高纯硅电磁悬浮式“无坩埚”冶炼炉的研制

    研制一台用于高纯硅实验提纯冶炼的真空电磁悬浮式“无坩埚”等离子体高纯硅冶炼炉，具体要求是：采用双层水冷高纯石英管做容器，将硅熔体放在管内，感应加热线圈缠绕在石英管外，当感应加热线圈通过中频电流后，在硅熔体表面产生涡流来加热硅熔体，并且表面涡流所受到的磁场（安培）力指向柱心与重力压强相平衡，达到硅熔体侧表面不与石英管内壁相接触的悬浮冶炼的效果。在顶端加电弧等离子体加热器，通过改变等离子体工质气体及其比例而改变冶炼气氛，实现精炼除杂目的。在底部通过涡轮蜗杆控制石英管底部托板向下缓慢运动，使下部硅熔体冷却凝固，控制相变面下降速度而达到分凝除杂的目的，同时由于液面不断下降顶部可以不断加料铸造出长铸坯，实现冶炼和连铸一次完成。国内从事冶金法提纯工业硅生产太阳能级多晶硅的研究单位大都是采用真空感应炉冶炼工业硅来提纯，也有采用真空感应炉结合电弧等离子体冶炼工业硅来提纯的，所使用的冶炼坩埚材质都是石墨，因为石墨是石油产品其本身就含硼磷等杂质，国内生产高纯度的石墨材料的纯度达不到高纯硅冶炼要求；又因为高纯石墨本身可用于火箭发射底座所以国外限制对中国的出口，用国产石墨坩埚不可避免给硅熔体带入杂质是不利于冶炼提纯的。因硅的质量密度为2.3很小，再加上硅熔体有较大的表面张力，不大的电磁力就可以克服重力压强，适合采用电磁悬浮式“无坩埚”冶炼。拟采用双层水冷高纯石英管做容器，将感应线圈缠绕在石英管外，适当的调节线圈形状和间距或者供电频率使硅熔体表面涡流一方面加热硅熔体另一方面表面涡流所受到的磁场（安培）力与重力压强相平衡，达到硅熔体侧表面不与石英管内壁相接触的悬浮冶炼的效果，从而可以避免或减少由于硅熔体与坩埚接触带入的杂质问题，阻断冶炼过程外界杂质进入。高纯石英管是高纯二氧化硅制成，即使与硅熔体相接触也不会带入杂质。采用这种石英管既不导电又可透磁，电磁感应加热的涡流在硅熔体表面产生，是直接加热方式，热效率Z高，采用石墨坩埚电磁感应加热的涡流在石墨坩埚内产生，通过热传导的方式间接加热硅熔体，热效率低。因此必须采用高纯硅电磁悬浮式“无坩埚”冶金法提纯工业硅是未来的好方法。