[发明专利]一种提高金刚线切割硅泥熔炼制备金属硅收率的方法有效

专利信息
申请号: 202210459233.2 申请日: 2022-04-27
公开(公告)号: CN114772602B 公开(公告)日: 2023-08-15
发明(设计)人: 王东;王志;钱国余;王长治 申请(专利权)人: 中国科学院赣江创新研究院;中国科学院过程工程研究所
主分类号: C01B33/037 分类号: C01B33/037
代理公司: 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人: 边人洲
地址: 341001 江西省赣*** 国省代码: 江西;36
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摘要:
搜索关键词: 一种 提高 金刚 切割 熔炼 制备 金属硅 收率 方法
【说明书】:

本发明涉及一种提高金刚线切割硅泥熔炼制备金属硅收率的方法,所述方法先将金刚线切割硅泥于300~1200℃下进行烘干,将烘干料经筛分得到烘干块料及烘干粉料,烘干粉料经成型造粒得到颗粒料,再将所述烘干块料和/或所述颗粒料与助熔剂混合进行高温熔炼,将得到的硅液充分冷却后得到金属硅;本发明通过将金刚线切割硅泥于特定的高温下进行烘干,可以有效降低原料的活性,增加单质硅的晶型稳定性,使得原料在高温熔炼的过程中主要发生熔融,而极大地减弱氧化反应的进行,因此可以有效提高所得金属硅的收率;同时所述方法可大幅度降低生产成本,易于工业化生产,具有显著的经济和环境效益。

技术领域

本发明属于固体废弃物处理领域,涉及一种提高金刚线切割硅泥熔炼制备金属硅收率的方法。

背景技术

晶体硅是全球光伏行业的核心材料,其产量随着新能源产业规模的扩大呈现急剧增长的态势,近年来,国内平均增长速度高达20%左右,产量占据全球的50%以上。预计到2030年,我国非化石能源比例将达到20%,其中光伏装机量每年保持55~60GW的新增。然而,在晶体硅材料切片过程中会因晶体进入切割液中而造成约35%的损失,据估算,我国每年会从切割液中产出大于30万吨的硅泥,进而造成上百亿元的经济损失。

当前,国内外已经开展了大量的、针对硅泥的资源化利用研究工作。近5年,国内已经先后建立了几十家硅泥资源化利用及制备再生金属硅产业化工程项目,且普遍采用石灰熔炼方法生产金属硅。然而,在金刚线切割晶体硅的过程中,由于钢线在晶体硅表面的反复往复摩擦,对硅泥起到了“机械活化”的作用,降低了硅泥中单质硅的结晶度,因此硅泥中单质硅具有粒度细、表面能大以及反应活性高的特点。上述特性导致在硅泥熔炼过程中,单质硅易氧化、易挥发,且易造成金属硅收率大幅低于理论收率的问题。同时,随着原料价格的持续上涨,越来越多的企业难以负担高昂的制造成本。

针对硅泥熔炼制备金属硅收率低的问题,常规思路是采用真空熔炼的方式来降低熔炼过程的氧气分压,通过减少单质硅的氧化来提高产品收率;或在熔炼过程加入还原剂,将氧化硅还原成单质硅,以此来增加产品收率。上述方法国内已做了一些研究,以下相关专利对如何提高硅泥熔炼制备金属硅的收率进行了报道:

专利ZL201910574762.5公开了一种用真空中频感应炉冶炼高纯工业硅的方法,该方法通过将金刚线切割硅泥原料进行造粒、熔炼、捣料、浇筑等操作得到金属硅。针对金属硅收率低的问题,通过采用高真空度下的中频熔炼来提高产品收率,其真空度要求不大于5Pa;由于采用真空操作,该方案的设备成本和操作成本均高于普通中频炉熔炼,不适宜低成本工业生产。

专利ZL201910398759.2公开了一种基于中频熔炼回收金刚线切割硅泥制备金属硅的方法,该方法通过将金刚线切割硅泥原料进行造粒、烘干、熔炼、浇筑等操作得到高纯硅。在熔炼前通过向炉内加入2~6.7wt%的金属镁,使金属镁在熔炼过程中起到还原剂的作用,以此来增加单质硅的收率;然而,此方法容易导致镁杂质污染产品、熔炼成本增加以及容易造成安全隐患等问题。

专利ZL201610086247.9报道了一种晶体硅金刚石线切割废料浆回收再利用的方法,该方法通过将金刚线切割硅泥原料进行酸洗、水洗、制团、烘干、熔炼等操作得到高纯硅。此方法除了需要在熔炼过程中保持真空度≤1000Pa之外,还需要加入碳粉作为还原剂;但因硅泥熔炼温度远小于矿热炉制备工业硅的温度,因此使用碳粉进行还原的效率较低,除此之外还容易造成所得金属硅产品中碳含量高的问题。

综上,现有技术中通过真空熔炼、还原熔炼等方式来提高硅泥熔炼制备金属硅收率的技术方案大多存在设备投资大、操作费用高、产品易污染的问题。因此,开发更加经济、高效的硅泥熔炼制备金属硅的新方法,对于提高金属硅收率及降低单位产品的生产成本具有重要意义。

发明内容

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