Title

DESENVOLVIMENTO DE UMA METODOLOGIA EXPERIMENTAL DE SOLIDIFICAÇÃO UNIDIRECIONAL ASCENDENTE PARA OBTEÇÃO DE LINGOTES COM ESTRUTURA COLUNAR GROSSEIRA EM METAIS PUROS E SILÍCIO POLICRISTALINO

DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL METHODOLOGY OF UNIDIRECTIONAL UPWARD SOLIDIFICATION TO OBTAIN INGOTS WITH LARGE COLUMNAR GRAIN SIZE OF PURE METALS AND POLYCRYSTALLINE SILICON

Authorship

Webber, Cleison Luis; Beskow, Arthur Bortolin; Dedavid, Berenice Anina; Costa, Eleani Maria da; Santos, Carlos Alexandre dos

Webber, Cleison Luis

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Beskow, Arthur Bortolin

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Dedavid, Berenice Anina

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Costa, Eleani Maria da

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Santos, Carlos Alexandre dos

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DOI

10.5151/2594-5300-0044

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Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia experimental para obter lingotes policristalinos de metais puros com grãos grosseiros utilizando um sistema consistindo de um forno vertical e um molde refrigerado possibilitando solidificação in-situ. Inicialmente a metodologia foi aplicada aos metais puros zinco e alumínio, sendo posteriormente aplicada ao silício grau solar. Para os experimentos, foram desenvolvidos um forno resistivo (1.650oC) e um molde metálico com 50 mm de diâmetro e 180 mm de altura refrigerado a ar. Termopares tipo K (1,5 mm de diâmetro) localizados a diferentes posições ao longo da altura do lingote foram empregados para obtenção das curvas de resfriamento durante a solidificação de zinco e alumínio. Os lingotes foram seccionados paralela e perpendicularmente à direção de crescimento e as amostras foram analisadas por técnicas metalográficas. As curvas de resfriamento foram usadas para determinação dos parâmetros de solidificação como velocidade, gradientes térmicos e taxas de resfriamento. Correlações entre os parâmetros de solidificação e as características da macroestrutura, como transição colunar-equiaxial e tamanho médio de grãos, foram realizadas.

This work presents the development of an experimental methodology to obtain ingots of polycrystalline pure metals with large columnar grains using a system consisting on a vertical furnace and an “in situ” upward solidification cooled mold. First, this methodology was applied to zinc and aluminum pure metals, and after that, it will be applied to polycrystalline silicon solar grade. For Zn and Al experiments, it was developed a resistive furnace (1.650oC) and a mold with 50 mm diameter and 180 mm width and cooled by a controlled air flux. Type K thermocouples (1.5 mm diameter) located at different positions along the width ingot were used to obtain thermal profiles during solidification. The ingots were cut parallel and perpendicular to the growth direction and the samples were analyzed by metallographic techniques. The thermal profiles were used to determining the solidification parameters, such as growth rate, thermal gradient and cooling rate. Relationship between solidification parameters and as-cast structure characteristics, such as columnar-equiaxed transition and average grain size were performed.

Keywords

Solidificação unidirecional; Estrutura colunar grosseira; Silício.

Unidirectional solidification; Large colunar grain size; Silicon.