本发明属于硅材料提纯处理技术领域，具体涉及一种金属硅的制备方法。
背景技术：
太阳能光伏发电用的硅片通常采用线切割的方式由硅块切割成片，而金刚线切割硅片技术作为目前世界上最先进最新颖的技术，具有切割速度快、切割质量高、切片成品率高、切片消耗低等优点，因而目前逐渐开始在光伏硅片切割中得到应用。但是硅块通过金刚线切割成片后会产生细小的硅屑，据统计，每切割一吨硅块会有约35～45%的硅屑产生，切割产生的硅屑富集在沉淀池中形成硅粉废弃物。该硅粉废弃物主要组分含有60～75%的硅、5～10%的二氧化硅、15～25%的铁、15～30%的铜、镍、镁、铝、钙等多种金属及其氧化物，其存在对土壤、水资源、空气等环境造成危害，另外该硅粉废弃物中富含的硅粉具有较高的附加值。金属硅通常指纯度大于99%的硅，它作为一种工业原料广泛应用于耐火材料、粉末冶金、有机硅化工、单晶硅仔料、工业还原剂等领域，具有较高的应用价值和应用领域。如果将金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物进行处理制备成金属硅，则既能避免环境污染，又创造了价值，从而实现资源综合利用。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明提供一种从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中提纯硅粉制备金属硅的方法。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
设计一种金属硅的制备方法，包括下列步骤：
（1）将硅粉废弃物与水按1:（10～15）的重量比混合并搅拌均匀；
（2）加入酸并搅拌反应36～48小时，将所得料浆在斜管中进行沉降浓缩10～20小时，至斜管底部料浆的固含量为50～70wt%；
（3）去除斜管上部的清液，并将斜管底部浓缩料浆进行离心脱水处理，同时通入水对料浆进行洗涤，洗涤至pH值为5～7，并使最终物料水分含量为5～15wt%；
（4）将所得物料进行造粒，同时加入添加剂，造粒粒径为1～5cm；
（5）将步骤（4）所得颗粒在温度为50～70℃、真空度为0.01～0.02MPa条件下干燥12～24小时，使其水分含量不大于0.04wt%；
（6）将步骤（5）所得颗粒进行冶炼，冶炼温度控制在2600～3000K；冶炼选用炭黑、烟煤、石油焦中的至少一种作为还原剂，优选炭黑、烟煤、石油焦以重量比1：（1～2）：（0.1～0.5）的混合物，其添加量为待冶炼颗粒重量的1～10%；
（7）将冶炼后所得硅块进行破碎，并进行粒度筛分，使其破碎筛分至各工业领域所需粒度范围。
在上述技术方案中，步骤（2）加入酸并搅拌可使硅粉废弃物中的铁和铜、镍、镁、铝、钙等多种金属及其氧化物与加入的酸反应，并使硅粉废弃物中的金属及金属氧化物杂质溶于水中。步骤（2）将反应后的料浆先进行沉降浓缩处理，再经步骤（3）离心脱水将溶于水中的金属及金属氧化物杂质除去，先沉降浓缩再进行脱水可减少离心脱水的时间和降低离心脱水的能耗。步骤（3）离心脱水的同时进行洗涤可将酸洗反应后溶于水中的金属及金属氧化物充分除去，同时对硅粉的pH值进行调节。步骤（4）将步骤（3）所得硅粉进行造粒，避免粒度细小的硅屑对熔炼造成影响。步骤（5）真空干燥可避免干燥时硅与空气接触发生氧化反应。步骤（6）通过冶炼，使硅发生还原反应，进而进一步提高硅的纯度，使其纯度大于99.5%，满足金属硅的纯度要求，12000KVA功率的冶炼炉以及超高功率石墨电极的使用可以进一步降低硅冶炼的能耗，而埋弧和直流电加热的使用可以对冶炼的安全性和稳定性提供保障。步骤（7）对冶炼的硅块进行破碎和筛分处理，使其粒度满足金属硅工业应用领域粒度需求。
优选的，步骤（1）及步骤（3）所述水为去离子水，其电导率为0.1～0.5μs/cm。
优选地，步骤（1）在酸洗釜中进行，其材质为316L不锈钢。
优选的，步骤（2）所述酸为35～37%盐酸、95～98%硫酸和95～98%硝酸中的至少一种，其添加量为所述硅粉废弃物重量的5～10%，更优选为盐酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例为重量比1：（1～5）：（1～3）。
优选的，步骤（3）中所述离心转速为4000～5000转/分，所述洗涤的次数为5～10次，所述通入水的流速为0.5～1米/秒。
优选的，步骤（4）中所述添加剂为丙酮、乙醇、炭黑、乙醛中的一种，其添加量为造粒物料重量的0.01～0.1%。
优选的，步骤（6）中所述冶炼中所用的冶炼炉功率为12000KVA；更优选的，冶炼炉电极选用超高功率石墨电极，其电阻率为1.5～3μΩ·m；所述冶炼在埋弧下进行；所述冶炼采用直流电加热。
本发明的积极有益效果在于：
本发明提供了从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅的方法，避免硅粉废弃物对土壤、水资源、空气等环境造成危害，并能实现硅粉废弃物的资源综合利用；该方法操作性强，应用价值高，非常适用于工业化推广。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
按照下列步骤从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅：
（1）将硅粉废弃物在酸洗釜（316L不锈钢）中与电导率为0.2μs/cm的去离子水按1:12的重量比混合并搅拌均匀；
（2）向步骤（1）的酸洗釜中加入质量浓度为36%的盐酸，其添加量为所用硅粉废弃物重量的8%，并搅拌反应40小时；将所得料浆在斜管中进行沉降浓缩15小时，浓缩至斜管底部料浆的固含量为60wt%；
（3）去除沉降浓缩后斜管上部的清液，并将斜管底部浓缩料浆通入转速为4500转/分的离心机中进行离心脱水处理，同时向离心机中通入流速为0.6米/秒、电导率为0.2μs/cm的去离子水对离心机内料浆洗涤6次，洗涤后pH值介于5～7之间，离心脱水所得物料水分含量为10%；
（4）将步骤（3）所得物料在造粒机中造粒，造粒时加入添加剂丙酮，其添加量为造粒重量的0.5%，造粒颗粒粒度为1～5cm；
（5）将步骤（4）所得颗粒在干燥温度为60℃、真空度为0.015MPa条件下的真空干燥机中干燥15小时，使其水分重量百分含量≤0.04%；
（6）将步骤（5）真空干燥后的颗粒在功率为12000KVA冶炼炉中进行直流电加热埋弧冶炼，冶炼炉的电极为电阻率为1.5～3μΩ·m的超高功率石墨电极，冶炼温度控制在2600～3000K，冶炼选用炭黑作为还原剂，其添加量为待冶炼硅颗粒重量的5%；
（7）将冶炼后所得硅块在辊式破碎机中进行破碎并在振动筛中进行粒度筛分，使其破碎筛分至各工业领域所需粒度范围。
实施例2：
按与实施例1相同的方法从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅，不同之处在于，步骤（1）去离子水电导率为0.5μs/cm，硅粉废弃物与去离子水混合的重量比为1:15；步骤（2）加入的为质量浓度为97%的硫酸，其添加量为硅粉废弃物重量的10%并搅拌反应48小时；步骤（3）沉降浓缩时间为20小时，底部浆液的固含量为70%；步骤（4）离心机转速为5000转/分，通入去离子水的电导率为0.5μs/cm，其流速为1米/秒；步骤（5）造粒时加入的添加剂为乙醇，添加量为造粒重量的0.1%；步骤（6）的干燥温度为70℃、真空度为0.02MPa条件下、真空干燥机时间24小时；步骤（7）冶炼选用烟煤作为还原剂，其添加量为待冶炼硅颗粒重量的10%。
实施例3：
按与实施例1相同的方法从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅，不同之处在于，步骤（1）去离子水电导率为0.1μs/cm，硅粉废弃物与去离子水混合的重量比为1:10；步骤（2）加入的为重量分数97%的硝酸并搅拌反应36小时，沉降浓缩时间为10小时，底部料浆的固含量为50%；步骤（3）离心机转速为4000转/分，通入去离子水的电导率为0.1μs/cm，其流速为0.5米/秒；步骤（4）造粒时加入的添加剂为炭黑，添加量为造粒重量的0.01%；步骤（5）的干燥温度为50℃、真空度为0.01MPa条件下、真空干燥机时间12小时；步骤（6）冶炼选用石油焦作为还原剂，其添加量为待冶炼硅颗粒重量的1%。
实施例4：
按与实施例1相同的方法从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅，不同之处在于，步骤（2）加入的为盐酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例为重量比1：3：2，其添加量为硅粉废弃物重量的9%；步骤（4）造粒时加入的添加剂为乙醛，其添加量为造粒重量的0.06%。步骤（6）加入的还原剂也为炭黑、烟煤、石油焦三者的混合物，其混合比例为炭黑：烟煤：石油焦为1：1.5：0.2，其添加量为待冶炼硅颗粒重量的5%。
实施例5：
按与实施例4相同的方法从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅，不同之处在于，步骤（2）加入的为盐酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例为重量比1：5：3，其添加量为硅粉废弃物重量的7%；步骤（4）造粒时加入的添加剂为丙酮，其添加量为造粒重量的0.03%。步骤（6）加入的还原剂也为炭黑、烟煤、石油焦三者的混合物，其混合比例为炭黑：烟煤：石油焦为1：2：0.1，其添加量为待冶炼硅颗粒重量的7%。
实施例6：
按与实施例4相同的方法从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅，不同之处在于，步骤（2）加入的为盐酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例为重量比1：2：2，其添加量为硅粉废弃物重量的8%；步骤（4）造粒时加入的添加剂为乙醇，其添加量为造粒重量的0.07%。步骤（6）加入的还原剂也为炭黑、烟煤、石油焦三者的混合物，其混合比例为炭黑：烟煤：石油焦为1：1：0.3，其添加量为待冶炼硅颗粒重量的5%。
经过本发明实施例1～6方法从金刚线切割硅片产生的硅粉废弃物中制备金属硅，所得金属硅的纯度大于99.5%，满足金属硅对硅纯度的使用要求，满足金属硅的纯度要求，实现硅粉废弃物的资源综合利用，避免污染环境。真空干燥可避免干燥时硅与空气接触发生氧化反应。离心脱水的同时进行洗涤可将酸洗反应后溶于水中的金属及金属氧化物充分除去，同时对硅粉的pH值进行调节。冶炼后对硅块进行破碎和筛分处理，使其满足金属硅工业应用领域对不用粒度的需求，非常适用于工业化应用。
另外，先沉降浓缩再进行离心脱水可降低离心机的能耗，大功率的冶炼炉以及超高功率石墨电极的使用可以进一步降低硅冶炼的能耗，从而降低生产成本，而埋弧和直流电加热的使用可以对冶炼的安全性和稳定性提供保障。
以上实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。