Estudo da solidificação unidirecional ascendente para obtenção de estruturas colunares grosseiras

Abstract

In the current work a methodology of melting and upward unidirectional solidification to obtain ingots of the pure metals with large columnar macrostructure was developed. Its purpose is to be applied on production of multicrystalline silicon ingots to photovoltaic industry. In order to obtain the desired macrostructure, this methodology is based on monitoring and controlling the thermal parameters such as: growth rate, thermal gradient and cooling rate, further at the correlation between these parameters with macrostructure. To develop this work, it was projected an upward unidirectional furnace with resistive heat elements capable of operate until 1650 ºC. Also, a chill system was built in stainless steel, 180 mm length by 51 mm diameter, to cast zinc and aluminum pure metals, with two configurations of the cooled chill to promote different thermal parameters. To work with silicon it was used a quartz crucible and a quartz tube chamber to protect the melting with an argon atmosphere. With the experimental results it is possible to observe that the cooling rate has an important correlation with the as-cast macrostructure in the upward unidirectional solidification. The zinc and aluminum ingots presented an evident CET (columnar-to-equiaxed transition) and the cooling rates were about 0. 0035 to 0. 0049 ºC/s for zinc and 0. 013 to 0. 028 ºC/s for aluminum. Related to thermal parameters analysis and correlation with macrostructure were obtained expressions in the form T = constante. TG expoente o. Into the furnace was possible to melt and to solidify in situ silicon.

Nesse presente trabalho foi desenvolvido uma metodologia de fusão e solidificação unidirecional ascendente para a obtenção de lingotes, de metais puros, com macroestrutura colunar grosseira e que possa ser aplicada na produção de lingotes de silício multicristalinos para a indústria fotovoltaica. Visando gerar as condições necessárias para a obtenção da macroestrutura desejada, a metodologia baseia-se no monitoramento e controle de parâmetros térmicos tais como: velocidade de solidificação, gradiente térmico e taxa de resfriamento, e na correlação desses parâmetros com a macroestrutura. Para o desenvolvimento do trabalho foi projetado um forno de fusão e solidificação unidirecional ascendente com sistema de aquecimento resistivo capas de atingir temperatura de 1650 ºC. Também foi construída uma lingoteira, para trabalhar com os metais zinco e alumínio, de aço inoxidável com 180 mm de comprimento por 51 mm de diâmetro com duas configurações de sistema de resfriamento capaz de gerar variações nos parâmetros térmicos. Para trabalhar com silício foi utilizado cadinho de quartzo e um sistema para atmosfera de proteção também construído em quartzo. Com os resultados obtidos foi possível observar que a taxa de resfriamento tem uma importante correlação com a macroestrutura bruta obtida no processo de solidificação unidirecional ascendente. Os lingotes de zinco e alumínio apresentam TCE bastante evidente e as taxas de resfriamentos que ocasionaram essa transição foram da ordem de 0,0035 à 0,0049 ºC/s para o Zn e 0,013 à 0,028 ºC/s para o Al. Das análises dos parâmetros de solidificação e correlação com a macroestrutura, foram determinadas as expressões do tipo: expoentT = cons tan te. TG e o. No forno foi possível fundir e solidificar silício “in-situ”.