Спосіб очищення металургійного кремнію

Спосіб очищення металургійного кремнію, який включає з'єднання металургійного кремнію з розплавом металу-розчинника, нагрівання розплаву металу-розчинника, створення температурного 3 металу-розчинника, створення температурного градієнта в розплаві металу-розчинника, кристалізації кремнію на кристалічній затравці, згідно з корисною моделлю, новим є те, що металрозчинник та металургійний кремній формують у вигляді порошкової заготовки, для кристалізації кремнію використовують кремнієву затравку, порошкову заготовку розміщують над кремнієвою затравкою, кремнієву затравку нагрівають до оплавлення її верхньої частини, порошкову заготовку занурюють у розплав кремнієвої затравки та утримують до утворення між ними стійкої зони розплаву та переміщують зону розплаву вздовж порошкової заготовки. Спосіб полягає у вакуумному переплаві порошкової заготовки методом зонної плавки. Утворюється розплавлена зона, яка переміщується через порошкову заготовку, сформовану із суміші порошку кремнію та матеріалу-розчинника домішок. В умовах температурного градієнту формується розплав, який під дією капілярних сил переміщується по порових каналах порошкової заготовки, перекристалізовує окремо взяті частинки кремнію, розчиняє в собі основну масу домішок, активує ущільнення кремнію до безпористого стану. Розплав вилучається по порових каналах заготовки, зменшуючи кількість домішок перед фронтом кристалізації кремнію. Також можливе застосування методу без примусового додавання металу-розчинника домішок. Так як технічний кремній сам містить певну кількість домішок, які зменшують температуру плавлення Si, утворюють розплав що просочує вихідну порошкову заготовку, зменшуючи концентрацію домішок перед фронтом кристалізації. За один прохід розплавленої зони здійснюється двохкратна перекристалізація кремнію спочатку на рівні окремо взятих частинок: в просоченій розплавом Me-Si частині порошкової заготовки та власне на фронті кристалізації. Причому основна маса домішок не потрапляє в зону розплаву кремнію, а відтісняється разом з розплавом Me-Si по порових каналах заготовки. Це дозволяє значно підвищити ефективність очистки за одну технологічну операцію, до того ж процес проходить на типовому обладнанні і не вимагає його модифікації. Крім того, застосування способу зонної плавки у вакуумі дозволяє видаляти домішки не лише по сегрегаційному механізму, а й шляхом випаровування легко летючих елементів чи їх сполук, наприклад бору і фосфору, що значно активується внаслідок збільшення вільної поверхні матеріалу. Спосіб може бути здійсненим за допомогою обладнання для безтигельної зонної плавки із порошкових заготовок з додаванням металурозчинника домішок або без нього в залежності від кількості домішок у вихідному кремнії. Схема процесу представлена на фігурі. Спосіб здійснюється наступним чином. У вакуумній камері (на кресленні не показано) розміщують затравку із кремнію 2 та закріплюють в нижньому затискачі 1. В верхньому затискачі 6 закріплюють вихідну порошкову заготовку 7, що представляє собою суміш порошку кремнію з додаванням до 3 об. % металу, (наприклад: Ni, Al, 67188 4 Сu). Порошкову заготовку формують одним з методів порошкової металургії, наприклад пресуванням в жорстких пресформах з додаванням пластифікатору. Вільні кінці затравки і порошкової заготовки зближують до відстані між ними 5-8 мм. Вакуумну камеру установки розріджують до тиску -2 -3 10 -10 Па. Вмикають індуктор 3, який за допомогою пристрою стартового розігріву (на фіг. не показано), оплавляє верхню частину затравки, утворюючи на її кінці каплю розплаву кремнію, порошкову заготовку опускають, вона швидко просочується розплавом за рахунок капілярних сил. Утворюється вузька зона розплаву 9 між порошковою заготовкою 7 та затравкою 2, що утримується силами поверхневого натягу між фронтом плавлення 8 та фронтом кристалізації 10. По висоті порошкової заготовки встановлюється перехідна зона - зона термічного впливу 4, в якій виникає градієнт температур від температури плавлення кремнію на фронті плавлення 8 до кімнатної у верхній частині вихідної заготовки. При цьому наявність градієнту температури сприяє перекристалізації окремих частинок кремнію, внаслідок концентраційного переохолодження, що є одним з механізмів очищення. Основна частина газоподібних домішок видаляється ще до повного оплавлення порошкової заготовки - на етапі її просочення розплавом Me-Si в зоні 5, що полегшує процес дегазації та видалення легколетючих домішок, оскільки поверхня частинок кремнію полегшує утворення бульбашок газу (пари), а розвинена пориста структура порошкової заготовки їх відвід. Очищення, в зоні розплаву 9 відбувається по механізму розподілу домішок між твердою і рідкою фазою і, насамперед, залежить від концентрації домішок у зоні розплаву 9, інтенсивності її перемішування та структури затравки 2. Приклад 1. Кремній технічний марки КР00 ГОСТ 2169-69, подрібнювали на щоковому подрібнювачі, далі розмелювали в кульовому млині зі стальним розмельними тілами, відбиралася фракція менше 100 мкм. Замішували шихту з додаванням порошку алюмінію в кількості 3 об. %, який виступав в ролі металу-розчинника, та пластифікатору, який містив 2,5 % водного розчину полівінілового спирту. Пресуванням шихти в жорсткій стальній пресформі отримували циліндричні стержні діаметром 10 мм і довжиною 144 мм. Стержні піддавали сушці у вакуумній печі при температурі 120 °С, протягом якої видалялася волога та полімеризувався полівініловий спирт. Переплав методом безтигельної зонної плавки проводили в індукційній, високочастотній установці «Кристалл 106» за допомогою одновиткового індуктора, частота струму в якому становила 1,78 МГц. Під час плавки вакуум у камері установки досягав -2 величини 10 Па. Для стартового розігріву кремнієвої затравки 2, в електромагнітному полі, використовували графітове кільце, яке за допомогою маніпулятора прибиралося після оплавлення затравки 2. Плавильний індуктор 3 пересували зі швидкістю 2 мм/хв. Після одного проходу зони розплаву, рентгено-флюорисцентним аналізом на приладі Expert 5 67188 3L визначали хімічний склад, результати наведені в таблиці. Приклад 2. Кремній технічний марки КРОО ГОСТ 2169-69, подрібнювали на щоковому подрібнювачі, далі розмелювали в кульовому млині зі стальним розмельними тілами, відбиралася фракція менше 50 мкм. Замішували шихту з додаванням пластифікатору, який містив 2,5 % водного розчину полівінілового спирту. Пресуванням шихти в жорсткій стальній пресформі отримували циліндричні стержні діаметром 10 мм і довжиною 144 мм. Стержні піддавали сушці у вакуумній печі при температурі 120 °С, протягом якої видалялася волога та полімеризувався полівініловий спирт. Переплав методом безтигельної зонної плавки проводили в індукційній, високочастотній установці «Кристалл 106» за допомогою одновиткового інду 6 ктора, частота струму в якому становила 1,78 МГц. Під час плавки вакуум у камері установки досягав величини 10" Па. Для стартового розігріву кремнієвої затравки 2, в електромагнітному полі, використовували графітове кільце, яке за допомогою маніпулятора прибиралося після оплавлення затравки 2. Плавильний індуктор 3 пересували зі швидкістю 1 мм/хв. В ролі металу розчинника виступали домішки присутні у порошку кремнію після розмолу, що складалися, в основному, з заліза та титану, що утворюють більш легкоплавкий (чим кремній) розплав в області значних концентрацій кремнію. Після одного проходу зони розплаву, рентгено-флюорисцентним аналізом на приладі Expert 3L визначали хімічний склад, результати наведені в таблиці. Таблиця Хімічний склад кремнію (рентгено-флюорисцентного аналіз) Елемент Після розмолу, мас. % Після плавки з додаванням Аl, мас. % Після плавки без добавок, мас. % Si 98,64 99,97 99,95 Сl 0,53 Zn 0,02 Ті 0,13 0,02 Fe 0,57 0,01 0,01 Сu 0,04 0,01 Решта 0,03 0,0 0,03 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601