一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法。

背景技术：

目前金刚线切割已成为硅锭切割的主要方式，切割产生的废料硅含量一般在85％以上，具有很高的回收价值。工业上是用硅石和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至1600-1800℃而制得纯度为95％-99％的粗硅，为进一步提高粗硅的纯度，再采用酸浸洗法对粗硅提纯，其工艺过程是：将粗硅粉碎后，依次用盐酸、王水、hf+h2so4混合酸对粉碎的粗硅进行酸处理，最后再用蒸馏水洗至中性，烘干后可得纯度为99.9％的工业硅。这种制硅方法对制取温度要求比较高，能耗比较大，粗硅提纯过程需要进行多次且用不同的酸进行酸洗，酸消耗量比较大，对后期废水的处理造成了一定的困难。

利用金刚线切割废料制备晶体硅的过程是：首先，对切割废料进行酸洗除杂，所得料浆过滤水洗得到粉体。然后，将粉体配入适量的水与粘结剂混匀后用压块机压块成型，再烘干得到干燥块体。最后，进行铸锭，切去两端，剩余的中间部分即为符合要求的晶体硅。该方法对洗涤的废水未进行合理的净化及回收利用,并且在球团脱水过程中容易产生氢气不利于安全生产，同时，对脱除的有机物没有进行很好的处理,容易污染环境，并且冶炼的周期相对较长，耗时耗力，经济效益低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种生产周期短、干湿球掉落强度及抗压强度良好、且安全环保的利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，包括如下步骤：

按质量百分比计，将改性水玻璃5-10wt％，预处理后的晶体硅切割废料50-65wt％,水30-40wt％进行混料，然后压成直径为1-50mm的湿球；

在60-90℃条件下进行低温脱水，至湿球重量不再变化，得到干球；

对干球脱除有机物，并将脱出的有机物分解，分解产物经喷淋塔吸收后排入大气；

将脱除有机物的干球在密闭容器中烧结；

将烧结后的干球在内衬为石墨坩埚且中间设有石墨棒的感应炉中进行熔炼；

将熔炼后的产物扒渣浇注得到合金，并检测合金成分。

进一步地，所述晶体硅切割废料的预处理包括对晶体硅切割废料酸洗除铁，过滤，水洗，干燥，破碎处理过程。

进一步地，所述对晶体硅切割废料的酸洗除铁是用硫酸酸洗除铁，酸洗时间1-3h，温度40-80℃，硫酸浓度1-1.5mol/l，液固比2:1-5:1。

进一步地，所述对晶体硅切割废料水洗后，用活性炭吸附水洗液中有机物，并循环利用净化后的水。

进一步地，所述对晶体硅切割废料破碎处理，是使破碎后的晶体硅切割废料有90％以上的颗粒粒度小于100μm。

进一步地，所述湿球的脱水时间为5-20h。

进一步地，所述干球脱除有机物是在200-400℃条件下脱除有机物，脱除有机物的时间为1-5h。

进一步地，所述脱出的有机物分解是有机物进入焚烧炉中分解。

进一步地，所述干球在密闭容器中烧结的温度为350-950℃，烧结时间为5-15h。

进一步地，所述干球熔炼是在真空或者惰性气体保护下进行熔炼，熔炼温度为1450-1650℃，保温时间0.5-2h。

本发明提供的一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，将烧结后的干球在感应炉中进行熔炼，感应炉的内衬为石墨坩埚且中间设有石墨棒，熔炼时感应炉的炼硅热源来自于石墨坩埚，热量由外向内扩散，炉中央温度较低，通过中间石墨棒加热，热量由内向外扩散，这样石墨坩埚与中间石墨棒相结合的加热方法，提高了加热效果，可以大大缩短熔炼周期。并且，本发明在料球配料中采用了改性水玻璃作粘结剂，由于改性水玻璃具有低粘度的性质，因此使得压制成型的湿球具有良好的掉落强度及抗压强度。又由于在烧结过程中改性水玻璃胶体粒子以si-o-si键结合形成稳定的空间网状结构将颗粒牢固结合在一起，因此使得湿球经过干燥后得到的干球也具有良好的掉落强度及抗压强度。另外，本发明在对湿球进行脱水时，采用低温段脱水，避免或者大幅度减少氢气的产生，便于安全生产。同时，本发明对干球脱出的有机物进行焚烧喷淋塔吸附处理，避免了晶体硅切割所用的水基切削液残留在切割晶体硅废料中的n、p、s等元素，在生产烧结中产生有害气体排到空气中污染空气，减少了对环境的污染，绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例提供的利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法的工艺流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，包括如下步骤：

步骤1：将晶体硅切割废料进行酸洗除杂铁，采用硫酸除铁，酸洗时间1-3h，温度40-80℃，硫酸浓度为1-1.5mol/l，液固比为2:1-5:1，可将晶体硅切割废料中的铁含量降至0.5％以下。然后进行过滤并对滤出的晶体硅切割废料进行水洗，同时用活性炭吸附水洗液中有机物，循环利用水资源，节约了资源。

步骤2：将上述晶体硅切割废料干燥后进行破碎处理，破碎后90％以上颗粒的粒度小于100μm。以质量百分比计，取改性水玻璃5-10wt％，晶体硅切割废料50-65wt％,水30-40wt％,按照此配比进行混料，然后用高压对辊压机将配料压成直径1-50mm的湿球。

步骤3：将湿球在60-90℃条件下进行低温脱水，脱水时间5-20h，直至湿球的重量不再发生变化，得到干球。

步骤4：将干球在200-400℃条件下脱除有机物，脱有机物时间1-5h，脱出的有机物进入焚烧炉焚烧分解，产生的烟气最后经喷淋塔洗脱后排入大气。将n、p、s等元素在烧结中产生有害气体吸收掉，避免其排到空气中污染空气，减少了对环境的污染，绿色环保。

步骤5：将脱完有机物的干球装入密闭盛器，在350-950℃条件下烧结，烧结时间5-15h。

步骤6：将烧结后的硅球装入感应炉，在真空或惰性气体条件下进行冶炼，温度1450-1650℃，保温时间0.5-2h。感应炉的内衬为石墨坩埚，中间石墨棒，可实现双重加热，提高了加热效果，可大大缩短熔炼周期。

步骤7：对熔炼后的产物进行扒渣浇注得到工业硅，并检测其硅含量。

下面通过具体实施例对本发明提供的一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法做具体说明。

实施例1

一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，包括如下步骤：

(1)将晶体硅切割废料进行酸洗除杂铁，采用硫酸除铁，时间1h，温度80℃酸浓度1.5mol/l，液固比2:1，然后进行过滤水洗，经检测铁含量为0.36％。

(2)将上述晶体硅切割废料进行破碎处理，破碎后90％以上颗粒的粒度小于100μm。改性水玻璃用量1公斤，晶体硅切割废料5公斤，水4公斤，按照此配比进行混料，用高压对辊压机压成直径25mm的球。

(3)在70℃条件下进行低温脱水，脱水时间12h，直至湿球的重量不再发生变化。

(4)在300℃条件下脱除有机物，脱有机物时间1h，脱出的有机物进入焚烧炉分解，烟气最后经喷淋塔洗脱后排入大气。

(5)将脱完有机物的球装入密闭盛器。在500℃条件下烧结，烧结时间9h。

(6)将成型后的硅球装入感应炉，在真空条件下进行冶炼，温度1450℃，保温时间2h。

(7)进行扒渣浇注得到工业硅，检测硅含量为98.54％，杂质总和<2％，符合二级硅国家标准。

实施例2

一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，包括如下步骤：

(1)将晶体硅切割废料进行酸洗除杂铁，采用硫酸除铁，时间1.5h，温度70℃酸浓度1mol/l，液固比3:1，然后进行过滤水洗，经检测铁含量为0.31％。

(2)将上述晶体硅切割废料进行破碎处理，破碎后90％以上颗粒的粒度小于100μm。改性水玻璃用量0.8公斤，晶体硅切割废料5.2公斤，水4公斤，按照此配比进行混料，用高压对辊压机压成直径20mm的球。

(3)在70℃条件下进行低温脱水，脱水时间12h，直至湿球的重量不再发生变化。

(4)在250℃条件下脱除有机物，脱有机物时间1.5h，脱出的有机物进入焚烧炉分解，烟气最后经喷淋塔洗脱后排入大气。

(5)将脱完有机物的球装入密闭盛器。在450℃条件下烧结，烧结时间7h。

(6)将成型后的硅球装入感应炉，在真空条件下进行冶炼，温度1500℃，保温时间1.5h。

(7)进行扒渣浇注得到工业硅，检测硅含量为98.11％，杂质总和<2％，符合二级硅国家标准。

实施例3

一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，包括如下步骤：

(1)将晶体硅切割废料进行酸洗除杂铁，采用硫酸除铁，时间1.5h，温度60℃酸浓度1mol/l，液固比5:1，然后进行过滤水洗，经检测铁含量为0.16％。

(2)将上述晶体硅切割废料进行破碎处理，破碎后90％以上颗粒的粒度小于100μm。改性水玻璃用量0.6公斤，晶体硅切割废料5.6公斤，水3.8公斤，按照此配比进行混料，用高压对辊压机压成直径2mm的粒。

(3)在80℃条件下进行低温脱水，脱水时间10h，直至湿球的重量不再发生变化。

(4)在350℃条件下脱除有机物，脱有机物时间0.5h，脱出的有机物进入焚烧炉分解，烟气最后经喷淋塔洗脱后排入大气。

(5)将脱完有机物的球装入密闭盛器。在500℃条件下烧结，烧结时间7h。

(6)将成型后的硅球装入感应炉，在真空条件下进行冶炼，温度1550℃，保温时间1h。

(7)进行扒渣浇注得到工业硅，检测硅含量为99.08，杂质总和<1％，符合一级硅国家标准％。

实施例4

一种利用金刚线切割晶体硅废料制备工业用硅的方法，包括如下步骤：

(1)将晶体硅切割废料进行酸洗除杂铁，采用硫酸除铁，时间12h，温度70℃酸浓度1.5mol/l，液固比4:1，然后进行过滤水洗，经检测铁含量为0.27％。

(2)将上述晶体硅切割废料进行破碎处理，破碎后90％以上颗粒的粒度小于100μm。改性水玻璃用量0.8公斤，晶体硅切割废料5.4公斤，水3.8公斤，按照此配比进行混料，用高压对辊压机压成直径40mm的球。

(3)在70℃条件下进行低温脱水，脱水时间8h，直至湿球的重量不再发生变化。

(4)在350℃条件下脱除有机物，脱有机物时间0.5h，脱出的有机物进入焚烧炉分解，烟气最后经喷淋塔洗脱后排入大气。

(5)将脱完有机物的球装入密闭盛器。在600℃条件下烧结，烧结时间5h。

(6)将成型后的硅球装入感应炉，在氩气气氛保护下下进行冶炼，温度1550℃，保温时间2h。

(7)进行扒渣浇注得到工业硅，检测硅含量为98.32％，杂质总和<2％，符合二级硅国家标准。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。