專利名稱：多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于石英坩堝制造領域，具體涉及一種用于多晶硅鑄錠的免噴涂熔融石英坩堝的制造方法。
背景技術：
太陽能多晶硅的迅猛發(fā)展，大大加快了多晶硅熔融鑄錠所使用的熔融石英坩堝的研究發(fā)展。行業(yè)內由于坩堝成品率的問題，目前所生產(chǎn)的石英坩堝大多是未噴涂的，使用者在用這種坩堝時必須自備噴涂設備，在成品坩堝內部噴上一層氮化硅涂層，然后在1000°c 以上燒結24個小時以上才能開始裝入純硅料進行使用。市場上也有少量免噴涂石英坩堝， 但這只是在坩堝生產(chǎn)后繼續(xù)噴涂并燒結，工藝并沒有改變，而且這種工藝生產(chǎn)周期長，耗能巨大?，F(xiàn)行坩堝生產(chǎn)中的打磨工序是在坩堝燒結以后進行，由于燒結后的坩堝硬度很高，導致對設備和磨具的要求也高，而且打磨過程中需要用大量的水進行冷卻。另一方面，在燒結過程中一般的燒結窯爐，由于其固定的燒結位點以及其他原因會造成坩堝不同部位受熱不均，極易在石英坩堝內部形成瑕疵或裂紋等，這也是目前造成石英坩堝成品率低下的一個重要原因。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提供一種用于多晶硅鑄錠的免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，該法可使石英坩堝的生產(chǎn)周期縮短，減化了客戶使用坩堝的工藝，大大降低了能耗并提高了坩堝成品率。本發(fā)明的目的可以通過以下措施達到一種多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其包括如下步驟(1)將塊狀及粒狀高純熔融石英原料一起通過球磨研磨進行濕法造粒，研磨后的料漿粒徑為10 μ m 50 μ m ；(2)將料漿充分攪拌后，再加入粉狀高純熔融石英原料混合均勻，然后注入石膏模具中進行充分的脫水成型，脫模；(3)脫模后的坯體在180°C以下進行干燥，制得毛坯；(4)對毛坯進行打磨、清潔預處理；(5)在毛坯內表面噴涂0. 2 0. 7mm的氮化硅涂層；(6)將噴有氮化硅涂層的毛坯在旋轉窯爐中于1000 1300°C下旋轉燒結14 24 小時。本發(fā)明的高純熔融石英原料，其純度一般在99. 9%以上。步驟(1)中，塊狀高純熔融石英原料與粒狀高純熔融石英原料的質量比為25 30 70 75，所述塊狀高純熔融石英原料的粒徑為20 60mm，所述粒狀高純熔融石英原料的粒徑為5 20mm。步驟(1)中濕法造粒過程中加入兩種高純熔融石英原料質量20 30%的水。
粉狀高純熔融石英原料與步驟(1)中所述料漿的質量比為30 40 70 60，所述粉狀高純熔融石英原料粒徑為50 200目。步驟(2)中料漿在加入粉狀高純熔融石英原料前充分攪拌72小時以上，優(yōu)選為 72 200小時，進一步優(yōu)選為100 170小時。該步驟中的脫水成型時間一般為5 20小時，優(yōu)選為10 15小時。步驟(3)中 干燥溫度優(yōu)選為100 180°C。步驟(4)中的預處理包括對坯體進行打磨和清潔步驟，打磨過程特別是采用砂輪打磨毛坯底部，該打磨過程一般只需5 25分鐘；清潔過程特別是清潔毛坯內表面。步驟(5)中所述氮化硅涂層為20 25wt%的Si3N4水溶液，該氮化硅涂層的厚度優(yōu)選為0. 5mmο本發(fā)明的旋轉窯爐(也稱回轉窯爐)是指可以帶動待燒結產(chǎn)品旋轉的燒結窯爐。 一種該旋轉窯爐的結構為具有爐體和分布于爐體內部的用于燒結毛坯的燒嘴，其中在所述爐體的底部設有能夠繞其中心緩慢旋轉的旋轉平臺，該旋轉平臺上用以放置所述需燒結的噴有氮化硅涂層的毛坯。旋轉平臺可以由設于其下部的動力裝置驅動。步驟(6)結束后可采用超聲波無損探傷或X射線檢查燒結好的石英坩堝，檢測坩堝的成品率及其他性能。本方法在現(xiàn)有工藝的基礎上，將打磨步驟從成品后處理提至毛坯預處理，不僅大大降低了處理難度，而且減少了處理設備和用料消耗。本法克服了由于成品率低而將氮化硅后涂的限制，將毛坯燒結和氮化硅涂層制備合二為一，在其他步驟的配合下，不僅簡化了工藝流程，更極大地減少了能源消耗和設備投入，同時還提高了坩堝的制備成品率，使成品率從60%左右提高至70 75%。本發(fā)明的方法與無噴涂坩堝相比，因為將坩堝生產(chǎn)中的燒結和氮化硅涂層的燒結合二為一，縮短了生產(chǎn)周期，較之前縮短了 30% ；簡化了客戶的生產(chǎn)工藝，提高了客戶的生產(chǎn)效率；提高了成品率及企業(yè)的經(jīng)濟效益。本方法采用旋轉窯爐進行燒結，避免了固定的燒結位點對毛坯造成的受熱不均的問題，極大地提高了坩堝成品率。本方法與現(xiàn)有的免噴涂坩堝相比，大大降低了能耗，較之前節(jié)省了 40 %以上。本工藝與現(xiàn)有的工藝相比，提前進行底部研磨預處理杜絕了水資源的浪費，降低了處理難度，也提高了原料的利用率。


圖1為一種旋轉窯爐結構示意圖。圖中，1-爐體，2-旋轉平臺，3-坩堝坯體，4-燒嘴。
具體實施例方式本實施采用的旋轉窯爐的結構如圖1所示，包括爐體1、旋轉平臺2，和燒嘴4，其中燒嘴4分布于爐體1的內部，旋轉平臺2位于爐體1的底部，在旋轉平臺2的下部設在驅動裝置，用以使旋轉平臺2能夠圍其中心進行緩慢旋轉。坩堝坯體3均勻地放置在旋轉平臺 2上，或者均勻地放置設于旋轉平臺2上的坯體架上。
實施例1將250kg粒徑為50 60mm的塊狀 高純熔融石英原料和750kg粒徑為10 20mm的粒狀高純熔融石英原料(塊狀及粒狀高純熔融石英原料的質量組分二氧化硅> 99. 9%， 氧化鋁< 2000ppm，氧化鐵< 50ppm，氧化鈉< 50ppm，其它組分為原料中不可避免的雜質； 下同)，投入球磨機中加入250kg的水進行濕法研磨，研磨后的料漿粒徑控制在ΙΟμπι 30 μ m0將料漿導出球磨機后進行攪拌120小時，檢查料漿的物理及化學性能；再加入 673kg的干粉(100目粉狀高純熔融石英原料)進行充分攪拌；攪拌均勻后轉入澆注罐注入石膏模具中，在模具中靜置10個小時后進行脫模。脫模后的坩堝毛坯進行干燥，干燥溫度控制在140°C。對干燥后的毛坯進行底部打磨，打磨時間為15分鐘。清潔打磨后的坩堝內表面。在清潔后的坩堝內表面噴上一層0. 3mm厚度的氮化硅涂層(21襯％的Si3N4水溶液)。將噴涂好后的坩堝毛坯放入圖1所示的旋轉窯爐內進行旋轉燒結，燒結的溫度控制在1200°C，燒結時間為20小時。用超聲波無損探傷或X射線檢查燒結好的石英坩堝，除去次品，即得本發(fā)明的免噴涂熔融石英坩堝。經(jīng)性能檢測得知本實施例得到的免噴涂熔融石英坩堝，成品率為75% 79%， 其室溫彎曲強度在17MPa以上，體積密度為1. 85 1. 98g/cm3,真密度為2. 16 2. 23g/cm3, 線性膨脹系數(shù)為0.6X10_6/°C，氣孔率為11% 14%。實施例2將300kg粒徑為40 50mm的塊狀高純熔融石英原料和700kg粒徑為10 15mm 的粒狀高純熔融石英原料，投入球磨機中加入250kg的水進行濕法研磨，研磨后的料漿粒徑控制在10 μ m 50 μ m。將料漿導出球磨機后進行攪拌168小時，檢查料漿的物理及化學性能；再加入 680kg的干粉(100目粉狀高純熔融石英原料)進行充分攪拌；攪拌均勻后轉入澆注罐注入石膏模具中，在模具中靜置15個小時后進行脫模。脫模后的坩堝毛坯進行干燥，干燥溫度控制在100°C。對干燥后的毛坯進行底部打磨，打磨時間為15分鐘。清潔打磨后的坩堝內表面。在清潔后的坩堝內表面噴上一層0. 5mm厚度的氮化硅涂層(22wt%的Si3N4水溶液)。將噴涂好后的坩堝毛坯放入圖1所示的旋轉窯爐內進行旋轉燒結，燒結的溫度控制在1300°C，燒結時間為24小時。用超聲波無損探傷或X射線檢查燒結好的石英坩堝，即得本發(fā)明的免噴涂熔融石英坩堝。經(jīng)性能檢測得知本實施例得到的熔融石英坩堝，成品率為76% 79%，其室溫彎曲強度在17MPa以上，體積密度為1. 85 1. 98g/cm3，真密度為2. 16 2. 23g/cm3，線性膨脹系數(shù)為0.6X10_6/°C，氣孔率為11% 14%。對比例1將250kg粒徑 為50 60mm的塊狀高純熔融石英原料和750kg粒徑為10 20mm 的粒狀高純熔融石英原料，投入球磨機中加入250kg的水進行濕法研磨，研磨后的料漿粒徑控制在10 μ m 30 μ m。將料漿導出球磨機后進行攪拌120小時，檢查料漿的物理及化學性能；再加入 673kg的干粉(100目粉狀高純熔融石英原料)進行充分攪拌；攪拌均勻后轉入澆注罐注入石膏模具中，在模具中靜置10個小時后進行脫模。脫模后的坩堝毛坯進行干燥，干燥溫度控制在140°C。將干燥后的坩堝毛坯放入一般梭式窯爐內進行燒結，燒結的溫度控制在1200°C， 燒結時間為20小時，得到熔融石英坩堝。用數(shù)控銑床配金剛石磨輪外加純水冷卻進行底部打磨，打磨時間為40分鐘。用超聲波無損探傷或X射線檢查打磨后的石英坩堝，除去次品，再次干燥坩堝，干燥溫度為140°C，干燥時間為2小時。在干燥后的坩堝內表面噴上一層0. 3mm厚度的氮化硅涂層(21襯％的Si3N4水溶液)。將噴涂好后的坩堝放入梭式窯爐內進行燒結，燒結的溫度控制在1200°C，燒結時間為24小時。經(jīng)性能檢測得知本例得到的熔融石英坩堝，成品率在60%左右，其室溫彎曲強度均在17MPa以上，體積密度為1. 85 1. 98g/cm3，真密度為2. 16 2. 23g/cm3，線性膨脹系數(shù)為0. 6X10_6/°C，氣孔率為11% 14%。
權利要求
1.一種多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于包括如下步驟(1)將塊狀及粒狀高純熔融石英原料一起通過球磨研磨進行濕法造粒，研磨后的料漿粒徑為10 μ m 50 μ m ；(2)將料漿充分攪拌后，再加入粉狀高純熔融石英原料混合均勻，然后注入石膏模具中進行充分的脫水成型，脫模；(3)脫模后的坯體在180°C以下進行干燥，制得毛坯；(4)對毛坯進行打磨、清潔預處理；(5)在毛坯內表面噴涂0.2 0. 7mm的氮化硅涂層；(6)將噴有氮化硅涂層的毛坯在旋轉窯爐中于1000 1300°C下旋轉燒結14 24小時。
2.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 所述旋轉窯爐具有爐體和分布于爐體內部的用于燒結毛坯的燒嘴，其中在所述爐體的底部設有能夠繞其中心緩慢旋轉的旋轉平臺，該旋轉平臺上用以放置所述需燒結的噴有氮化硅涂層的毛坯。
3.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 所述氮化硅涂層為20 25襯％的Si3N4水溶液。
4.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 步驟(4)中打磨過程為采用砂輪打磨毛坯底部，清潔過程為清潔毛坯內表面。
5.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 所述塊狀高純熔融石英原料與粒狀高純熔融石英原料的質量比為25 30 70 75，所述塊狀高純熔融石英原料的粒徑為20 60mm，所述粒狀高純熔融石英原料的粒徑為5 20mmo
6.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 步驟(1)中濕法造粒過程中加入高純熔融石英原料質量20 30%的水。
7.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 所述粉狀高純熔融石英原料與步驟(1)中所述料漿的質量比為30 40 70 60，所述粉狀高純熔融石英原料粒徑為50 200目。
8.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 步驟(2)中料漿在加入粉狀高純熔融石英原料前充分攪拌72小時以上。
9.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 步驟(2)中脫水成型的時間為5 20小時。
10.根據(jù)權利要求1所述的多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其特征在于 步驟(3)中干燥溫度為100 180°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅鑄錠免噴涂熔融石英坩堝的制造方法，其先將高純熔融石英原料一起通過球磨研磨進行濕法造粒，將料漿充分攪拌后，再加入粉狀高純熔融石英原料混合均勻，然后注入石膏模具中進行充分的脫水成型，脫模；脫模后的坯體在180℃以下進行干燥，制得毛坯；對毛坯進行打磨、清潔預處理；在毛坯內表面噴涂0.2～0.7mm的氮化硅涂層；將噴有氮化硅涂層的毛坯在旋轉窯爐中于1000～1300℃下旋轉燒結14～24小時。本發(fā)明較現(xiàn)有技術縮短了生產(chǎn)周期，簡化了生產(chǎn)工藝，大大降低了能耗，提高了生產(chǎn)效率、成品率及企業(yè)的經(jīng)濟效益。
文檔編號C30B28/06GK102219360SQ201110118010
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月8日 優(yōu)先權日2011年5月8日
發(fā)明者方清 申請人:江蘇潤弛太陽能材料科技有限公司