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邢鹏飞教授东北大学电热冶金研究室

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电热冶金研究室科研成果

报告内容

东北大学电热冶金研究室概况1

电热冶金法制备太阳能多晶硅2

晶体硅切割废料的综合利用3

光伏用碳化硅切割刃料生产新工艺4

5

1. 东北大学电热冶金研究室概况


东北大学是著名爱国将领张学良将军于 1923 年创建，已有近 90 年的发展历史，坐落于东北重工业基地辽宁省沈阳市。

东北大学是国家首批“ 211 工程”和国家“ 985 工程”重点建设的学校。

东北大学主要优势学科是冶金、矿业、自动化和计算机等，其中冶金工程学科是国家一级重点学科。

胡锦涛、温家宝、江泽民、朱镕基、李鹏等许多党和国家领导人曾莅校视察。

东北大学概况


电热冶金：就是在电弧炉或者是埋弧电弧炉 ( 即矿热炉 ) 内，用还原剂 ( 主要是碳或硅 ) 直接还原矿物原料生产铁合金和有色金属合金，如工业硅、硅铝、硅铁、硅锰等合金产品。

本研究室隶属于东北大学的国家重点学科 - 冶金工程，是国内最早开展电热冶金的单位之一，也是目前国内少有从事该方面研究的单位之一。

本研究室在电热冶金方面经过了两代人三十多年的积淀。目前有博士导师 2 人，教授 3 人，副教授 3 人，讲师和技师各 1 人，在读博士生 10 人，硕士生 14 人。

电热冶金研究室概况


光伏新能源材料、电热冶金法制备太阳能多晶硅和高纯硅

太阳能晶体硅切割废料的综合回收利用。

电热冶金 ( 硅合金和高熔点金属化合物 )

及其冶金物理化学。

本研究室主要研究方向：

实验楼


电热冶金研究室概况


本研究室长期致力于电热冶金方面的研发和产业化，已有了两代人三十多年的积淀；形成了一整套电热冶金法生产硅和硅合金等有色和铁合金的基础理论和工艺技术的核心体系，并拥有了一系列自主知识产权的产品技术。先后产业化的项目电热法生产“工业硅”、“硅铁合金”、“稀土钡硅铁合金”、“稀土硅合金” “碳化硼 (B4C)”等。曾多次获得国际发明博览会金奖、国家技术发明二等奖、四等奖，辽宁省科技一等奖奖 10余项。此外，特别是近五年来，本研究室还将电热冶金法引入到光伏新能源材料的制备中来：用电热冶金法制备高纯硅和太阳能多晶硅方面、用晶体硅切割废料制备高纯硅和碳化硅制品方面、在晶体硅碳化硅切割刃料的生产方面都取得了很大的乃至突破性的进展。

1. 东北大学电热冶金研究室概况本研究室的科研条件和设施：研究室设有电热冶金室、高温实验室、熔体性能检测室、物

料制备室等。拥有电热冶金的小型、中试实验系统。

拥有 63KW 和 100KW 直流电弧炉各 1台、 ZG25A型真空感应炉， ZRS-320型真空碳管炉， ZRY55B型真空热压炉、电热回转窑、柱流分离装置、硅碳棒炉、硅化钼炉等。

东北大学的理化测试中心通过“ 211” 工程、“ 985” 工程的建设配备了先进的理化测试设备，如 TEM 、 SEM 、 XRD

、 RFA 、 XPS 、 ICP 、 DTA 等，用于分析检测。

63KVA 直流电弧炉

本研究室主要大型设备：


100kVA 直流电弧炉

1. 东北大学电热冶金研究室概况本研究室主要大型设备

：

ZG25A 型真空感应炉


：

柱流分离实验装置 45KW 常压感应炉


：

ZRS-320型真空碳管炉


：

ZRY55B型真空热压烧结炉


：

Φ150型三段电加热回转炉化验室


：

2. 电热冶金法制备太阳能多晶硅

2. 电热冶金法制备太阳能多晶硅化石能源日渐枯竭、环境危机日益明显。光伏能源因其资源丰富、清洁环保、安全可靠等优势而成为未来最重要的新能源。

光伏能源发展的核心是成本问题，所以显著降低太阳能级多晶硅的成本对光伏能源的普及具有重要意义。

冶金法制备太阳能多晶硅具有成本低、能耗小、投资少和环境友好的优点，已经成为国内外开发的热点。

但是目前冶金法制备多晶硅难以实现的最根本原因就是硼磷难以去除。

石墨电极

矿热炉

硅石 SiO2 碳质还原剂

工业硅

工业硅的制备

硅烷法流化床法西门子法炉外精炼真空精炼

定向凝固等

太阳能级多晶硅(6N)

76% 23% 1%单晶和多晶硅的制备

半导体级单晶硅(9N-12N)


矿热炉

炉外精练定向凝固等

酸洗除杂

电子束除杂

定向凝固

造渣精炼

冶金硅冶金硅

真空精炼

SoG-Si

低硼磷高纯硅

低硼磷高纯硅

SoG-SiSoG-Si

碳还原剂石墨电极硅石

高纯 SiO2 高纯电极高纯还原剂

我提出的方法 (2009.6 厦门 )目前国内外所用典型方法


制备工业硅的主体设备埋弧电弧炉 ( 矿热炉 )


总反应方程： SiO2(s)+ C(s) = Si(l) + CO(g)

电弧区温度： 2500-5000℃

还原区温度： 1800-2500℃

制备硅的矿热炉示意图


材料 Si /wt% O/wt% C/wt% Fe/ppm Al/ppm Ca/ppm Mg/ppm P/ppm B/ppm

硅石 46.1-

46.5

53.1-

53.6

---- 100-

1500

300-

3200

75-160 20-140 5-50 10-45

木炭 0.05-9 2-15 81-91 100-1700 100-6200 1000-4000 200-1000 80-300 10-16

石油焦 1-1.5 94-97 100-600 70-110 ＜ 75 15-100 5-13 ＜ 10

电极 0.2-1.3 91-97 100-3500 50-4000 200-1500 15-500 5-170 ＜ 10

制备工业硅的原料及其杂质含量

从上表可以看出，硅的杂质来源第一是来自木炭、第二是来自硅石，电极和石油焦引入的杂质较少。


名称牌号 Si

wt%

Fe

wt%

Al

wt%

Ca

wt%

应用范围

B

ppm

P

ppm

A 级硅 Si-A 99.3 0.4 0.2 0.1 化学级

30-50 100-200

B 级硅 Si-B 99.0 0.5 0.3 0.2

一级硅 Si-1 98.5 0.6 0.3 冶

金

级

二级硅 Si-2 98.0 0.7 0.5

三级硅 Si-3 97.0 1.0 1.0

工业硅的国家标准


名称 Si

wt%

B

ppm

P

ppmw工业硅 ≤2N 30-50 100-

200硅石＋石油焦

制得特制硅3N 1-2 6-10

高纯原料制得高纯硅

4N 1 ？ 4 ？

太阳能级硅

6-7N 0.15 0.3

电子级硅 9-12N －－


硅石＋石油焦制得硅 99.94%

矿热炉

炉外精练定向凝固等

酸洗除杂

电子束除杂

定向凝固

造渣精炼

工业硅工业硅

真空精炼

SoG-Si

低硼磷高纯硅

低硼磷高纯硅

SoG-SiSoG-Si

碳还原剂石墨电极硅石

高纯 SiO2 高纯电极高纯还原剂

我提出的方法 (2009.6 厦门 )目前国内外所用典型方法


工业硅工业硅

本研究室申请的相关专利：

[1] 邢鹏飞 , 庄艳歆 , 任存治 , 涂赣峰 . 一种电热冶金法制备低硼磷高纯硅的方法 [P]. 中国：申请号201110142290X, 2011.05.30.

[2] 邢鹏飞 , 庄艳歆 , 吴文远 , 涂赣峰，李峰 . 一种高温冶金法制备太阳能级多晶硅的工艺 [P]. 中国 : 申请号200910248411.1, 2009.12.16.

[3] 邢鹏飞 , 庄艳歆 , 任存治 , 涂赣峰 . 用碳化稻壳制备低硼磷高纯硅的方法 [P]. 中国：申请号， 2011.05.


3. 晶体硅切割废料的综合回收利用

3. 晶体硅切割废料的回收和利用

多线切割法多线切割切缝损失示意图

在切割过程中，理论上有 44% 、实际上有接近 50%的单晶硅或多晶硅被切磨成粉料进入切割废料中损失掉了，造成高纯硅的严重浪费。如能得以回收，社会和经济效益巨大。

在切割过程中，理论上有 44% 、实际上有接近 50%的单晶硅或多晶硅被切磨成粉料进入切割废料中损失掉了，造成高纯硅的严重浪费。如能得以回收，社会和经济效益巨大。

切割废料成分

PEG

35-40%

SiC

35-40%

Fe 氧化物

5-7%

Si

15-20%

SiO2

1-3%

unknown

(1) 粒度在 1.0-20m 间，在 1.0-5.0m 间的主要是硅 ; 在5.0-20m 间的主要是碳化硅。

(2) 具有回收价值的有 PEG 、 SiC 和晶体硅，特别是晶体硅。


硅片切割

废料浆 (SiC+Si+PEG)

固液分离 (压滤 )

PEG液体

净化处理筛分

5-20m(SiC)

固体料 (SiC+Si)

柱流分离

(a) 目前国外内回收晶体硅切割废料浆工艺示意图

(b) 本研究室开发的晶体硅切割废料回收利用示意图

清洁 PEG

≤5m 废料 (SiC+Si)

高温熔炼

净化处理

SiC 制品

SiC富集料Si富集料

太阳能级硅

定向凝固

高温熔炼

净化处理


3. 在电热法制备高纯硅方面的进展用晶体硅切割废料制备高纯硅

物理沉降

硅富集料

高温熔炼

低硼磷高纯硅

酸洗除杂

SiC富集料

酸洗除杂

高温处理

碳化硅制品

切割废料切割废料回收的流程图


仅 2011 年一年，我国就用了 23 万吨多晶硅，损失了 12 万吨，产生了 80 万吨的废料浆，其中近 25 万吨是粒度≤ 5m 的废料 (SiC和 Si)，这些微粉废料，不仅无法利用，也污染了环境。

回收利用切割废料中的碳化硅和晶体硅粉具有重要的经济价值。特别是若如能将废料中的晶体硅粉得以回收并再用于制造太阳能多晶硅，这对我国光伏产业发展有重要意义，可以说从切割废料中回收晶体硅是今后一个重要的发展方向。

实现切割废料的再利用，变废为宝、减少环境污染，是一件利国利民的好事；同时切割废料的回收利用也对降低光伏成本、发展光伏产业具有重要意义。

用切割废料制备低硼磷高纯硅取得了突破性进展， Si 为4N ， B≤ 1ppm ， P≤2ppm ，高纯硅不仅可以作为产品销售，也可成为制备多晶硅的优质原料，现寻找厂家进行相关扩大实验！

3. 晶体硅切割废料的综合回收利用用切割废料制备低硼磷高纯硅

用切割废料制备碳化硅制品，用于冶金、陶瓷等行业的耐火材料如罐体、板材、砖块等，技术已完全成熟，原料为废料，而碳化硅制品价格昂贵，经济效益可观。

3. 晶体硅切割废料的综合回收利用用切割废料制备碳化硅制品

本研究室申请的相关专利：

[1] 邢鹏飞 , 王珺，庄艳歆 , 任存治 , 涂赣峰 . 一种晶体硅切割废料氮化反应烧结碳化硅的工艺 [P]. 中国：申请号 201110152492.2, 2011.06.11.

[2] 邢鹏飞 , 王耀彬，郭菁，李景江，林 . 安东尼，涂赣峰 . 一种从单 / 多晶硅切割料浆中回收太阳能级多晶硅的方法 [P]. 中国：授权号 ZL200910187695.8, CN101671022B 申请日 2009.09.28, 授权日 2011.05.25.

[3] 郭菁，邢鹏飞，庄艳歆，任存治，涂赣峰 . 由单晶硅和多晶硅切割废料中回收硅和碳化硅的方法 . 中国 : 申请号 201010280712.5, 2010.09.15.


4. 光伏行业用碳化硅切割刃料生产新工艺

制备太阳能电池时，需要将晶体硅采用多线切割技术进行切片，所用的切割刃料就是碳化硅粉料，根据粒度刃料主要分 JIS1000 、 JIS1200 、JIS1500 和 JIS2000 四个品种。

目前碳化硅刃料生产工艺是：采用雷蒙磨进行破碎后筛分酸洗获得的。该方法生产的碳化硅刃料其圆度值较高 (0.9左右 ) ，不利于晶体硅的切割 ; 此外产出率较低 (约为 52-53 ％ ) ，造成了碳化硅原料的大量浪费。

针对现有碳化硅切割刃料生产工艺的不足，本研究室对其进行了改进，发明了一种光伏行业用碳化硅切割刃料的生产新工艺。其特点是：


圆度值低、棱角锋利：使用该新型碳化硅切割刃料利于切割，可以大大提高切割效率，改善切片表面质量，降低硅片的切割成本。

碳化硅刃料产出率高：产出率提高了 20%以上，显著地减少了碳化硅原料的浪费，提高了经济效益。

产品质量稳定：新工艺生产出的碳化硅切割刃料经过多家知名光伏切割厂家的应用证明，产品的切割性能优越、产品质量稳定，切片的效率、质量和成品率显著提高了。


表 1 三种产品指标对比表 (JIS1500)

企业名称圆度值产出率wt％

SiC Fe2O3 粒度D50/m

东北大学 0.86 75 98.5% 0.15% 7.4-8.6河南某厂切割刃料 0.91 53 98.5% 0.15% 7.4-8.6江苏某厂切割刃料 0.90 50 98.5% 0.15% 7.4-8.6


欢迎企业单位的贵宾到我们东北大学电热冶金室进行参观、访问、合作和并给予指导！欢迎对以上项目感兴趣的贵单位企业垂询、合作和共同开发！

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