一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法与流程

本发明涉及一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法，属于工业硅冶炼技术领域。

背景技术：

在埋弧电弧炉生产制备工业硅过程中，为了进一步降低硅熔体中的杂质含量，往往需要对硅熔体进行炉外精炼处理制备高品质工业硅。在炉外精炼过程中，针对不同杂质所采取的精炼手段主要有吹气精炼、造渣精炼和氧化精炼等。

现有技术中常规吹气精炼、造渣精炼和氧化精炼主要利用硅熔体中铝、钙杂质与氧亲和力大和在渣中分配比大的原理对杂质进行去除，因在精炼过程中需要消耗大量的工业氧气、空气和渣剂，不仅增加了能源投入消耗和工业三废的排放，还给对实际生产过程中的设备的使用寿命、耐侵蚀性等，以及装备控制操作水平等提出了新的要求。而本发明则是利用微负压条件下铝、钙杂质本身饱和蒸气压大易挥发的性质实现杂质的去除，无需投入其它的能源消耗，对设备使用无特殊要求，生产成本低，易于实现工业化应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法，即通过微负压装置在炉外精炼的上部即精炼硅熔体气液界面处营造微负压环境，加快反应速度促进挥发性杂质去除，减少精炼过程中的烟气炉尘的有害物质逸散，实现硅精炼过程中的高效除杂和清洁生产。

一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法，具体步骤如下：

将微负压装置移至炉外精炼装置的抬包口正上方，开启微负压装置的真空装置使工业硅熔体进行微负压炉外精炼，除去工业硅熔体中的易挥发性杂质。

所述炉外精炼包括吹气精炼、造渣精炼或吹气-造渣复合精炼；

进一步的，通氧方式具体可以针对不同炉型采用底吹、顶吹、侧吹或偏心吹等；渣剂可以为氧化物、氟化物、氟铝酸盐中的一种或几种；气体可以为空气、湿氧、工业用氧或富氧空气，也可以通入含有氩气、氮气、水的混合气体；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。

所述微负压装置包括依次连接的集烟罩、烟道、真空机组和收尘装置，集烟罩设置在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。

进一步的，所述集烟罩外壁与天车悬吊或升降-旋转构件系统连接。

更进一步的，所述集烟罩外壁连接设置有升降-旋转构件，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(见图2)。

进一步的，所述集烟罩外壁设置有耐火层和冷却水套；

所述炉外精炼装置的顶部开口，可从顶部通入气体，加入造渣剂和倾倒出渣和硅液，精炼过程中的烟尘烟气在气液界面处产生并在微负压作用下收集于集烟罩中，集烟罩口面积可以覆盖炉外精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精炼温度；

所述炉外精炼装置可以为抬包精炼炉、中间包、石墨坩埚或其它精炼专用设备；

所述炉外精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炉外精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；

工业硅熔体的原料为工业硅或不同来源的二次含硅资源；

所述真空装置的真空设备为一级或多级联用的真空泵，真空泵为粗抽机械泵或分子泵；真空系统可根据不同来源或不同批次硅熔体中杂质的含量、种类而定，如含挥发性杂质较高的硅熔体可采用多级真空泵保持炉口处具有相对较高的真空度，从而保证大量挥发性杂质的深度去除，又可以有效缩短精炼周期。

所述收尘系统可以为布袋、旋风、重力或静电等收尘设备，可以同时收集炉外精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)本发明方法在工业硅炉外精炼过程中硅熔体上方的气液界面处营造微负压环境，使得硅熔体中易挥发性杂质在硅熔体炉外精炼过程中高效去除，同时炉外精炼过程中产生的烟气烟尘等有害物质则通过微负压真空装置抽走吸收处理后排出，实现炉外硅精炼过程中的高效除杂和清洁生产；

(2)本发明方法可大幅降低或避免了工业硅熔体常规炉外精炼过程中工业氧气、空气和造渣剂的使用，减少了生产过程中硅氧化物烟尘、硅冶炼渣等工业三废的排放，既具有经济优势，又满足了了绿色环保的要求。

(3)本发明方法就针对现有工业硅熔体炉外精炼技术而言，无需对现有设备进行改造升级，还降低了常规过程中对炉外精炼设备炉衬材料的耐侵蚀性、强度等的特殊要求，具有设备简单、操作容易、适合规模化工业生产等优点。

附图说明

图1为微负压装置与炉外精炼装置配合示意图；

图2为升降-旋转构件连接示意图。

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。

本发明微负压装置与炉外精炼装置配合示意图见图1，微负压装置包括依次连接的集烟罩、烟道、真空机组和收尘装置，集烟罩设置在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；集烟罩外壁可通过天车悬吊或与升降-旋转构件系统连接，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(见图2)；集烟罩外壁设置有耐火层和冷却水套；炉外精炼装置的顶部开口，可从顶部通入气体，加入造渣剂和倾倒出渣和硅液，精炼过程中的烟尘烟气在气液界面处产生并在微负压作用下收集于集烟罩中，集烟罩口面积可以覆盖炉外精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精炼温度；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炉外精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；真空装置的真空设备为一级或多级联用的真空泵，真空泵为粗抽机械泵或分子泵；真空系统可根据不同来源或不同批次硅熔体中杂质的含量、种类而定，如含挥发性杂质较高的硅熔体可采用多级真空泵保持炉口处具有相对较高的真空度，从而保证大量挥发性杂质的深度去除，又可以有效缩短精炼周期；收尘系统可以为布袋、旋风、重力或静电等收尘设备，可以同时收集炉外精炼过程中烟尘中夹带的微硅粉、硅粉等。

实施例1：一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法，具体步骤如下：

(1)云南某工业硅冶炼企业生产中，将从埋弧矿热电炉中放出的约2吨硅熔体，盛装在炉外精炼抬包中，为进一步降低al、ca，对抬包中的硅熔体再次进行氧化吹气精炼；以质量百分数计，硅熔体中杂质含量为al为8000ppm，ca为15000ppm；

(2)将步骤(1)的硅熔体进行氧化吹气精炼，其中氧化吹气精炼的吹气方式为顶吹通气，气体为工业氧气，顶吹通气时间为0.5h，顶吹通气压力为1.2～2个大气压，气体流速0.2～1m³/s；

(3)在步骤(2)氧化吹气精炼的同时，进行微负压炉外精炼，将微负压装置的集烟罩通过升降-旋转构件移至炉外精炼装置的抬包口正上方，使得集烟罩口可覆盖过抬包口，开启微负压装置的真空装置(两级联用机械真空泵)使工业硅熔体进行微负压炉外精炼，其中抬包口压力约为0.1个大气压，微负压炉外精炼的时间持续至通气结束后5-10min，以除去工业硅熔体中的易挥发性杂质；

(4)微负压炉外精炼结束后关闭微负压炉外精炼装置，将微负压炉外精炼装置移至初始位置，将步骤(3)微负压炉外精炼的除杂硅熔体进行炉外浇铸得到除杂工业硅产品；

以质量百分数计，本实施例除杂工业硅产品中杂质含量为al<2000ppm，ca<1000ppm。

实施例2：一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法，具体步骤如下：

(1)云南某工业硅冶炼企业生产中，将从埋弧矿热电炉中放出的约2吨硅熔体，盛装入炉外精炼抬包中，为进一步降低al、ca，对抬包中的硅熔体进行造渣精炼；以质量百分数计，硅熔体中杂质含量为al为6000ppm，ca为1300ppm；

(2)在步骤(1)硅熔体中加入造渣剂cao，然后通入工业用压缩氮气进行造渣精炼，以硅熔体计，其中造渣剂cao的加入量为2kg/吨，工业用压缩氮气的通气时间为15min；

(3)在步骤(2)造渣精炼的同时，进行微负压炉外精炼，将微负压装置的集烟罩通过升降-旋转构件移至炉外精炼装置的抬包口正上方，使得集烟罩口可覆盖过抬包口，开启微负压装置的真空装置(两级联用机械真空泵)使工业硅熔体进行微负压炉外精炼，其中抬包口压力约为0.1个大气压，微负压炉外精炼的时间持续至通气结束后5-10min，以除去工业硅熔体中的易挥发性杂质；

(4)微负压炉外精炼结束后关闭微负压炉外精炼装置，将微负压炉外精炼装置移至初始位置，将步骤(3)微负压炉外精炼的除杂硅熔体进行炉外浇铸得到除杂工业硅产品；

以质量百分数计，本实施例除杂工业硅产品中杂质含量为al<1200ppm，ca<800ppm。

实施例3：一种工业硅熔体微负压炉外精炼的方法，具体步骤如下：

(1)云南某工业硅冶炼企业生产中，将从埋弧矿热电炉中放出的约2吨硅熔体，盛装入炉外精炼抬包中，为进一步降低al、ca，对抬包中的硅熔体进行吹气-造渣复合精炼；以质量百分数计，硅熔体中杂质含量为al为5000ppm，ca为1100ppm；

(2)在步骤(1)硅熔体中加入造渣剂cao，然后通入工业氧气进行吹气-造渣复合精炼，以硅熔体计，其中造渣剂cao的加入量为1kg/吨，吹气-造渣复合精炼时，工业氧气的通入方式为顶吹通气，工业氧气的通气时间为10min，通气压力为1.2-2个大气压，气体流速0.2-1m³/s；

(3)在步骤(2)造渣精炼的同时，进行微负压炉外精炼，将微负压装置的集烟罩通过升降-旋转构件移至炉外精炼装置的抬包口正上方，使得集烟罩口可覆盖过抬包口，开启微负压装置的真空装置(两级联用机械真空泵)使工业硅熔体进行微负压炉外精炼，其中抬包口压力约为0.1个大气压，微负压炉外精炼的时间持续至通气结束后5-10min，以除去工业硅熔体中的易挥发性杂质；

(4)微负压炉外精炼结束后关闭微负压炉外精炼装置，将微负压炉外精炼装置移至初始位置，将步骤(3)微负压炉外精炼的除杂硅熔体进行炉外浇铸得到除杂工业硅产品；

以质量百分数计，本实施例除杂工业硅产品中杂质含量为al<600ppm，ca<800ppm。