CN106482514A - 一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺，包括感应炉，在感应炉的空腔内设置有线圈，在线圈内侧设置有线圈胶泥层，在线圈胶泥层内侧填筑夯实形成有内衬层，在感应炉顶部至少设置有一个或一个以上的电子束枪。本发明通过在感应炉上配置一个或者多个的电子束枪，利用电子束枪的集中加热方式对感应炉内的硅粉进行加热，当加热形成部分硅液的时候，启动感应炉，利用硅液的弱导电性进行感应加热，从而熔化更多的硅液，在电子束枪和感应炉的配合作用下，可以短时间内高效地熔化硅块，完成硅液熔炼的起炉步骤，实现利用感应炉来进行硅熔炼的目的。

Description

一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺

技术领域

本发明涉及硅渣的重复利用加工领域，具体涉及一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺。

背景技术

硅渣一般是指原矿提炼之后的剩余部分，还含有一定量的硅。硅渣分很多种，工业硅渣，太阳能硅渣，半导体硅渣等等。硅渣可以用来回炉重新结晶、提纯、现在硅料紧缺，价格不菲。硅锰渣也叫硅锰冶炼渣，是冶炼硅锰合金时排放的一种工业废渣，其结构疏松，外观常为浅绿色的颗粒，由一些形状不规则的多孔非晶质颗粒组成。硅锰渣性脆易碎，通过破碎机可以将大块的硅锰渣破碎成小块，然后进入细碎机将粗碎后的物料进一步粉碎，确保进入料仓的物料能够达到单体解离的程度，然后通过振动给料机和皮带输送机均匀的将物料给入梯形跳汰机进行分选。破碎的主要目的在于打破连生体结构，跳汰的主要目的在于从硅锰渣中回收硅锰合金。硅锰渣和硅锰合金存在较大的比重差，通过跳汰机的重选作用可以将金属和废渣分离，获得纯净的合金和废渣，最后可以通过脱水筛的脱水作用分别将精矿和尾矿进行脱水。

感应炉是利用物料的感应电热效应而使物料加热或熔化的电炉。感应炉采用的交流电源有工频(50或60赫)、中频(150～10000赫)和高频(高于10000赫)3种。感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制***等。在感应炉中的交变电磁场作用下，物料内部产生涡流从而达到加热或着熔化的效果。感应炉通常分为感应加热炉和熔炼炉。熔炼炉分为有芯感应炉和无芯感应炉两类。有芯感应炉主要用于各种铸铁等金属的熔炼和保温，能利用废炉料，熔炼成本低。无芯感应炉分为工频感应炉、三倍频感炉、发电机组中频感应炉、可控硅 中频感应炉、高频感应炉。感应炉根据频率分为：工频炉50赫、中频炉(150～10000赫)和高频炉(高于10000赫)3种。

目前的硅熔炼的主要设备是坩埚，利用坩埚来进行硅熔炼的技术也比较成熟，但是坩埚的最大缺点就是容量太小，单次熔炼的量小，量产困难的瓶颈一直制约了硅的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺，通过建立新的工艺来提高硅熔炼的效率，从而大幅提高硅的产量，达到降低量产成本的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置，包括感应炉，在感应炉的空腔内设置有线圈，在线圈内侧设置有线圈胶泥层，在线圈胶泥层内侧填筑夯实形成有内衬层，在感应炉顶部至少设置有一个或一个以上的电子束枪。本发明的感应炉采用钢板制成的内模体，其表面平滑，通过填筑夯实的内衬层表面平滑，由于在夯实以后，内模体钢板与内衬层之间贴合紧密，无法将内模体取出，为了解决这个问题，申请人通过在内模体内部设置一个加热装置，在填筑夯实完成后，利用加热装置进行加热，钢板制成的内模体其热胀冷缩率远远大于内衬层材料的膨胀率，因此，内模体对内衬层进行径向的挤压和底部向下的挤压，如此不仅在径向夯实捣紧了内衬层，冷却后，钢板制成的内模体向内收缩，与内衬层之间分离产生间隙，当间隙合理的时候，可以很容易的取出内模体，本发明由于增加了内衬层径向的挤压，使得内衬层更加紧实，向下的夯实和径向的压紧过程，都对内衬层的紧密性提供了有力的支撑，通过在感应炉上配置一个或者多个的电子束枪，利用电子束枪的集中加热方式对感应炉内的硅粉进行 加热，当加热形成部分硅液的时候，启动感应炉，利用硅液的弱导电性进行感应加热，从而熔化更多的硅液，在电子束枪和感应炉的配合作用下，可以短时间内高效地熔化硅块，完成硅液熔炼的起炉步骤，实现利用感应炉来进行硅熔炼的目的。

所述的电子束枪的发射方向从上至下，且电子束枪的作用点位于感应炉内部空腔的底部。通过设定电子束枪的发射方向，使其加热点聚集在感应炉内部空腔的底部，从而可以有效地对硅块进行加热，底部硅块的集中加热可以形成较稳定的熔化过程，便于硅液形成的过程控制。

所述的感应炉为中频炉，其工作频率为100～140Hz。申请人发现现有的硅熔炼技术都是采用坩埚进行的，坩埚的本身形状、物理性质决定了其尺寸不能太大，较小的尺寸限制了产量，申请人对熔炼技术中感应炉做了详细的研究，感应炉都是用于金属熔炼的，而硅是非金属材料，不能使用感应炉；为了利用感应炉来进行硅熔炼，申请人对工艺做了改进，克服了技术上的偏见，通过在起炉的时候，利用电子束枪对硅进行加热形成硅液，利用硅液的弱导电性也可以自身感应生热，从而快速地完成硅液的起炉，达到熔炼硅块的目的，相对于坩埚的最大容量20KG而言，本发明利用感应炉进行硅熔炼的方式，可以将单体的熔炼量提升至5吨，相对于现有技术的坩埚熔炼而言，大大提高了产量和生产效率。申请人对现有的感应炉进行了上万次的实验，经过实验发现了可以用于硅熔炼的感应炉的类型：中频炉，但是并不是所有的中频炉都能使用，现有技术中，中频炉都是指频率为150～10000Hz的频率，而本发明中虽然采用了中频炉的结构，但是，对于其运行的参数做出了重大调整，将其运行参数调整为100～140Hz,此时,实际上是属于中频炉的非正常工作区间,利用病态的工作状态来进行硅的熔炼,大大超出了本领域技术人员的认知范围,同时也满足硅熔 炼的条件,取得了意料不到的优点,对于硅熔炼领域而言,具有突破性的进步,将硅熔炼的量产极大的提高,推动了行业的发展。

所述中频炉，其工作频率为120～130Hz。优选的，通过对中频炉的参数进行不断调整和修订，最后确定了一个较为优选的范围，在此范围内，硅的熔炼速度快，效率高。

一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉工艺，包括以下步骤：

(a)将硅粉或硅块装入到感应炉的内部；

(b)启动电子束枪，利用电子束枪对硅粉或硅块进行加热，制得硅液；

(c)在进行步骤(b)的同时，启动感应炉进行加热；

(d)在硅粉或硅块全部转化成硅液后，停止电子束枪加热，完成起炉。

本发明通过在感应炉上配置一个或者多个的电子束枪，利用电子束枪的集中加热方式对感应炉内的硅粉进行加热，当加热形成部分硅液的时候，启动感应炉，利用硅液的弱导电性进行感应加热，从而熔化更多的硅液，在电子束枪和感应炉的配合作用下，可以短时间内高效地熔化硅块，完成硅液熔炼的起炉步骤，实现利用感应炉来进行硅熔炼的目的。

在进行步骤(b)和步骤(c)时，还对硅液进行搅拌操作，操作过程是：利用木棒对硅液进行顺时针或逆时针的单向搅动，每分钟搅动2～3圈。在实际的生产过程中，申请人发现，硅液的流动对于感应生热是有利的，通过在起炉的过程中增加搅拌操作，可以使得硅水生热的热量进行快速散播，从而加快硅粉或硅块的熔化，现有技术中，通常采用石墨棒来作为硅熔炼过程中的操作工具，但是由于石墨棒本身的特性较软，其本身的强度很低，很容易折损，石墨的消耗造成成本的上升，也制约了硅熔炼的发展，为此，申请人经过多年的摸索发现，可以利用木棒进行操作，以木棒作为耗材来进行硅熔炼的搅动器具， 木棒经过高温后逐渐燃烧并随废气排出，相对于现有技术而言，不仅降低了生产成本，而且并不会引入杂质，避免了石墨作为杂质的问题，提高了产品的品质。

所述的感应炉为中频炉，其工作频率为100～140Hz。

所述中频炉，其工作频率为120～130Hz。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺，通过在感应炉上配置一个或者多个的电子束枪，利用电子束枪的集中加热方式对感应炉内的硅粉进行加热，当加热形成部分硅液的时候，启动感应炉，利用硅液的弱导电性进行感应加热，从而熔化更多的硅液，在电子束枪和感应炉的配合作用下，可以短时间内高效地熔化硅块，完成硅液熔炼的起炉步骤，实现利用感应炉来进行硅熔炼的目的；

2、本发明一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺，通过在起炉的时候，将硅块中添加铁块的方式，同时将温度加热到1480～1520℃，此时的温度已经达到硅的熔融温度，但还没有达到铁的熔融温度，铁块作为感应炉的生热部件产生大量的热量，硅块吸收热量后达到温度并熔化形成硅水，而铁块并没有达熔点，保持固体的状态，硅块在融化后形成硅水，将铁块取出后，利用硅水的弱导电性也可以自身感应生热，达到熔炼硅块的目的，相对于坩埚的最大容量20KG而言，本发明利用感应炉进行硅熔炼的方式，可以将单体的熔炼量提升至5吨，相对于现有技术的坩埚熔炼而言，大大提高了产量和生产效率；

3、本发明一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置及工艺，对于其运行的参数做出了重大调整，将其运行参数调整为100～140Hz,此时,实际上是属于中频炉的非正常工作区间,利用病态的工作状态来进行硅的熔炼,大大超出了本领 域技术人员的认知范围,同时也满足硅熔炼的条件,取得了意料不到的优点,对于硅熔炼领域而言,具有突破性的进步,将硅熔炼的量产极大的提高,推动了行业的发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-感应炉，2-线圈，3-线圈胶泥层，4-内衬层，5-电子束枪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置，包括感应炉1，感应炉1内部为空腔结构，在感应炉1的空腔内设置有线圈2，在线圈2内侧设置有线圈胶泥层3、以及同轴设置的内模体，内模体采用钢板焊接形成整体结构，其上部为圆筒状结构，圆筒状的底部通过弧形板封闭连接形成整体，通常，内模体的表面为光滑板面，焊接处连接成平滑结构，在内模体与线圈胶泥层3之间的空腔内填筑有内衬层4，内衬层4采用填筑方式，逐步添加并捣实；内衬4烧结成型后，可以作为熔炼的感应炉1，此时，在感应炉1上方配置1至3个电子束枪5，电子束枪5的工作焦点位于感应炉1的内部空腔底部，起炉的工艺如下：

(a)将硅粉或硅块装入到中频炉的内部；

(b)启动电子束枪，利用电子束枪对硅粉或硅块进行加热，制得硅液；

(c)在进行步骤(b)的同时，启动中频炉进行加热，其工作频率为120～130Hz；在进行步骤(b)和步骤(c)时，还对硅液进行搅拌操作，操作过程是：利用木棒对硅液进行顺时针或逆时针的单向搅动，每分钟搅动2～3圈；

(d)在硅粉或硅块全部转化成硅液后，停止电子束枪加热，完成起炉。

以上两个实施例中，中频炉的单次容量为3.5吨，根据中频炉的规格和现有技术，可以将容量提高至5吨，单次的起炉时间为12至15分钟，单次的熔炼时间是80～100分钟，相对于坩埚的生产方式，大大提高了生产效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置，包括感应炉(1)，在感应炉(1)的空腔内设置有线圈(2)，其特征在于：在线圈(2)内侧设置有线圈胶泥层(3)，在线圈胶泥层(3)内侧填筑夯实形成有内衬层(4)，在感应炉(1)顶部至少设置有一个或一个以上的电子束枪(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置，其特征在于：所述的电子束枪(5)的发射方向从上至下，且电子束枪的作用点位于感应炉(1)内部空腔的底部。

3.根据权利要求1所述的一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置，其特征在于：所述的感应炉为中频炉，其工作频率为100～140Hz。

4.根据权利要求3所述的一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉装置，其特征在于：所述中频炉，其工作频率为120～130Hz。

5.一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉工艺，其特征在于包括以下步骤：

(a)将硅粉或硅块装入到感应炉(1)的内部；

(b)启动电子束枪，利用电子束枪对硅粉或硅块进行加热，制得硅液；

(c)在进行步骤(b)的同时，启动感应炉(1)进行加热；

(d)在硅粉或硅块全部转化成硅液后，停止电子束枪加热，完成起炉。

6.根据权利要求5所述的一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉工艺，其特征在于：在进行步骤(b)和步骤(c)时，还对硅液进行搅拌操作，操作过程是：利用木棒对硅液进行顺时针或逆时针的单向搅动，每分钟搅动2～3圈。

7.根据权利要求5所述的一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉工艺，其特征在于：所述的感应炉(1)为中频炉，其工作频率为100～140Hz。

8.根据权利要求7所述的一种基于电子束枪的感应炉熔硅起炉工艺，其特征在于：所述中频炉，其工作频率为120～130Hz。