高純硅電磁懸浮式“無(wú)坩堝”冶煉爐的研制

    研制一臺用于高純硅實(shí)驗提純冶煉的真空電磁懸浮式“無(wú)坩堝”等離子體高純硅冶煉爐，具體要求是：采用雙層水冷高純石英管做容器，將硅熔體放在管內，感應加熱線(xiàn)圈纏繞在石英管外，當感應加熱線(xiàn)圈通過(guò)中頻電流后，在硅熔體表面產(chǎn)生渦流來(lái)加熱硅熔體，并且表面渦流所受到的磁場(chǎng)（安培）力指向柱心與重力壓強相平衡，達到硅熔體側表面不與石英管內壁相接觸的懸浮冶煉的效果。在頂端加電弧等離子體加熱器，通過(guò)改變等離子體工質(zhì)氣體及其比例而改變冶煉氣氛，實(shí)現精煉除雜目的。在底部通過(guò)渦輪蝸桿控制石英管底部托板向下緩慢運動(dòng)，使下部硅熔體冷卻凝固，控制相變面下降速度而達到分凝除雜的目的，同時(shí)由于液面不斷下降頂部可以不斷加料鑄造出長(cháng)鑄坯，實(shí)現冶煉和連鑄一次完成。國內從事冶金法提純工業(yè)硅生產(chǎn)太陽(yáng)能級多晶硅的研究單位大都是采用真空感應爐冶煉工業(yè)硅來(lái)提純，也有采用真空感應爐結合電弧等離子體冶煉工業(yè)硅來(lái)提純的，所使用的冶煉坩堝材質(zhì)都是石墨，因為石墨是石油產(chǎn)品其本身就含硼磷等雜質(zhì)，國內生產(chǎn)高純度的石墨材料的純度達不到高純硅冶煉要求；又因為高純石墨本身可用于火箭發(fā)射底座所以國外限制對中國的出口，用國產(chǎn)石墨坩堝不可避免給硅熔體帶入雜質(zhì)是不利于冶煉提純的。因硅的質(zhì)量密度為2.3很小，再加上硅熔體有較大的表面張力，不大的電磁力就可以克服重力壓強，適合采用電磁懸浮式“無(wú)坩堝”冶煉。擬采用雙層水冷高純石英管做容器，將感應線(xiàn)圈纏繞在石英管外，適當的調節線(xiàn)圈形狀和間距或者供電頻率使硅熔體表面渦流一方面加熱硅熔體另一方面表面渦流所受到的磁場(chǎng)（安培）力與重力壓強相平衡，達到硅熔體側表面不與石英管內壁相接觸的懸浮冶煉的效果，從而可以避免或減少由于硅熔體與坩堝接觸帶入的雜質(zhì)問(wèn)題，阻斷冶煉過(guò)程外界雜質(zhì)進(jìn)入。高純石英管是高純二氧化硅制成，即使與硅熔體相接觸也不會(huì )帶入雜質(zhì)。采用這種石英管既不導電又可透磁，電磁感應加熱的渦流在硅熔體表面產(chǎn)生，是直接加熱方式，熱效率最高，采用石墨坩堝電磁感應加熱的渦流在石墨坩堝內產(chǎn)生，通過(guò)熱傳導的方式間接加熱硅熔體，熱效率低。因此必須采用高純硅電磁懸浮式“無(wú)坩堝”冶金法提純工業(yè)硅是未來(lái)的好方法。

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