切割刃料碳化硅的再生處理工藝研究

李森，王杰，張賽

（1.開封萬盛新材料有限公司，河南開封475000；2.河南新大新材料股份有限公司，河南開封475000）

太陽能晶硅片切割砂漿在硅片切割過程中，隨著切割進(jìn)程的進(jìn)行，切割砂漿的使用性能會逐漸下降，導(dǎo)致切割效率逐漸降低直至無法繼續(xù)使用，造成大量切割廢砂漿的產(chǎn)生[1]。該廢砂漿已經(jīng)成為一種工業(yè)危險(xiǎn)廢棄物，需要進(jìn)行特殊的無害化處理，避免對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

在廢砂漿中切割刃料碳化硅是其中的主要組成部分，成分占到廢砂漿質(zhì)量的65%～75%，切割刃料碳化硅呈六方晶體形狀，硬度高、切削能力較強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性能好[2]。碳化硅的莫氏硬度為9.2，其硬度高于剛玉而僅次于金剛石、立方氮化硼和碳化硼，廣泛應(yīng)用于晶硅片切割領(lǐng)域。經(jīng)過硅片切割后，碳化硅中引入了硅粉以及切割鋼線磨損引入的鐵屑等雜質(zhì)，而切割刃料碳化硅本身在切割過程中并沒有遭到本質(zhì)的損壞，僅僅是經(jīng)過切割磨損，部分碳化硅粉體顆粒的粒度發(fā)生了一定程度的變化。因此如果能夠采用一定方法，將晶硅片切割砂漿中的切割刃料碳化硅進(jìn)行再生處理，去除碳化硅中的硅粉及鐵屑等雜質(zhì)，并將其粒度重新分級，則回收處理后的碳化硅可以重新應(yīng)用到晶硅片切割行業(yè)中使用[3]。這樣既處理了工業(yè)危險(xiǎn)廢棄廢砂漿，避免其危害生態(tài)環(huán)境，又變廢為寶，將其資源化處理且回收得到的切割刃料碳化硅，可以重新應(yīng)用于硅片切割，并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動了資源再利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 碳化硅的再生工藝

廢砂漿中碳化硅的再生處理工藝采用化學(xué)反應(yīng)除雜處理以及水力沉降粒度分級的方法進(jìn)行[4，5]。其回收工藝主要包括，將廢砂漿固液分離得到的砂餅先進(jìn)行加酸化學(xué)處理，除去碳化硅中的鐵及其氧化物，包括其他金屬等雜質(zhì)，然后再向其中進(jìn)行加堿化學(xué)處理，除去碳化硅中的硅及其氧化物雜質(zhì)。經(jīng)過以上化學(xué)處理，碳化硅中的雜質(zhì)基本得到去除。再將其在虹吸缸中進(jìn)行水力沉降，依據(jù)不同粒度的碳化硅沉降速度的不同，使得不同粒度的碳化硅通過沉降分層而分級。分級過的碳化硅純度及粒度均得到有效的處理，再依據(jù)切割需要，進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)至碳化硅呈中性。然后將碳化硅進(jìn)行脫水并干燥，脫去碳化硅中的水分，從而得到碳化硅粉體。將得到的碳化硅粉體根據(jù)市場需要進(jìn)行配料，得到碳化硅成品，從而形成不同規(guī)格的產(chǎn)品，滿足市場對產(chǎn)品不同型號的需求。其主要工藝流程如圖1所示。

1.1 酸洗

檢測料餅中的鐵及其氧化物等金屬雜質(zhì)的含量，并根據(jù)檢測結(jié)果向碳化硅料餅的料漿中添加一定量的硫酸，通過硫酸與金屬雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將該雜質(zhì)除去，使得碳化硅料餅得以提純。反應(yīng)式：

硫酸添加量要保證能夠完全除去碳化硅料餅中的鐵及其氧化物等金屬雜質(zhì)。酸洗過程應(yīng)注意攪拌，使得碳化硅料漿與加入的硫酸能夠充分接觸，從而保證酸洗除雜的效率。

1.2 堿洗

將酸洗除雜后的碳化硅料漿再依據(jù)料餅檢測出的硅及其氧化物的含量，加入一定量的氫氧化鈉，通過氫氧化鈉與硅及其氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將該雜質(zhì)除去，從而達(dá)到對碳化硅提純的目的。反應(yīng)式：

氫氧化鈉的添加量要保證碳化硅中的硅及其氧化物能夠完全反應(yīng)除去，加堿采用分次投加的方式進(jìn)行，以避免反應(yīng)劇烈產(chǎn)生大量的熱量對生產(chǎn)安全性造成影響。加堿后對碳化硅料漿進(jìn)行攪拌，保證反應(yīng)的充分進(jìn)行。

1.3 水力分級

酸洗及堿洗除雜后的碳化硅通入虹吸缸中，在水力作用下，使提純后的碳化硅充分分散開并進(jìn)行沉降，在不同的時間段，將沉降分層后的碳化硅取出，使得碳化硅通過水力沉降得到分級。

1.4 pH值調(diào)節(jié)

根據(jù)水力分級后碳化硅的pH值檢測情況，向分級后的碳化硅中加入一定量鹽酸、硝酸等添加劑，將pH值調(diào)節(jié)至中性，使其滿足太陽能晶硅片切割使用的要求。

1.5 干燥

將pH值調(diào)節(jié)好的碳化硅料漿通過離心、壓濾或斜管沉降等方式進(jìn)行濃縮，濃縮后的碳化硅在盤式干燥機(jī)中通過蒸汽加熱的方式，進(jìn)行充分的干燥，最終得到碳化硅粉體。

1.6 配料

根據(jù)市場需求，對干燥后的碳化硅粉體進(jìn)行配料，形成不同型號的碳化硅產(chǎn)品，滿足太陽能晶硅片切割的使用需求。

太陽能晶硅片切割廢砂漿通過以上碳化硅再生處理過程后，砂漿中的碳化硅得到回收利用，各項(xiàng)理化指標(biāo)均達(dá)到使用要求，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 切割刃料碳化硅回收處理后性能指標(biāo)

2 影響因素

廢砂漿中碳化硅的品質(zhì)包括廢砂漿中碳化硅含量的多少和顆粒的形貌，將直接影響再生處理后的碳化硅的品質(zhì)，尤其是產(chǎn)品的產(chǎn)出率和顆粒的切割效率。

碳化硅再生過程中，由廢砂漿引入的殘存有機(jī)物聚乙二醇的存在，對碳化硅的水力沉降分級造成一定的影響。它使得碳化硅顆粒易于團(tuán)聚造成顆粒分散性變差，進(jìn)而影響顆粒的沉降性和粒度分級[6]。這就要求廢砂漿固液分離更徹底，減少碳化硅料餅中的有機(jī)物含量，從而將其影響降到最低。

3 結(jié)論

采用化學(xué)反應(yīng)除雜和水力沉降粒度重新分級的方法，對廢砂漿中的碳化硅進(jìn)行再生處理，保證再生處理的碳化硅純度和粒度等指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

經(jīng)過本處理工藝，切割刃料碳化硅得到再生處理，并且得到的產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，可作為再生切割刃料應(yīng)用于硅片切割行業(yè)，完全滿足工業(yè)使用要求。

工業(yè)危險(xiǎn)廢棄物廢砂漿得到資源化利用，避免其污染環(huán)境，又將其變廢為寶，達(dá)到資源再生和循環(huán)利用的目的，實(shí)現(xiàn)了社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)統(tǒng)一和協(xié)調(diào)發(fā)展。

[1]邢鵬飛，郭菁，劉燕，等.單晶硅和多晶硅切割廢料漿的回收[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2010，9(2)：148-153.

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[3]張捷平.碳化硅微粉回收的方法：中國，CNl01033066A[P].2007-09-12．

[4]許芳芳，胡仰棟，伍聯(lián)營.水力溢流分級機(jī)內(nèi)碳化硅微粉體積分率時空分布的模擬[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2011(5)：557-561.

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