋于所

述提煉爐的下方，所述液壓缸固定于所述第二機(jī)架上，所述升降柱的底端與所述液壓缸的動(dòng)力輸出桿連接，所述升降柱的頂端與所述承托座固定連接。

14.進(jìn)一步地，所述冷卻系統(tǒng)還包括水冷裝置，所述水冷裝置圍繞所述承托座設(shè)置。

15.進(jìn)一步地，還包括底座，所述底座設(shè)置于所述提煉爐的底部。

16.第二方面：

17.本發(fā)明提供了一種硅材料提純方法，包括如下步驟：

18.s1:將待處理的硅料自加料口放入至下料倉(cāng)，并關(guān)閉料倉(cāng)口；

19.s2:啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)提煉爐內(nèi)抽真空；

20.s3:將硅料自下料倉(cāng)的下料管道導(dǎo)送至坩堝內(nèi)的承托座上；

21.s4:啟動(dòng)加熱系統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈和引燃環(huán)，并將硅料加熱至熔融狀態(tài)；

22.s5:關(guān)閉電磁感應(yīng)線圈，并利用提拉裝置將引燃環(huán)提升至坩堝的外部；

23.s6:啟動(dòng)水冷裝置，并利用下拉裝置對(duì)熔融的硅料進(jìn)行下移，冷卻至硅錠；

24.s7:停止真空機(jī)組抽真空，并給提煉爐內(nèi)充氣，打開(kāi)爐門(mén)，取出硅錠。

25.相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的一種硅材料提純裝置及方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

26.(1)本發(fā)明第一方面通過(guò)硅料提煉裝置對(duì)占多晶年消耗量30％以上的切割硅棒產(chǎn)生的硅粉、單晶爐鍋底料、多晶硅落地料等實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的循環(huán)利用，補(bǔ)齊光伏產(chǎn)業(yè)最后一塊短板，推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)綠色安全、健康友好地發(fā)展。

27.(2)本發(fā)明第二方面通過(guò)硅料提煉方法，使用第一方面中的提煉裝置，能夠達(dá)到第一方面中所能達(dá)到的效果。

附圖說(shuō)明

28.構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

29.圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的一種硅材料提純裝置及方法的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

30.圖2為圖1中a部分的放大示意圖；

31.圖3為圖1中b部分的放大示意圖。

32.附圖標(biāo)記說(shuō)明：

33.1-提煉爐；2-坩堝；3-真空機(jī)組；4-爐蓋；5-爐門(mén)；6-下料倉(cāng)；7-加料口；8-下料管道；9-電磁感應(yīng)線圈；10-引燃環(huán)；11-第一機(jī)架；12-電機(jī)；13-提拉桿；14-承托座；15-第二機(jī)架；16-升降柱；17-液壓缸；18-水冷裝置；19-底座。

具體實(shí)施方式

34.需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

35.在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相

對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

36.在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)單元的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以通過(guò)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

37.下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

38.如圖1-3所示，第一方面：本發(fā)明提供了一種硅材料提純裝置，包括提煉爐1、坩堝2、真空機(jī)組3、冷卻系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)；所述提煉爐1具有爐蓋4和爐門(mén)5；所述坩堝2設(shè)于所述提煉爐1的內(nèi)部，所述真空機(jī)組3與所述提煉爐1連通，所述加熱系統(tǒng)設(shè)置于所述坩堝2上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置于所述坩堝2的下方。更為優(yōu)選地，還包括下料倉(cāng)6，所述下料倉(cāng)6具有加料口7和下料管道8，所述下料管道8傾斜設(shè)置，且其底端位于所述提煉爐1的內(nèi)部，并位于所述坩堝2的上方。更為優(yōu)選地，所述加熱系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)線圈9，所述電磁感應(yīng)線圈9圍繞所述坩堝2的外部設(shè)置。更為優(yōu)選地，所述加熱系統(tǒng)還包括引燃環(huán)10和提拉裝置，所述引燃環(huán)10位于所述坩堝2的內(nèi)部，所述引燃環(huán)10與所述提拉裝置連接。更為優(yōu)選地，所述提拉裝置包括第一機(jī)架11、電機(jī)12、減速齒輪組和提拉桿13，所述第一機(jī)架11設(shè)置于所述爐蓋4上，所述電機(jī)12和所述減速齒輪組固定于所述第一機(jī)架11上，所述提拉桿13的底端與所述引燃環(huán)10固定連接，所述電機(jī)12的動(dòng)力輸出軸與所述減速齒輪組的輸入端連接，所述提拉桿13與所述減速齒輪組的輸出端連接。更為優(yōu)選地，所述冷卻系統(tǒng)包括下拉裝置和承托座14，所述坩堝2為筒狀結(jié)構(gòu)，所述承托座14位于所述坩堝2的底部，所述下拉裝置與所述承托座14連接。更為優(yōu)選地，所述下拉裝置包括第二機(jī)架15、升降柱16及液壓缸17，所述第二機(jī)架15預(yù)埋于所述提煉爐1的下方，所述液壓缸17固定于所述第二機(jī)架15上，所述升降柱16的底端與所述液壓缸17的動(dòng)力輸出桿連接，所述升降柱16的頂端與所述承托座14固定連接。更為優(yōu)選地，所述冷卻系統(tǒng)還包括水冷裝置18，所述水冷裝置18圍繞所述承托座14設(shè)置。更為優(yōu)選地，還包括底座19，所述底座19設(shè)置于所述提煉爐1的底部。

39.第二方面：本發(fā)明提供了一種硅材料提純方法，包括如下步驟：s1:將待處理的硅料自加料口7放入至下料倉(cāng)6，并關(guān)閉料倉(cāng)口；s2:啟動(dòng)真空機(jī)組3對(duì)提煉爐1內(nèi)抽真空；s3:將硅料自下料倉(cāng)6的下料管道8導(dǎo)送至坩堝2內(nèi)的承托座14上；s4:啟動(dòng)加熱系統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈9和引燃環(huán)10，并將硅料加熱至熔融狀態(tài)；s5:關(guān)閉電磁感應(yīng)線圈9，并利用提拉裝置將引燃環(huán)10提升至坩堝2的外部；s6:啟動(dòng)水冷裝置18，并利用下拉裝置對(duì)熔融的硅料進(jìn)行下移，冷卻至硅錠；s7:停止真空機(jī)組3抽真空，并給提煉爐1內(nèi)充氣，打開(kāi)爐門(mén)5，取出硅錠。

40.在實(shí)際使用過(guò)程中，硅料在真空環(huán)境下進(jìn)行熔化并定向凝固，有效去除硅中飽和蒸氣壓高于硅的雜質(zhì)和硅中雜質(zhì)分凝系數(shù)小于或大于1的雜質(zhì)。電磁感應(yīng)線圈9的加熱功率一般為200kw-1200kw，頻率一般為20000hz-50000hz。坩堝2與電磁感應(yīng)線圈9尺寸相配套，電磁感應(yīng)線圈9自凝殼坩堝2外圍，坩堝2與線圈之間距離在5mm-50mm范圍內(nèi)，一般最優(yōu)間距在于15mm-25mm。線圈匝數(shù)及高度根據(jù)電源參數(shù)及工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整。一般為80mm-200mm之間，一般最優(yōu)在于100mm-150mm之間。真空機(jī)組3一般為3級(jí)泵機(jī)組，如機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散

泵組成的3級(jí)泵。維持提純爐體內(nèi)的真空度在工作過(guò)程中≤9.9

×

10-2pa。下料倉(cāng)6內(nèi)設(shè)有控制硅料進(jìn)入至提煉爐1內(nèi)的裝置，例如閥門(mén)，振動(dòng)裝置等引燃環(huán)10為石墨引燃環(huán)10，引燃環(huán)10通過(guò)提拉桿13可上下移動(dòng)。精煉提純后得到的硅錠，由爐門(mén)5取出。啟動(dòng)真空系統(tǒng)抽真空，爐體真空度≤9.9

×

10-2pa，一般最優(yōu)為真空度≤5.0

×

10-3pa，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)時(shí)，先啟動(dòng)電磁感應(yīng)線圈9，然后引燃環(huán)10通過(guò)感應(yīng)到電磁感應(yīng)線圈9的熱量被加熱，把熱量傳給坩堝2內(nèi)的硅料，硅料被加熱到200℃之后逐漸吸收電磁場(chǎng)的能量，溫度繼續(xù)升高，直到熔化，硅料溫度700℃以上就可充分吸收電磁場(chǎng)的能量，這時(shí)就可提升提拉桿13，把引燃環(huán)10移出坩堝2。

41.整體上，由下料操作、加熱操作與下拉操作相互配合，硅料由下料倉(cāng)6進(jìn)入坩堝2，加熱熔化后隨著下拉裝置的下移，熔化后的液體硅料移出電磁感應(yīng)線圈9的有效加熱范圍重新凝固，隨著下拉系統(tǒng)的下移形成硅錠。硅錠達(dá)到工藝要求的高度就可停止加料、拉錠、加熱。最后停止抽真空，給爐體充氣、開(kāi)爐門(mén)5、取硅錠。

42.以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種硅材料提純裝置，其特征在于：包括提煉爐、坩堝、真空機(jī)組、冷卻系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)；所述提煉爐具有爐蓋和爐門(mén)；所述坩堝設(shè)于所述提煉爐的內(nèi)部，所述真空機(jī)組與所述提煉爐連通，所述加熱系統(tǒng)設(shè)置于所述坩堝上，所述冷卻系統(tǒng)設(shè)置于所述坩堝的下方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：還包括下料倉(cāng)，所述下料倉(cāng)具有加料口和下料管道，所述下料管道傾斜設(shè)置，且其底端位于所述提煉爐的內(nèi)部，并位于所述坩堝的上方。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：所述加熱系統(tǒng)包括電磁感應(yīng)線圈，所述電磁感應(yīng)線圈圍繞所述坩堝的外部設(shè)置。4.根據(jù)權(quán)利要求3的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：所述加熱系統(tǒng)還包括引燃環(huán)和提拉裝置，所述引燃環(huán)位于所述坩堝的內(nèi)部，所述引燃環(huán)與所述提拉裝置連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：所述提拉裝置包括第一機(jī)架、電機(jī)、減速齒輪組和提拉桿，所述第一機(jī)架設(shè)置于所述爐蓋上，所述電機(jī)和所述減速齒輪組固定于所述第一機(jī)架上，所述提拉桿的底端與所述引燃環(huán)固定連接，所述電機(jī)的動(dòng)力輸出軸與所述減速齒輪組的輸入端連接，所述提拉桿與所述減速齒輪組的輸出端連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：所述冷卻系統(tǒng)包括下拉裝置和承托座，所述坩堝為筒狀結(jié)構(gòu)，所述承托座位于所述坩堝的底部，所述下拉裝置與所述承托座連接。7.根據(jù)權(quán)利要求6的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：所述下拉裝置包括第二機(jī)架、升降柱及液壓缸，所述第二機(jī)架預(yù)埋于所述提煉爐的下方，所述液壓缸固定于所述第二機(jī)架上，所述升降柱的底端與所述液壓缸的動(dòng)力輸出桿連接，所述升降柱的頂端與所述承托座固定連接。8.根據(jù)權(quán)利要求7的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：所述冷卻系統(tǒng)還包括水冷裝置，所述水冷裝置圍繞所述承托座設(shè)置。9.根據(jù)權(quán)利要求8的一種硅材料提純裝置及方法，其特征在于：還包括底座，所述底座設(shè)置于所述提煉爐的底部。10.一種硅材料提純方法，其特征在于，包括如下步驟：將待處理的硅料自加料口放入至下料倉(cāng)，并關(guān)閉料倉(cāng)口；啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)提煉爐內(nèi)抽真空；將硅料自下料倉(cāng)的下料管道導(dǎo)送至坩堝內(nèi)的承托座上；啟動(dòng)加熱系統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈和引燃環(huán)，并將硅料加熱至熔融狀態(tài)；關(guān)閉電磁感應(yīng)線圈，并利用提拉裝置將引燃環(huán)提升至坩堝的外部；啟動(dòng)水冷裝置，并利用下拉裝置對(duì)熔融的硅料進(jìn)行下移，冷卻至硅錠；停止真空機(jī)組抽真空，并給提煉爐內(nèi)充氣，打開(kāi)爐門(mén)，取出硅錠。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種硅材料提純裝置及方法，提純裝置包括提煉爐、坩堝、真空機(jī)組、冷卻系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)；坩堝設(shè)于提煉爐的內(nèi)部，真空機(jī)組與提煉爐連通，加熱系統(tǒng)設(shè)置于坩堝上，冷卻系統(tǒng)設(shè)置于坩堝的下方。提純方法包括將待處理的硅料自加料口放入至下料倉(cāng)，并關(guān)閉料倉(cāng)口；啟動(dòng)真空機(jī)組對(duì)提煉爐內(nèi)抽真空；將硅料自下料倉(cāng)的下料管道導(dǎo)送至坩堝內(nèi)的承托座上；啟動(dòng)加熱系統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈和引燃環(huán)，并將硅料加熱至熔融狀態(tài)；關(guān)閉電磁感應(yīng)線圈，并利用提拉裝置將引燃環(huán)提升至坩堝的外部；啟動(dòng)水冷裝置，并利用下拉裝置對(duì)熔融的硅料進(jìn)行下移，冷卻至硅錠；停止真空機(jī)組抽真空，并給提煉爐內(nèi)充氣，打開(kāi)爐門(mén)，取出硅錠。本發(fā)明能夠有效節(jié)省硅料。本發(fā)明能夠有效節(jié)省硅料。本發(fā)明能夠有效節(jié)省硅料。

技術(shù)研發(fā)人員：朱業(yè)勝 姜承法 吳旭宏 董志遠(yuǎn)

受保護(hù)的技術(shù)使用者：萬(wàn)向新元科技股份有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.12.30

技術(shù)公布日：2022/3/4