本发明专利技术公开了一种金属硅原料的制备方法，以及该制备方法所用的设备。本发明专利技术采用先纯化石英矿砂二氧化硅，然后再还原成金属硅在不需避氧反而注氧的方法以及改造传统熔炼炉工艺设备如电弧炉、氩弧炉，能达到在大规模量产同时大幅度提高金属硅纯度；其工艺步骤少，操作简单，为太阳能多晶硅／单晶硅提供高产能，低能耗的原料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属硅材料工程领域。本专利技术涉及一种金属硅材料的 制备方法，特别的，本专利技术涉及一种先纯化石英矿砂二氧化硅，然后 再还原而制M属硅材料的方法。本专利技术还涉及一种所述金属硅材料的制备方法所用的i殳备。
技术介绍
金属硅是太阳能电池多晶硅提纯的主要原材料，金属硅的提纯精 度直接影响到太阳能多晶硅的提纯效率、成本及效果。国际上金属硅原料制备的主流技术是利用电弧炉/氩弧炉/各类射频炉进行高温还 原，石英(Si02)与碳在还原炉中还原生成工业(金属)硅，其化学反 应为Si02+C — Si+C02 t 。而西门子化学法的化学反应为 Si(s)+3HCl(g)=SiHCl3(g)+H2(g)(放热)，生成的S而3与PCl3和BC" 在相对挥发度上有较大差异(它们的沸点分别为31. 8°C， 74。C和13°C， 能有效地用精馏提纯。最后在IIOO"C用H2还原SiHCl3,进行氯化反应 的逆过程SiHCl3 (g)+ H2(g) — Si(s) + 3HC1 (g)。反应析出固态 的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999 %的多晶硅原料，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂 质原子。同时，世界各国还有使用改良西门子法(即俄罗斯法)、硅烷法、流态化床法、冶金法，其中改良西门子法占全球产量的80%以上。 但无一例外无论采用哪一种工艺方法，平均提纯每公斤多晶硅原料耗 电都在250--400度左右。因此，目前现有的金属硅原料制备技术中， 高能耗，高投入低产出是多晶硅原料成本高居不下的主要原因，严重 制约了太阳能电池的普及使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种金属硅原料的制备方法及其所用设备。本专利技术一方面提供了一种金属硅原料的制备方法，包括先纯化石 英矿砂二氧化硅，然后再还原成金属硅，其中，不使用惰性气体避氧，反而加氧。由本专利技术方法得到的硅原料的纯度由目前业内普遍为98 — 99%达到99. 999°/。甚至更高，为下一步太阳能多晶硅/单晶硅提供高产 量、低能耗、低成本的原料。本专利技术的构思是利用熔炼炉如电弧炉/氩弧炉/各类射频炉等加温 方式熔炼二氧化硅(SiOJ，再还原成金属硅。特别是利用熔炼炉加温 方式做二氧化硅(Si02)精纯处理过程中注氧，使二氧化硅(Si02)中 的磷、硼离子、化合物充分氧化。然后在高温条件下使磷、硼离子、 化合物气化，经由抽真空装置排出，从而降低二氧化硅(Si02)中的 磷、硼及各类金属含量。实验证实二氧化硅(Si02)中的磷、硼含量 可由原矿含量数百ppma降至5卯ma以下，金属含量亦由0. 2% 一降至 数十卯ma以下。原矿二氧化硅(Si02)纯度从约99%提升至99. 99%以上。经还原工艺将二氧化硅(Si02)还原成金属硅后作为多晶硅，单晶硅提纯原料。大幅降低生产、投资成本。使太阳能多晶硅/单晶硅乃 至光伏产业得以快速发展。针对上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案一方面，本专利技术提供，所述方法是先 纯化石英砂二氧化硅(Si02)，然后再将所述二氧化硅还原成金属硅， 采用这一方法的优点是不需要使用惰性气体(如氮、氩)避氧，反而 加氧。优选的，所述纯化石英矿砂二氧化硅Si02的操作包括采用化学 酸洗方法，干燥，高温催氧，和高温熔炼。优选的，所述化学酸洗方法包括用王水洗去重金属，金属离子/ 化合物，王水的组成配比为，3HC1: HN03;用HF溶液洗去磷硼化合物。优选的，所述HF溶液配比组成为，50份纯水1份49%浓度的HF。优选的，所述方法还包括在纯化石英矿砂二氧化硅Si02后，再 运用离心机脱水，烘烤箱烘干燥法干燥，使得含水量<1%。优选的，所述方法还包括在纯化石英矿砂二氧化硅Si02前，粉 碎石英矿砂二氧化硅Si02至微米级。优选的，所述石英矿砂二氧化硅Si02为，取天然的纯度已达99% 以上的石英矿砂二氧化硅Si02，其中杂质包括Al力3和/或CaO和/或 Fe2()3和/或TiOz和/或P205。优选的，所述高温催氧，高温熔炼在熔炼炉中进行，所述高温催 氧操作为，当温度达到6001C即开始进行注氧工艺，所通入之氧气必须是高浓度氧，炉温逐渐升至1300C,使石英矿砂二氧化硅Si02内的 磷硼完全氧化型成磷硼氧化物- 205/8203。 优选的，所述高浓度氧的浓度高于98%。优选的，所述高温催氧，高温熔炼在熔炼炉中进行，所述高温熔 炼操作为，在完成磷硼完全氧化后停止通氧再进行升温至1600匸 -1700"C,使磷硼氧化物-PA/B203气化，气化之PA/B203由排气装置排 出。优选的，所述高温熔炼操作还包括，再将炉温升至超过二氧化硅si02融点170or;以上，温度越高排除磷硼氧化物效果越好，同时利用 物理热趋排杂(质)法，实行分段冷却排除硅渣杂质，排除杂质纯化 二氧化硅。优选的，炉温逐渐升至1300。C升温和/或升至1600。C-1700。C的升温速度为每分钟10"C。优选的，所述还原成金属硅的操作为碳还原。综上，所述纯化金属硅的方法具体可分为以下三个步骤步骤一、大自然的石英矿砂纯度已达99°/。以上，其中杂质为A1203、CaO、 Fe203、 Ti02、 P20^。选用高纯度(如99. 5%)石英矿砂二氧化硅(Si02)先进行酸洗，石英砂愈细，清洗结果愈佳。用王水(3份盐酸HC1: 1份硝酸HN0J洗去重金属，金属离子/化合物等。用HF50份纯水1份HF (浓度49%)洗去金属、磷、硼化合物o化学清洗是去除杂质有效及低成本的方法，经化验清洗后的二氧化硅(Si02)，由原来99. 5%提升至99. 9%以上。然后用离心才几脱水，烘烤箱烘干燥法干燥二氧化硅(Si02)，干燥 成度达含水量<1%。步骤二、将清洗好干燥完的石英砂二氧化硅(Si02)进行高温炉 催氧将改造好的熔炼炉加热至600X:开使加入高纯氧气(98% )，炉温 逐渐升至1300°C (如每分钟升10*C )，使石英矿砂内的磷硼完全氧化。然后停止通氧气再进行升温至sio2熔点i70or;，温升速度如前，使磷、硼氧化物邛205/8203气化，由排气装置排出。 步骤三、延续步骤2—进行熔炼将炉温升至超过石英砂融点(17001C)以上，温度越高排除磷硼氧化物效果越好，同时利用物理热趋排杂(质)法/金属冶炼法，排除杂质纯化二氧化硅。下面分别就上述三个步骤的操作及其效果进行进一步描述 首先，关于化学清洗步骤，所述化学清洗的具体方法如下 取自天然的石英矿砂二氧化硅(Si02)，该石英矿砂二氧化硅纯度已达99%以上，其中所含的杂质为A1203、 CaO、 Fe203、 Ti02、 P力5等。 用配比组分为3HC1: HN03的王水，洗去重金属、金属离子和/或金属化合物等。用HF溶液50份纯水1份HF ( 49% )洗去磷硼化合物。化学清洗是去除杂质有效及低成本的方法，经化验清洗后的二氧化硅(Si02 )，由原来99. 5%提升至99. 9%以上。再运用冷冻真空干燥法干燥，使含水量<1%。将经过上述操作的石英矿砂二氧化硅粉碎至微米(萨)级，清洗 效果更佳。本专利技术所述的金属硅原料提纯制备方法，先纯化石英矿砂二氧化 硅(Si02)作为纯化之原料，其中清洗步骤至为关键本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备金属硅的方法，包括先纯化石英矿砂二氧化硅，然后再还原成金属硅，其特征在于，不使用惰性气体避氧，反而加氧。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：罗应明，
申请(专利权)人：晶湛南昌科技有限公司，
类型：发明
国别省市：36[中国|江西]
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