專利名稱：硅電磁鑄造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造太陽(yáng)能電池硅基板的硅鑄塊的硅電磁鑄造裝置。
背景技術(shù)：
作為改善全球環(huán)境問(wèn)題的方法之一，太陽(yáng)能電池目前逐漸普及，資源量豐富且光 電轉(zhuǎn)換效率高的硅晶體在太陽(yáng)能電池中得到廣泛應(yīng)用，而且應(yīng)用電磁鑄造法制造的多結(jié)晶 硅基板太陽(yáng)能電池有著廣泛的前景。目前硅電磁制造裝置是將原材料硅放置在爐體銅制坩堝容器內(nèi)，坩堝內(nèi)部有循環(huán) 冷卻水循環(huán)，在坩堝外圍設(shè)置了感應(yīng)線圈，原料硅在坩堝內(nèi)因電磁力漂浮熔解，隨著硅塊熔 解向下結(jié)晶，就制造出硅鑄塊。在由水冷卻的坩堝內(nèi)部，原料硅因電磁力作用漂浮熔解，因 此熔解的硅和坩堝內(nèi)部沒(méi)有接觸，不會(huì)受到來(lái)自坩堝的不純物質(zhì)的污染。同時(shí)，由于避免了 接觸，坩堝基本上不會(huì)受到損傷，大大延長(zhǎng)了坩堝的使用壽命。由上可知，硅電磁鑄造法可以連續(xù)的制造長(zhǎng)形的巨大的硅鑄塊，該工藝效率高，鑄 造條件穩(wěn)定，因此硅鑄塊的品質(zhì)高、品質(zhì)均勻，從而使硅電磁鑄造法成為工業(yè)上一種廣泛應(yīng) 用的制造方法。然而上述的硅電磁鑄造法明顯存在著下述問(wèn)題硅鑄塊連續(xù)的下降凝固結(jié)晶，如 圖1所示，坩堝、熔解硅和硅鑄塊三者接觸界面有微量熔解硅滲入到硅鑄塊和坩堝間的微 小縫隙中。當(dāng)滲入的溶解硅凝固結(jié)晶時(shí)，體積膨脹，對(duì)硅的內(nèi)面產(chǎn)生壓力，從液體變化到固 體時(shí)，體積膨脹約9% (這也是硅的特性，和一般金屬物理特性相反，凝固時(shí)體積膨脹)。坩堝和硅鑄塊之間滲入的溶解硅，凝固時(shí)體積膨脹對(duì)坩堝的內(nèi)面有一個(gè)向外側(cè)的 壓力，當(dāng)硅鑄塊的橫斷面小的時(shí)候，所受的壓力不是很大，此力與坩堝的剛性產(chǎn)生的作用力 抵消，即使生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行，坩堝也不會(huì)因此向外側(cè)變形。隨著硅鑄塊不斷的增大，其橫斷面 不斷加大時(shí)，坩堝內(nèi)部所受壓力就相應(yīng)地增加，力矩也就增大，當(dāng)超過(guò)了坩堝所能承受的剛 性時(shí)，坩堝就向外變形，且不再恢復(fù)。此時(shí)生產(chǎn)的硅鑄塊也變大，隨著鑄造繼續(xù)進(jìn)行，硅鑄塊 的尺寸也越來(lái)越大，坩堝也就越來(lái)越向外面彎曲變形，最后導(dǎo)致坩堝的中部尺寸比下部更 大，硅鑄塊被卡住。例如當(dāng)制造方型硅鑄塊時(shí)，對(duì)截面是正方形的坩堝而言，硅鑄塊的斷面寬度達(dá)到 35cm時(shí)，坩堝在凝固結(jié)晶界面這一高度就會(huì)向外側(cè)永久的變形。坩堝的變形隨著鑄造的進(jìn) 行逐漸的變大，硅鑄塊的邊長(zhǎng)也隨著擴(kuò)大，當(dāng)進(jìn)行到某時(shí)刻時(shí)，加工就會(huì)被終止。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在應(yīng)用硅電磁鑄造法時(shí)提 供一種防止坩堝變形的硅電磁鑄造裝置。技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所述的硅電磁鑄造裝置包括爐體容器 和設(shè)置在爐體容器內(nèi)部的具導(dǎo)電性的坩堝以及安裝在該坩堝外圍的感應(yīng)線圈。所述的爐體 容器內(nèi)設(shè)有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應(yīng)線圈通電后，使坩堝內(nèi)的硅感應(yīng)發(fā)熱、熔解，然后在硅鑄造裝置內(nèi)使之凝固。所述坩堝的外周面上嵌有由絕緣材料構(gòu)成 的剛性構(gòu)造體。當(dāng)熔解硅滲入到凝固的硅鑄塊和坩堝間的微小隙縫里時(shí)，即使?jié)B入的熔解 硅凝固，使體積膨脹對(duì)坩堝內(nèi)面產(chǎn)生壓力，此時(shí)嵌入在坩堝外周面的剛性構(gòu)造體就會(huì)產(chǎn)生 抵抗變形壓力的作用，從而防止坩堝變形，保護(hù)坩堝，讓生產(chǎn)繼續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述的剛性構(gòu)造體最好嵌入在熔解硅和凝固的硅鑄塊交界的 凝固界面這一高度。此位置是最容易發(fā)生向外變形的凝固界面位置，因此就能夠起到防止 坩堝變形的作用。本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述的剛性構(gòu)造體嵌入在內(nèi)徑為35cm以上的坩堝外周面也可 以防止坩堝的變形。通過(guò)這種方式，在特別是易朝外側(cè)發(fā)生變形的相應(yīng)大小的坩堝上，能夠 防止坩堝朝外側(cè)的變形。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明當(dāng)遇到熔解硅滲入到凝固的硅鑄塊和坩 堝間的微小隙縫里，并且凝固膨脹而對(duì)坩堝內(nèi)面產(chǎn)生壓力時(shí)，由于此時(shí)嵌入在坩堝外周面 的剛性構(gòu)造體發(fā)生作用，抵抗變形壓力，因而能防止坩堝朝向外側(cè)的變形，從而保護(hù)坩堝， 讓生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行。



圖1為滲入坩堝容器和硅鑄塊之間的熔解硅在凝固結(jié)晶時(shí)，推算出此時(shí)體積膨脹 對(duì)坩堝產(chǎn)生的朝外側(cè)的張力大小所需的懸臂梁(交叉支架)的模型。圖2為實(shí)施例1中相關(guān)的硅電磁鑄造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為嵌入了圖2的剛性構(gòu)造體的方筒狀的坩堝容器的側(cè)視圖。圖4為實(shí)施例2中相關(guān)的硅電磁鑄造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為嵌入了圖4的剛性構(gòu)造體的圓筒狀的坩堝容器的側(cè)視圖。符號(hào)說(shuō)明1本裝置100 爐體容器200 坩堝容器300 感應(yīng)線圈310 上方側(cè)的感應(yīng)線圈320 下方側(cè)的感應(yīng)線圈330 磁屏蔽板400 石墨臺(tái)500 上下移動(dòng)裝置600 控溫爐700 原料供給器810,820剛性構(gòu)造體
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明硅電磁鑄造裝置(以下采用“本裝置1”)進(jìn)行 說(shuō)明。首先敘述本發(fā)明的全體構(gòu)成。
<整體構(gòu)成>如圖2或圖4所示，本裝置1由爐體容器100、安裝在爐體容器內(nèi)部的坩堝容器200、設(shè)置在坩堝容器200外周的感應(yīng)線圈300、放置硅塊的石墨臺(tái)400、使石墨臺(tái)上下移動(dòng) 的上下移動(dòng)裝置500、控制熔解硅S’凝固結(jié)晶的控溫爐600、坩堝容器200上方的原料供給 器700這些部分構(gòu)成。這些構(gòu)成各部分的材料，與以前的裝置構(gòu)成所需的材料相同。另外，關(guān)于硅，加熱前的狀態(tài)稱之為“硅塊(原料硅)”，加熱后的熔解后的狀態(tài)稱 之為“熔解硅S’ ”，冷卻后的凝固的狀態(tài)稱為“硅鑄塊S”。<爐體容器的構(gòu)成>上述爐體容器100是指將坩堝200和感應(yīng)線圈300等囊括在內(nèi)的密閉容器。爐體容器100的上部有送氣口 110，同時(shí)下部有排氣口 120。鑄造時(shí)，使用真空泵 (圖示略)使?fàn)t體容器內(nèi)減壓到0. ITorr之后，從送氣口 110送入指定的氣體(例如氬 氣)，使之達(dá)到大氣壓的水平。此外，爐體容器100的底壁130上設(shè)有穿插孔130a，上述的上下移動(dòng)裝置500便穿 插在這里。為了使?fàn)t體容器100成為密封容器，該插通孔130a上最好采用橡膠等成分構(gòu)成 的密封材料140?！篡釄宓臉?gòu)成〉上述坩堝容器200是銅制品，坩堝內(nèi)部設(shè)有冷卻循環(huán)水冷卻坩堝側(cè)壁。210分別為 冷卻水流入和流出的管子。因?yàn)檑釄迦萜?00在圓周面方向?qū)﹄娊^緣，圓周面從而被分割為若干部分。另外， 坩堝200的圓周面被分割的各部分間插入云母等對(duì)電絕緣的材料比較好。另外，圖2以及圖3中所示的坩堝200的斷面形狀為正方形，而圖4以及圖5中所 示坩堝的斷面形狀為圓形。<剛性構(gòu)造體的構(gòu)成>上述坩堝容器的外周面上，嵌入有由電絕緣材料構(gòu)成的剛性構(gòu)造體。例如圖3所 示的坩堝200中，嵌入有矩形的剛性構(gòu)造體810。而圖5所示的坩堝200中，嵌入的剛性構(gòu) 造體為圓筒狀的剛性構(gòu)造體820。滲入坩堝和硅鑄塊S之間的硅溶液S (熔解硅S’)凝固時(shí)，體積膨脹會(huì)產(chǎn)生對(duì)坩堝 200朝外側(cè)的張力，可應(yīng)用圖1中所示的懸臂梁(交叉支架)模型來(lái)計(jì)算張力的大小。在該模型中，滲入的硅熔液S”為半球狀，封閉在長(zhǎng)(L)4mm、厚(T)2mm、寬(W) 2mm 的硅柱SH中并凝固結(jié)晶。凝固膨脹時(shí)的力fl對(duì)坩堝的內(nèi)面產(chǎn)生垂直方向張力的同時(shí)，相 同大小的力f2把硅柱SH推向相反的方向。因?yàn)樵诠柚鵖H的下端是被固定的懸臂梁，如果 作用在硅柱SH上的力f2作用在硅柱SH的中心點(diǎn)上，那么硅柱SH變形時(shí)，懸臂梁上的長(zhǎng)度 4mm、厚及寬均為2mm的相同大小的斷面在長(zhǎng)度方向的中心點(diǎn)上將承受集中負(fù)荷從而承受 類似的變形影響。只要能夠知道彈性率和彎曲屈服點(diǎn)的大小，那么同樣斷面的懸臂梁在長(zhǎng)度方向的 中心點(diǎn)承受集中負(fù)荷而變形時(shí)的力與變形量的關(guān)系就能夠推算出來(lái)。懸臂梁承受負(fù)荷時(shí)， 首先，彈性變形方面，負(fù)荷增加的同時(shí)梁的彎曲呈相應(yīng)比例的增大。這種比例關(guān)系一直維持 到梁的彎曲達(dá)到彎曲屈服量為止。懸臂梁的彎曲達(dá)到彎曲屈服量后，梁在塑性變形方面持 續(xù)變形所需的負(fù)荷與達(dá)到彎曲屈服量時(shí)的負(fù)荷大小相差并不大。因此，可以近似地認(rèn)為梁持續(xù)變形所需的最大負(fù)荷與梁的彎曲達(dá)到彎曲屈服量時(shí)的負(fù)荷大小相同，此時(shí)，與屈服時(shí) 的最大負(fù)荷大小相同、方向相反的力π對(duì)坩堝200產(chǎn)生朝外側(cè)的張力。融點(diǎn)附近的固體硅的彈性率和彎曲屈服量可由其他物質(zhì)的值來(lái)類推。硅在常溫下 為半導(dǎo)體，溫度為500°C以上時(shí)表現(xiàn)為金屬的性質(zhì)。另外，硅在融點(diǎn)附近的高溫下變軟，塑性 變形容易。一般作為參考，常溫下金屬的彈性率為50 150GPa、玻璃為65 90GPa。因?yàn)?彈性率和溫度的關(guān)聯(lián)不大，接近熔點(diǎn)溫度時(shí)的彈性率可以考慮為常溫時(shí)的彈性率的30%左 右。因此，假如硅的彈性率在常溫下為IOOGPa時(shí)，則融點(diǎn)附近時(shí)為30GPa。金屬的屈服彎曲量，一般常溫下多定義為0.2%。也即是說(shuō)金屬變形超過(guò)原長(zhǎng)度的 0.2%就會(huì)發(fā)生永久變形。另外，因?yàn)榍澢康拇笮∨c溫度聯(lián)系密切，溫度越高屈服點(diǎn) 越小，所以與常溫相比，融點(diǎn)附近時(shí)的屈服點(diǎn)為常溫時(shí)的1/10左右。因此，融點(diǎn)附近的硅的 屈服彎曲量為0.02%。彈性率為30GPa，長(zhǎng)4mm、厚2mm、寬2mm的硅柱SH的懸臂梁的彎曲達(dá)到最大0. 02 % 時(shí)，長(zhǎng)度方向的中心點(diǎn)承受的集中負(fù)荷的大小計(jì)算為約4N。此時(shí)，梁的長(zhǎng)度方向的中心點(diǎn)的 變形量(最大變形量)為0.00027mm。因此，如果按照此模式計(jì)算，滲入坩堝200和硅鑄塊 之間的硅溶液S”凝固時(shí)，體積膨脹產(chǎn)生的對(duì)坩堝200朝外側(cè)的張力的大小，沿著坩堝200 和熔解硅S’以及硅鑄塊S接觸的水平線，每2mm的長(zhǎng)度估算為約4N。
以上述計(jì)算出來(lái)的坩堝200中的朝外側(cè)的張力為基準(zhǔn)，來(lái)推算出制造具有正方形 斷面的硅鑄塊S所用的坩堝的變形運(yùn)動(dòng)。如果坩堝200的內(nèi)邊為350mm，那么合計(jì)約為700N 的力則在坩堝的正方形的一邊上沿著硅鑄塊S的凝固界面等量分布負(fù)荷。另一方面，為了防止硅熔液S”體積膨脹引起的坩堝200的彎曲變形，對(duì)于嵌入在 坩堝200的外周面上的由電絕緣材料構(gòu)成的剛性構(gòu)造體810，推算出其使用纖維強(qiáng)化塑料 時(shí)的抗彎強(qiáng)度。因?yàn)槔w維強(qiáng)化塑料采用的是玻璃纖維，可以選定彈性率具有IOGPa的材質(zhì)。 使用該玻璃纖維強(qiáng)化塑料，把厚100mm、寬30mm的剛性構(gòu)造體嵌在內(nèi)邊為350mm的坩堝200 的外周面時(shí)，可以近似地認(rèn)為該剛性構(gòu)造體的內(nèi)側(cè)四邊形的一邊與坩堝200 —起共同承 受最大為700N的力的等量分布的負(fù)荷。此時(shí)，根據(jù)坩堝200以及纖維強(qiáng)化塑料的剛性構(gòu)造 體810承受的力和彎曲變形的關(guān)系，把厚33mm、寬23. 3mm的具有700mm跨距的相同斷面的 銅的懸臂梁的兩端的活動(dòng)支架承受集中負(fù)荷的反彈力，以及具有350mm跨距，厚100mm、寬 30mm的纖維強(qiáng)化塑料兩端的梁承受均等負(fù)荷時(shí)的反彈力，使用坩堝200被分割的區(qū)域的尺 寸，能夠?qū)?個(gè)反彈力的合計(jì)值計(jì)算出來(lái)。該復(fù)合梁上負(fù)荷為700N時(shí)，如果纖維強(qiáng)化塑料的彈性率為lOGPa、銅的彈性率為 llOGPa，則可計(jì)算出纖維強(qiáng)化塑料梁的中央位置的最大變形量為0. 011mm、最大彎曲應(yīng)力為 0. 43MPa、最大彎曲率為0. 0043。該最大彎曲應(yīng)力與纖維強(qiáng)化塑料的拉伸強(qiáng)度130MPa相比 非常小。因此，如果把纖維強(qiáng)化塑料的剛性構(gòu)造體810嵌入在坩堝200上，就能防止由于硅 熔液滲入時(shí)的凝固及體積膨脹使坩堝200受力引起的永久變形，從而硅鑄塊S就能連續(xù)地 下降。其次，使用圓筒狀的坩堝200制造圓柱狀的硅鑄塊S時(shí)，我們來(lái)推算一下外周面 嵌入了纖維強(qiáng)化塑料制作的剛性構(gòu)造體820的坩堝200的變形強(qiáng)度。根據(jù)日本工業(yè)規(guī)格 (JIS B9265)中計(jì)算壓力容器的強(qiáng)度的規(guī)定“有內(nèi)壓的厚度薄的圓筒中，對(duì)于作用在容器 的圓周方向的拉伸應(yīng)力，采用安全率4”。假設(shè)鑄造硅的坩堝200的內(nèi)徑為600mm、外徑為660mm，嵌入在坩堝200的外周面的纖維強(qiáng)化塑料的剛性構(gòu)造體820的厚度為2mm，嵌入寬 度為50mm。此時(shí)，熔解硅S’滲入坩堝200和凝固了的硅鑄塊S之間，熔解硅凝固時(shí)對(duì)坩堝 200的內(nèi)面產(chǎn)生的張力，由于作用在每Imm上的力為2N，那么作用在坩堝200的1884mm的 內(nèi)表面整體上的張力為3768N。對(duì)于這個(gè)合計(jì)的對(duì)坩堝200的朝外側(cè)的張力，如果不考慮坩 堝200的剛性引起的反彈力，那么通過(guò)坩堝200的剛性，嵌在坩堝200的外周面上的纖維強(qiáng) 化塑料制作的圓筒狀的剛性構(gòu)造體820將從內(nèi)側(cè)受到近似均等大小的張力。所以，可以近似的認(rèn)為，在內(nèi)徑660mm，寬50mm，厚2mm的纖維強(qiáng)化塑料構(gòu)成的圓筒 狀剛性構(gòu)造體820的內(nèi)面上受到總計(jì)為3768N的力，這些力均勻的分布在103620平方mm 上。因此可以計(jì)算出，在內(nèi)壓為0. 037MPa,內(nèi)徑為660mm、厚2mm的纖維強(qiáng)化塑料的圓筒狀剛 性構(gòu)造體820上，作用在圓周方向的拉伸應(yīng)力為6. 6MPa。根據(jù)日本工業(yè)規(guī)格(JIS B9265) 規(guī)定，安全率為4，只要該纖維強(qiáng)化塑料的拉伸強(qiáng)度在26. 4MPa以上，就不會(huì)對(duì)圓筒狀的剛 性構(gòu)造體820造成破壞。根據(jù)前述，因?yàn)樵摾w維強(qiáng)化塑料的拉伸強(qiáng)度是130MPa，符合安全 率，而且比必要強(qiáng)度26. 4MPa高出很多，因此可以防止硅熔液S”滲入時(shí)凝固膨脹而產(chǎn)生的 力對(duì)圓筒狀剛性構(gòu)造體820的破壞和坩堝200的變形。<其他部件的構(gòu)成>
上述感應(yīng)線圈300、300’通電時(shí)，使坩堝200內(nèi)的硅塊(原料硅)發(fā)熱并且熔解。特別是圖2所示的感應(yīng)線圈300中，是由2個(gè)不同的感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈310、320 分別上下配置構(gòu)成的。為了避免這兩個(gè)不同感應(yīng)頻率的感應(yīng)線圈之間產(chǎn)生磁力作用，在感 應(yīng)線圈310、320之間放置有一個(gè)磁屏蔽板330。但是，各感應(yīng)線圈310、320的端子負(fù)載電壓 最好在900V以下，600V以下就更好。上述溫度控制爐600，可以緩慢地冷卻熔解硅S’，并使其凝固。一般來(lái)說(shuō)，從上方 到下方保持規(guī)定的溫度差，最終使熔解硅S’在指定溫度下緩慢冷卻。上述石墨臺(tái)400是由石墨構(gòu)成的臺(tái)座。鑄造硅時(shí)，由上下移動(dòng)裝置500把石墨臺(tái) 400移動(dòng)到下方側(cè)的感應(yīng)線圈320的高度之后，裝入的硅塊(原料硅)被放置在石墨臺(tái)上。 然后，上下移動(dòng)裝置沿著爐體容器100內(nèi)的中心線下降，溶解硅S’在下降的同時(shí)逐漸凝固。上述的上下移動(dòng)裝置500可以使石墨臺(tái)400沿著爐體容器100的中心線上下移 動(dòng)。與其他的驅(qū)動(dòng)裝置相比，這樣上下的移動(dòng)更適合鑄造條件。上述原料供給容器700的作用是把作為原料的硅塊(原料硅)和石墨塊從上方 裝入坩堝200內(nèi)。首先裝入規(guī)定重量的硅塊之后，再在硅塊之上裝入石墨塊。石墨塊是用 來(lái)輔助原料硅發(fā)熱的。感應(yīng)線圈通電后，首先是石墨塊發(fā)熱升溫，然后下方的原料硅受到石 墨的輻射熱的影響升溫。原料硅的溫度上升到一定溫度以上之后，原料硅的電阻值下降，原 料硅中的感應(yīng)電流增加，開(kāi)始自己發(fā)熱。原料硅開(kāi)始自己發(fā)熱的同時(shí)，上方的石墨塊將會(huì)從 坩堝200的上方抽出。實(shí)施例1 如圖2和圖3所示，在坩堝200外周面嵌入用絕緣材料制作的剛性構(gòu)造體810，使 用這種硅電磁鑄造裝置來(lái)制造四棱柱狀的硅鑄塊S時(shí)，步驟如下本例中，硅鑄塊S在鑄造方向的橫斷面為正方形，邊長(zhǎng)35cm。因此，假設(shè)水平方向 的橫斷面為正方形的坩堝200的內(nèi)邊長(zhǎng)為35cm，外邊長(zhǎng)為41. 6cm，把坩堝200的縱向的絕 緣分割區(qū)域數(shù)定為60，被分割為60份的坩堝200的各部分長(zhǎng)度為70cm，加工時(shí)內(nèi)部有冷卻循環(huán)水，各部分間插入有電絕緣材料的云母。坩堝200內(nèi)部的冷卻水每分鐘流量合計(jì)為500升。另外，兩個(gè)感應(yīng)線圈310、320上下配置。上方側(cè)的感應(yīng)線圈310為正方形的2匝， 內(nèi)徑42. 6cm，高15cm，連接在最大輸出為350kw的感應(yīng)電源上，感應(yīng)頻率設(shè)定為10kHz。下 方側(cè)的感應(yīng)線圈320與上方側(cè)的感應(yīng)線圈310形狀相同，連接在最大輸出為150kw的感應(yīng) 電源上，感應(yīng)頻率設(shè)定為35kHz。感應(yīng)線圈310、320并列設(shè)置在坩堝200的高度方向的中心 位置，兩感應(yīng)線圈310、320之間設(shè)置有3cm厚的銅制的磁屏蔽板330，磁屏蔽板330外周上 設(shè)有水管以實(shí)現(xiàn)冷卻。圖3所示為在坩堝200外周面上嵌入纖維強(qiáng)化塑料制做的剛性構(gòu)造體810后的狀 態(tài)。沿著坩堝200的外邊的剛性構(gòu)造體810的內(nèi)邊(梁長(zhǎng))為41. 6cm，梁的厚度為10cm， 梁寬3cm，剛性構(gòu)造體810與坩堝200嵌合固定在下方側(cè)感應(yīng)線圈的正下方。本實(shí)施例的操作順序如下所示首先在下降方向上，為了使橫斷面為正方形、邊長(zhǎng) 為35cm的石墨臺(tái)400和其上面靠近感應(yīng)線圈320下端的位置保持在同一高度位置，石墨臺(tái) 400搭乘上下移動(dòng)裝置500上升，從下方插入坩堝200中，在石墨臺(tái)400上裝入50kg的硅 塊(原料硅)。在原料硅上方2cm處，把邊長(zhǎng)30cm，高7cm，橫斷面為正方形的石墨塊從坩 堝200的上方插入。由真空泵把爐體容器100里的壓強(qiáng)減壓到0. 1托后，然后送入氬氣，使 爐體容器內(nèi)壓強(qiáng)到達(dá)大氣壓。然后，把上方側(cè)的頻率為IOkHz的感應(yīng)線圈310的感應(yīng)輸出 功率逐步增加到200kw，接著把下方側(cè)的35kHz的感應(yīng)線圈320的感應(yīng)輸出功率逐步增加 到lOOkw。兩個(gè)感應(yīng)線圈310、320通電后，首先插在原料硅上方的石墨塊就會(huì)感應(yīng)發(fā)熱、升 溫并變紅。在變紅的石墨塊的輻射熱量的作用下，原料硅開(kāi)始升溫。當(dāng)原料硅的溫度到達(dá) 500°C時(shí)，硅的電阻值就會(huì)下降，原料硅中的感應(yīng)電流增加，開(kāi)始發(fā)熱。原料硅自己開(kāi)始發(fā)熱 的同時(shí)，上述的石墨塊就會(huì)被從坩堝上方抽出。然后把上方側(cè)的感應(yīng)線圈310的感應(yīng)輸出 功率調(diào)到350kw，下方側(cè)的感應(yīng)線圈320的感應(yīng)輸出功率調(diào)到150kw，以加速原料硅的熔解。 已開(kāi)始自己發(fā)熱的原料硅進(jìn)一步升溫，不一會(huì)就完全熔解。在坩堝200的內(nèi)面壁和側(cè)面的 電磁力的影響下，溶解硅S’就在非接觸狀態(tài)下游離。初期裝入的原料硅完全溶解并保持穩(wěn)定后，把設(shè)置在坩堝200正下方的硅鑄塊的 控溫爐600升溫，使之順著硅鑄塊下降方向保持溫度以約35°C /cm遞減。然后，從上方的 原料供給器700將大小為Imm到20mm的原料硅顆粒連續(xù)裝入坩堝200中，并使載著溶解硅 S’的上下移動(dòng)裝置500下降，開(kāi)始鑄造。上下移動(dòng)裝置500開(kāi)始下降后，溶解硅S’下降到 下方側(cè)感應(yīng)線圈320下端的位置之后，受到的電磁力逐漸減少，開(kāi)始冷卻凝固。這樣，連續(xù)地供給原料的同時(shí)，鑄塊連續(xù)的凝固，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造。在本操作例 中，鑄造的速度為每分鐘2. 0mm，穩(wěn)定鑄造時(shí)的感應(yīng)電源輸出功率，上方側(cè)的感應(yīng)線圈310 的感應(yīng)電源輸出功率為約260kw，下方側(cè)的感應(yīng)線圈320的感應(yīng)電源輸出功率為約80kw。當(dāng) 鑄塊全長(zhǎng)達(dá)到200cm時(shí)，鑄造停止。按照上述順序鑄造的鑄塊冷卻到室溫后，從爐內(nèi)取出鑄塊，測(cè)量坩堝200內(nèi)邊的 外側(cè)的變形。測(cè)量確認(rèn)結(jié)果坩堝200沒(méi)有變形。實(shí)施例2 圖4和圖5所示的硅電磁鑄造裝置的操作實(shí)施例中，在坩堝200外周面嵌入用絕 緣材料制做的剛性構(gòu)造體820，使用這種裝置來(lái)制造圓柱狀的硅鑄塊S時(shí)，步驟如下所示
本例中，硅鑄塊的鑄造方向的橫斷面為圓形，其直徑600mm。由此，假設(shè)坩堝200內(nèi) 徑為600mm，外徑為660mm，把坩堝200的縱方向的絕緣分割區(qū)域數(shù)定為60。加工時(shí)，被分 割為60份的坩堝200的各部分在內(nèi)部之間有冷卻水循環(huán)，各部分間插入有電絕緣材料的云 母。坩堝200內(nèi)的冷卻水每分鐘流量合計(jì)為500升。另外，使用最大輸出功率為600kw，頻率為6kHz的感應(yīng)電源。感應(yīng)線圈300’內(nèi)徑 為670mm的3匝，線圈高度300mm。從上方加熱硅溶液的等離子噴射裝置(圖示略)由以下 部分構(gòu)成直徑為98mm長(zhǎng)為1. 5m的水冷卻等離子炬、最大輸出功率為300kw的直流電源、 等離子氣體點(diǎn)火用的高頻發(fā)射裝置以及氬氣的流量控制器。等離子炬的等離子噴射口的直 徑為18mm。另外，在坩堝200外周面嵌入使用纖維強(qiáng)化塑料制作的剛性構(gòu)造體820的樣子如 圖5所示。沿著坩堝200的外周面，厚度2mm，寬為50mm的剛性構(gòu)造體820，在感應(yīng)線圈300 的正下方，圍成圈固定在坩堝200上。本實(shí)施例的操作順序如下所示首先在下降方向上，為了使橫斷面直徑為600mm 的石墨臺(tái)400和臺(tái)座上方的感應(yīng)線圈300’下端緊挨的位置保持在同一高度位置，石墨臺(tái) 400搭乘上下移動(dòng)裝置500上升，從下方插入坩堝200中，在石墨臺(tái)400上裝入120kg的硅 塊(原料硅)。然后，由真空泵把爐體容器100內(nèi)的壓強(qiáng)減壓到0. 1托之后送入氬氣，并使 爐體容器內(nèi)壓強(qiáng)到達(dá)大氣壓。然后，把等離子炬下降，使等離子炬的頂端和臺(tái)座上的原料硅 相接近。然后，讓氬氣以每分鐘200升的速度流入等離子炬，在等離子炬的陰極和原料硅之 間，將直流等離子炬點(diǎn)火。確認(rèn)火點(diǎn)燃后，感應(yīng)電源發(fā)出信號(hào)，增加向原料硅的電力輸出。氬氣等離子點(diǎn)火，感應(yīng)電源電力開(kāi)始增加后，逐步增加電力輸出，加快原料硅的升 溫，一會(huì)原料硅就開(kāi)始熔解。原料硅開(kāi)始熔解后，原料供給器持續(xù)投入原料硅，直到熔解硅 S’達(dá)到250kg。受到等離子的噴射，而且坩堝200內(nèi)感應(yīng)熔解的硅熔液狀態(tài)穩(wěn)定后，硅熔液 受到坩堝200的內(nèi)面壁和對(duì)面?zhèn)让娴碾姶帕Φ挠绊懴?，溶解硅S’就在非接觸狀態(tài)下游離。初期的熔液變穩(wěn)定后，把設(shè)置在坩堝200正下方的硅鑄塊的控溫爐600升溫，使之 順著硅鑄塊下降方向保持溫度以50°C /cm遞減。然后，從上方的原料供給器700將粉碎的 原料硅連續(xù)裝入坩堝200中，并使載著溶解硅S’的上下移動(dòng)裝置500下降，開(kāi)始鑄造。上 下移動(dòng)裝置500開(kāi)始下降后，連續(xù)供給原料的同時(shí)，鑄塊連續(xù)凝固，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造。在 本例中，鑄造的速度為每分鐘3. 0mm，穩(wěn)定鑄造時(shí)的感應(yīng)電源輸出功率為約400kw，因?yàn)榈?離子的發(fā)生，輸出電壓為130V，電流約為1500A，大約200kw。當(dāng)鑄塊全長(zhǎng)達(dá)到3m時(shí)，鑄造停 止。按照上述順序鑄造的鑄塊冷卻到室溫后，從爐內(nèi)取出鑄塊，測(cè)量坩堝200內(nèi)邊的 外側(cè)的變形。測(cè)量確認(rèn)結(jié)果坩堝200沒(méi)有變形。本發(fā)明可適用于根據(jù)原料硅感應(yīng)發(fā)熱而溶解，從而制造硅鑄塊的硅電磁鑄造?？?制造用于太陽(yáng)能電池硅基板的高品質(zhì)硅鑄塊。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種硅電磁鑄造裝置，包括爐體容器(100)和設(shè)置在爐體容器(100)內(nèi)部的具導(dǎo)電性的坩堝(200)以及安裝在該坩堝(200)外圍的感應(yīng)線圈(300)。所述的爐體容器(100)內(nèi)設(shè)有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應(yīng)線圈(300)通電后，使坩堝(200)內(nèi)的硅感應(yīng)發(fā)熱、熔解，然后凝固。其特征在于所述坩堝(200)的外周面上嵌有由絕緣材料構(gòu)成的剛性構(gòu)造體(810，820)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的剛性構(gòu)造體(810，820) 是指嵌入在坩堝(200)的外周面上的，處于熔解硅和凝固的硅鑄塊交界的凝固界面高度上 的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅電磁鑄造裝置，其特征在于所述的剛性構(gòu)造體(810， 820)是指嵌入在內(nèi)徑為35cm以上的坩堝(200)的外周面上的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硅電磁鑄造裝置，包括爐體容器和設(shè)置在爐體容器內(nèi)部的具導(dǎo)電性的坩堝以及安裝在該坩堝外圍的感應(yīng)線圈。所述的爐體容器內(nèi)設(shè)有一定壓力的指定氣體，該硅電磁鑄造裝置中的感應(yīng)線圈通電后，使坩堝內(nèi)的硅感應(yīng)發(fā)熱、熔解然后凝固。坩堝的外周面上嵌有由絕緣材料構(gòu)成的剛性構(gòu)造體。采用本發(fā)明當(dāng)遇到熔解硅滲入到凝固的硅鑄塊和坩堝間的微小隙縫里，并且凝固膨脹而對(duì)坩堝內(nèi)面產(chǎn)生壓力時(shí)，由于此時(shí)嵌入在坩堝外圍的剛性構(gòu)造體產(chǎn)生作用抵抗變形壓力，因而能防止坩堝朝向外側(cè)的變形，從而保護(hù)坩堝，讓生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行。
文檔編號(hào)C01B33/021GK101830465SQ20101019704
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者宋明生, 金子恭二郎 申請(qǐng)人:麗達(dá)科技有限公司;金子恭二郎