一种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于硅材料制备领域，特别涉及一种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法。
【背景技术】
[0002]全球的石油和煤炭等化学能源日益紧张，环境问题日加突出，太阳能因取之不尽、用之不竭、清洁安全等优势而成为人类解决能源危机、环境污染和全球变暖的首选新能源，随着世界各国政府的鼓励政策，太阳能产业进入了高速发展时期。目前太阳能电池主要是以晶体硅为主要材料，太阳能产业的高速发展使得晶体硅的需求量迅速增加。
[0003]制造太阳能电池的过程是，将太阳能级的晶体硅进行铸锭后开方切片，或者是将太阳能级晶体硅拉成单晶硅然后切片，然后将晶体硅片制备成太阳能电池。晶体硅的切割分为两种方法:一种是采用碳化硅微粉作为刃料、聚乙二醇液体为分散和冷却介质，用钢丝带动碳化硅砂浆将晶体硅切磨成硅片;一种是将金刚石电镀或者树脂粘结到钢丝上制成金刚石线，然后用金刚石线将晶体硅切割成晶体硅片。无论是用那种方法切割，都会有高达约50%左右的晶体硅被切磨成超细硅粉进入到切割废料浆中损失掉了。随着晶体硅片的需求量的增加，由此产生的切割废料浆也将逐年显著增长。如能将切割废料浆中的晶体硅粉进行回收，并用于制备工业硅、高纯硅和太阳能级晶体硅，不仅显著地降低了环境污染、而且也促进了资源的再利用，此外，还间接地大幅度降低了太阳能的电池成本，这对促进太阳能产业的发展起到了积极作用。
[0004]关于用碳化硅砂浆切割晶体硅产生的废料的回收和利用方面，相关专利为:一种用晶体硅切割废料电热冶金制备太阳能多晶硅的方法，授权号为CN103086378A; —种晶体硅切割废料氮化反应烧结碳化硅的工艺，授权号为CN102275925A;由单晶硅和多晶硅切割废料中回收硅和碳化硅的方法，授权号为CN101941699A; —种从单/多晶硅切割料浆中回收太阳能级多晶硅的方法，授权号为CN101671022B。
[0005]本文就是针对第二种晶体硅切割方法，即用金刚石线切割晶体硅产生的废料浆的回收和利用方面提出的专利申请。晶体硅金刚石线切割废料浆中硅粉含量高，杂质含量低。如能将废料浆中的高纯硅粉进行回收和并用于制备工业硅、高纯硅和太阳能级晶体硅，这不仅大幅度减少了环境污染，而且变废为宝，这对促进太阳能产业的发展起到积极的推动作用。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法。用晶体硅金刚石线切割废料浆制备不同纯度的硅产品。硅产品按照纯度分为工业硅(硅含量为97.0wt %?99.9wt%)、高纯硅(硅含量为99.9wt %?99.999wt % )和太阳能级晶体硅(硅含量I 99.9999wt % ) ο在本发明主要是通过固液分离、净化除杂、压制球团、高温熔炼和定向凝固得到合格的不同纯度的硅产品，实现金刚石线切割废料浆的高效回收和再利用。
[0007]一种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法，包括以下步骤:
[0008]步骤I，将晶体硅金刚石线切割废料浆进行固液分离，得到固体物料；
[0009]步骤2，按重量比，酸液:固体物料=(5?20):1，将固体物料进行酸洗，得到净化物料;其中，酸液为盐酸或/和硫酸，酸液的重量浓度为5?30wt% ；
[0010]步骤3，将净化物料水洗至PH值为6?7后，再进行固液分离得到水洗物料;其中，水洗物料的含水率< 30wt% ;
[0011 ] 步骤4，按重量比，水洗物料:高纯碳粉:粘结剂= 1:(0?20%):(0.5?2.5%)，进行配料，混合均匀后，压制成团块;其中，压制方法采用常规压制或真空压制方法，压制压力为0.2?500MPa;
[0012]步骤5，将团块烘干，烘干后的团块含水率<5wt % ;其中，烘干温度为50?200°C，烘干时间为2?12h;
[0013]步骤6，将烘干后的团块，在高于1430°C的条件下，进行熔炼，制成工业硅块或高纯娃块；
[0014]步骤7，在真空度< lOOOPa、温度>1450°C、冷却速率< 200mm/min条件下，将工业硅块或高纯硅块进行定向凝固，出炉冷却后将硅锭底部和顶部杂质切除，得到高纯硅或太阳能级晶体娃。
[0015]所述的步骤I中，晶体硅是指制备太阳能电池用的太阳能级多晶硅和单晶硅;切割废料浆是指用金刚石线切割晶体硅产生的废料浆；晶体硅金刚石线切割废料浆成分，按质量百分含量为:水料为5?20wt %，固体物料为80?95wt % ;其中，水料为水和分散剂，固体物料成分按质量百分含量为:硅为86?99wt%，二氧化硅为O?10wt%，Fe为I?3wt%，游离碳为O?lwt% ；
[0016]所述的步骤I中，固液分离采用重力沉降或板框压滤的方式，其中，重力沉降的时间为4?I Oh，板框压滤的进料压力为0.5?I.5MPa ；
[0017]所述的步骤2中，酸洗采用常规酸洗或者超声酸洗，除去固体物料中的铁和氧化铁杂质，常规酸洗的时间为2?6h ；超声酸洗的条件为:频率45?200kHz，酸洗时间为0.5?4h ；
[0018]所述的步骤2中，酸液为盐酸和硫酸时，按质量比，盐酸:硫酸=(I?2): (I?3);
[0019]所述的步骤3中，固液分离的方式为真空抽滤或加压过滤，其中，真空抽滤的真空度为0.01?0.05MPa ；加压过滤的压力为0.3?IMPa ；
[0020]所述的步骤4中，碳粉的纯度?99%，粒度为20μπι?50μπι;团块的形状:长轴为30?80mm、短轴为10?20mm椭圆形;粘结剂为水和/或纤维素，粘结剂为水和纤维素时，按质量比，水:纤维素=(I?2): (I?2);
[0021]所述的步骤6中，采用真空感应炉、常压感应炉、电弧炉或电阻炉进行熔炼，其中，采用真空感应炉时，熔炼真空度为0.1?1Pa，熔炼温度为1450°C?1600°C，保温时间为0.5?2h;采用常压感应炉时，熔炼温度为1430°C?2000°C，保温时间为I?3h;采用电弧炉时，熔炼温度为1600°C?3000°C，保温时间为I?3h;采用电阻炉时，熔炼温度为1500°C?2500°C，保温时间为2?5h;
[0022]所述的步骤6中加入的高纯碳粉发生如下反应:
[0023]Si02+2C = Si+2C0T
[0024]所述的步骤6中，工业硅块中硅含量为97.0?99.9wt%，高纯硅块中硅含量为99.9~99.999wt% ;
[0025]所述的步骤7中，高纯硅中硅含量为99.9?99.999wt%，太阳能级晶体硅中硅含量> 99.9999wt% ο
[0026]本发明的一种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法的特点和有益效果是:
[0027]本发明针对用金刚石线切割晶体硅产生的废料浆，通过采用固液分离、净化除杂、压制球团、高温熔炼和定向凝固即可得到工业硅、高纯硅或者太阳能级晶体硅。这就将晶体硅金刚石线切割废料浆中的高纯硅粉进行有效回收利用，减少了环境污染，实现了变废为宝，降低了晶体硅生产成本。该方法具有流程短、能耗低、污染小、回收率高、简单易行等优点，并且易于实现工业化生产。
【附图说明】
[0028]图1是本发明实施例的晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0029]本发明实施例的晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法的工艺流程图如图1所示。
[0030]实施例1
[0031]本实施例中，晶体硅金刚石线切割废料浆成分，按质量百分含量为:水料为5wt%，固体物料为95wt% ;其中，水料成分按质量比为水:分散剂=1:1，固体物料成分按质量百分含量为:娃为86wt%，二氧化娃为10wt%，Fe为3wt%，游离碳为lwt%。
[0032]—种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法，包括以下步骤:
[0033]步骤I，将晶体硅金刚石线切割废料浆进行固液分离，得到固体物料；固液分离采用重力沉降的方式，其中重力沉降的时间为4h;
[0034]步骤2，按重量比，酸液:固体物料=20:1，将固体物料进行酸洗，得到净化物料;酸洗采用超声酸洗，所用的酸为重量浓度为5wt %的硫酸，超声酸洗的条件为:频率45kHz，酸洗时间为4h;
[0035]步骤3，将净化物料水洗至PH值为6后，再进行固液分离得到水洗物料;其中，水洗物料的含水率< 30wt% ;其中，固液分离的方式为真空抽滤，真空抽滤的真空度为0.0lMPa，时间为2h;
[0036]步骤4，按重量比，水洗物料:高纯碳粉:粘结剂=1:10%:2.5%，进行配料，混合均匀后，压制成长轴为30mm，短轴为1mm的椭圆形团块;其中，高纯碳粉的纯度之99%，粒度为20μπι;粘结剂为水;压制方法采用常规压制，压制压力为500MPa;
[0037]步骤5，将团块烘干，烘干后的团块含水率<5wt% ;其中，烘干温度为50°C，烘干时间为12h;
[0038]步骤6，将烘干后的团块，采用真空感应炉，在真空度为1Pa下，熔炼温度为1600°C，保温0.5h，进行熔炼，制成硅含量为97.0wt %的工业硅块；
[0039]步骤7，在真空度为lOOOPa、温度为1500°C、冷却速率为200mm/min条件下，将工业硅块进行定向凝固，出炉冷却后将硅锭底部和顶部杂质切除，得到硅含量为