金剛線切割硅材料廢液中的硅粉回收方法

張龍飛

摘 要：本文提出一種從金剛線切割硅材料廢液中回收硅粉的方法，采用的是用微孔材料進(jìn)行物理過濾的方法，既能回收硅粉，又能使過濾后的切割液重新循環(huán)利用，環(huán)保而經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞： 切割懸浮液；過濾；硅粉；回收

1 引言

在在太陽能行業(yè)的硅材料加工中，為了提高生產(chǎn)效率并降低成本，今后應(yīng)用金剛線多線切割硅錠或硅片將是最新的發(fā)展趨勢。采用金剛線多線切割工藝，相比碳化硅游離切割工藝，其水溶性的切割液以及更單純的切割廢渣更加環(huán)保。金剛線切割工藝采用以工業(yè)純水為主的混合冷卻液，在切割過程形成硅粉懸浮液，隨著切割的進(jìn)行硅粉含量會逐漸增加，例如在切割硅片時(shí)一刀磨削下來的硅粉可達(dá)總質(zhì)量的40%。過多的游離硅粉會影響到切割液的冷卻、潤滑效果，從而影響加工的質(zhì)量；另外切割液不能再循環(huán)利用，必須更換新液。而廢液的排放不僅給治污帶來壓力，還損失了其中有回收價(jià)值的硅粉?，F(xiàn)研發(fā)一種從切割廢液中回收硅粉的工藝方法，解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 硅粉懸浮液的分析

在實(shí)際的金剛線切割加工中，有兩步工序的加工過程，一是硅錠的開方切割；另一是把開方后的小硅錠切割加工成硅片。這兩種工序中形成的硅粉懸浮液中，液相的成份相似，而固相的硅粉顆粒度大小及分布是有很大差別的，如下表所示：

2 過濾的生產(chǎn)工藝流程

從金剛線開方懸浮液開始工藝試驗(yàn)，采用加壓過濾的方式，分離出懸浮液中的硅粉。具體是從現(xiàn)場的開方機(jī)的廢液罐中抽取切割液，采用加壓過濾設(shè)備，利用微孔過濾技術(shù)，把懸浮在切割液中的硅粉過濾出來，并收集到硅粉收集箱中，而被過濾的澄清液相，則返回到開方機(jī)的廢液罐中重新利用，生產(chǎn)工藝流程如下：

3 設(shè)備的設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)

經(jīng)分析，金剛線開方切割液中被磨削下來的硅粉粒度分布范圍0.5-18um，小于3um占67%，平均直徑3.5um；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明，只有微孔過濾設(shè)備才能有效過濾固相粒度這么小的懸浮液，能夠在濾材表面能形成一定厚度的濾餅且不會造成濾材堵塞。具體方法是采用在過濾機(jī)的工作腔內(nèi)部安裝了很多PE材質(zhì)的微孔過濾管，增加到一定的過濾面積，在一定的壓差下，采用0.5-2um過濾精度的具有三維方向的的PE微孔管，在此工況下，能有效實(shí)現(xiàn)硅粉過濾，去除率固相高達(dá)90%以上，液相則明顯變清。在過濾后期，采用壓縮空氣吹濾餅的方式，使其含水量進(jìn)一步降低。卸渣時(shí)用脈沖空氣反吹，并能使濾材有效再生。采用的PE過濾管耐酸堿腐蝕，密度小且有一定的剛性，耐0.7MPa壓縮空氣反吹而不會破裂，是較為理想的濾材。

該在線過濾設(shè)備單元，采用模塊化設(shè)計(jì)，占地空間小，現(xiàn)場安裝只需連接進(jìn)、出管路、控制氣路、電控電源即可，采用自動控制進(jìn)出料及定時(shí)排渣，采用人機(jī)界面操作，參數(shù)設(shè)定簡單、明了；操作方便、快捷。主機(jī)為一過濾罐體，內(nèi)部吊裝多組管式濾芯，切割廢液由外部用泵打入罐體，固體被攔截貼在濾管外壁，清液則透過濾管被集中引至外部；主機(jī)外形及過濾管可參考下圖1。

硅粉屬于微米級顆粒，根據(jù)表層過濾的原理，即剛開始過濾時(shí)靠濾芯攔截固體顆粒，待濾芯表面形成一定厚度的濾餅后，則此時(shí)濾餅本身作為濾材進(jìn)行過濾。根據(jù)硅粉的顆粒度，選用過濾精度為2微米的過濾管，起始的過濾壓力設(shè)定為0.01MPa，至少保持30分鐘，這樣能保證不會穿濾而堵塞濾芯；然后在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，壓力逐漸增加到0.15MPa，最大不超過0.2 MPa，然后保持就行了。當(dāng)罐內(nèi)的進(jìn)液壓力與出口的清液壓力的差值較接近并且清液的流量明顯變小時(shí)，說明濾芯的外部形成的濾餅到了足夠的厚度了，過濾阻力過大，此時(shí)應(yīng)關(guān)掉排污泵，打開排污口，進(jìn)行逐步泄壓到罐內(nèi)壓力為零；然后向罐內(nèi)通入壓力為0.4 MPa的壓縮空氣進(jìn)行吹掃過濾管外壁的濾餅，吹走其上的水份，至少半小時(shí)；停止吹掃后，等罐體壓力降為零時(shí)，打開過濾罐下部的排渣閥門，從出清液的管口向?yàn)V材內(nèi)管口反向脈動吹壓力為0.6 MPa的壓縮空氣，使得濾芯外壁上的濾餅快速脫落。

3 實(shí)際應(yīng)用及效果

根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝及設(shè)備，在車間現(xiàn)場進(jìn)行了過濾試驗(yàn)。如圖3為設(shè)備的布置：

試驗(yàn)的效果：濾渣已成濾餅，厚度約為5毫米，其含水量經(jīng)測試約為50%；濾后的液相清澈透明，無明顯沉淀物，如圖4所示：

液相的過濾前后情況對比見如圖5圖6。

4 注意問題

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，如果剛開始過濾時(shí)壓力過大，則微孔管濾芯很容易堵塞，造成過濾壓差很大而出液的流量卻很小，這樣時(shí)間長了，反吹時(shí)卸渣時(shí)也很困難；而一旦濾餅粘在濾芯外壁，則用常規(guī)的清水很難去除干凈，會影響下一周期的過濾。此時(shí)必須用化學(xué)清洗的方法，針對物料的特性，必須先用堿浸泡再用清水反沖洗，然后再用酸浸泡再用清水反沖洗，這樣才能去除濾芯內(nèi)外層的固體顆粒，保障濾材的再生，以進(jìn)行下一步的過濾使用。在正常情況下，物理清洗能保證濾材的90%的再生，如壓縮空氣加水反充法等。當(dāng)物理再生方法不好時(shí)，才考慮用化學(xué)方法再生，但要事先做好充分的準(zhǔn)備，以免影響正常生產(chǎn)。

5 結(jié)論

試驗(yàn)證明，用微孔過濾管過濾硅粉的切割廢液是可行的，整個(gè)過濾回收過程無污染，僅消耗小功率的動力及一定量的壓縮空氣，這為將來進(jìn)一步提純回用有價(jià)值的精細(xì)硅粉提供了保障；另外使得多線切割加工生產(chǎn)減少了廢液的排放或運(yùn)輸，降低了排污、治污的成本?？傊@一工藝方法，能回收固液兩相，均被重新利用，節(jié)約資源，環(huán)保高效，利國利民。endprint