本發明屬于硅材料提純處理技術領域，具體涉及一種金屬硅的制備方法。
背景技術：
太陽能光伏發電用的硅片通常采用線切割的方式由硅塊切割成片，而金剛線切割硅片技術作為目前世界上最先進最新穎的技術，具有切割速度快、切割質量高、切片成品率高、切片消耗低等優點，因而目前逐漸開始在光伏硅片切割中得到應用。但是硅塊通過金剛線切割成片后會產生細小的硅屑，據統計，每切割一噸硅塊會有約35～45%的硅屑產生，切割產生的硅屑富集在沉淀池中形成硅粉廢棄物。該硅粉廢棄物主要組分含有60～75%的硅、5～10%的二氧化硅、15～25%的鐵、15～30%的銅、鎳、鎂、鋁、鈣等多種金屬及其氧化物，其存在對土壤、水資源、空氣等環境造成危害，另外該硅粉廢棄物中富含的硅粉具有較高的附加值。金屬硅通常指純度大于99%的硅，它作為一種工業原料廣泛應用于耐火材料、粉末冶金、有機硅化工、單晶硅仔料、工業還原劑等領域，具有較高的應用價值和應用領域。如果將金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物進行處理制備成金屬硅，則既能避免環境污染，又創造了價值，從而實現資源綜合利用。
技術實現要素：
針對以上問題，本發明提供一種從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中提純硅粉制備金屬硅的方法。
為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現：
設計一種金屬硅的制備方法，包括下列步驟：
（1）將硅粉廢棄物與水按1:（10～15）的重量比混合并攪拌均勻；
（2）加入酸并攪拌反應36～48小時，將所得料漿在斜管中進行沉降濃縮10～20小時，至斜管底部料漿的固含量為50～70wt%；
（3）去除斜管上部的清液，并將斜管底部濃縮料漿進行離心脫水處理，同時通入水對料漿進行洗滌，洗滌至pH值為5～7，并使最終物料水分含量為5～15wt%；
（4）將所得物料進行造粒，同時加入添加劑，造粒粒徑為1～5cm；
（5）將步驟（4）所得顆粒在溫度為50～70℃、真空度為0.01～0.02MPa條件下干燥12～24小時，使其水分含量不大于0.04wt%；
（6）將步驟（5）所得顆粒進行冶煉，冶煉溫度控制在2600～3000K；冶煉選用炭黑、煙煤、石油焦中的至少一種作為還原劑，優選炭黑、煙煤、石油焦以重量比1：（1～2）：（0.1～0.5）的混合物，其添加量為待冶煉顆粒重量的1～10%；
（7）將冶煉后所得硅塊進行破碎，并進行粒度篩分，使其破碎篩分至各工業領域所需粒度范圍。
在上述技術方案中，步驟（2）加入酸并攪拌可使硅粉廢棄物中的鐵和銅、鎳、鎂、鋁、鈣等多種金屬及其氧化物與加入的酸反應，并使硅粉廢棄物中的金屬及金屬氧化物雜質溶于水中。步驟（2）將反應后的料漿先進行沉降濃縮處理，再經步驟（3）離心脫水將溶于水中的金屬及金屬氧化物雜質除去，先沉降濃縮再進行脫水可減少離心脫水的時間和降低離心脫水的能耗。步驟（3）離心脫水的同時進行洗滌可將酸洗反應后溶于水中的金屬及金屬氧化物充分除去，同時對硅粉的pH值進行調節。步驟（4）將步驟（3）所得硅粉進行造粒，避免粒度細小的硅屑對熔煉造成影響。步驟（5）真空干燥可避免干燥時硅與空氣接觸發生氧化反應。步驟（6）通過冶煉，使硅發生還原反應，進而進一步提高硅的純度，使其純度大于99.5%，滿足金屬硅的純度要求，12000KVA功率的冶煉爐以及超高功率石墨電極的使用可以進一步降低硅冶煉的能耗，而埋弧和直流電加熱的使用可以對冶煉的安全性和穩定性提供保障。步驟（7）對冶煉的硅塊進行破碎和篩分處理，使其粒度滿足金屬硅工業應用領域粒度需求。
優選的，步驟（1）及步驟（3）所述水為去離子水，其電導率為0.1～0.5μs/cm。
優選地，步驟（1）在酸洗釜中進行，其材質為316L不銹鋼。
優選的，步驟（2）所述酸為35～37%鹽酸、95～98%硫酸和95～98%硝酸中的至少一種，其添加量為所述硅粉廢棄物重量的5～10%，更優選為鹽酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例為重量比1：（1～5）：（1～3）。
優選的，步驟（3）中所述離心轉速為4000～5000轉/分，所述洗滌的次數為5～10次，所述通入水的流速為0.5～1米/秒。
優選的，步驟（4）中所述添加劑為丙酮、乙醇、炭黑、乙醛中的一種，其添加量為造粒物料重量的0.01～0.1%。
優選的，步驟（6）中所述冶煉中所用的冶煉爐功率為12000KVA；更優選的，冶煉爐電極選用超高功率石墨電極，其電阻率為1.5～3μΩ·m；所述冶煉在埋弧下進行；所述冶煉采用直流電加熱。
本發明的積極有益效果在于：
本發明提供了從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅的方法，避免硅粉廢棄物對土壤、水資源、空氣等環境造成危害，并能實現硅粉廢棄物的資源綜合利用；該方法操作性強，應用價值高，非常適用于工業化推廣。
具體實施方式
下面結合實施例來說明本發明的具體實施方式，但以下實施例只是用來詳細說明本發明，并不以任何方式限制本發明的范圍。
實施例1：
按照下列步驟從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅：
（1）將硅粉廢棄物在酸洗釜（316L不銹鋼）中與電導率為0.2μs/cm的去離子水按1:12的重量比混合并攪拌均勻；
（2）向步驟（1）的酸洗釜中加入質量濃度為36%的鹽酸，其添加量為所用硅粉廢棄物重量的8%，并攪拌反應40小時；將所得料漿在斜管中進行沉降濃縮15小時，濃縮至斜管底部料漿的固含量為60wt%；
（3）去除沉降濃縮后斜管上部的清液，并將斜管底部濃縮料漿通入轉速為4500轉/分的離心機中進行離心脫水處理，同時向離心機中通入流速為0.6米/秒、電導率為0.2μs/cm的去離子水對離心機內料漿洗滌6次，洗滌后pH值介于5～7之間，離心脫水所得物料水分含量為10%；
（4）將步驟（3）所得物料在造粒機中造粒，造粒時加入添加劑丙酮，其添加量為造粒重量的0.5%，造粒顆粒粒度為1～5cm；
（5）將步驟（4）所得顆粒在干燥溫度為60℃、真空度為0.015MPa條件下的真空干燥機中干燥15小時，使其水分重量百分含量≤0.04%；
（6）將步驟（5）真空干燥后的顆粒在功率為12000KVA冶煉爐中進行直流電加熱埋弧冶煉，冶煉爐的電極為電阻率為1.5～3μΩ·m的超高功率石墨電極，冶煉溫度控制在2600～3000K，冶煉選用炭黑作為還原劑，其添加量為待冶煉硅顆粒重量的5%；
（7）將冶煉后所得硅塊在輥式破碎機中進行破碎并在振動篩中進行粒度篩分，使其破碎篩分至各工業領域所需粒度范圍。
實施例2：
按與實施例1相同的方法從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅，不同之處在于，步驟（1）去離子水電導率為0.5μs/cm，硅粉廢棄物與去離子水混合的重量比為1:15；步驟（2）加入的為質量濃度為97%的硫酸，其添加量為硅粉廢棄物重量的10%并攪拌反應48小時；步驟（3）沉降濃縮時間為20小時，底部漿液的固含量為70%；步驟（4）離心機轉速為5000轉/分，通入去離子水的電導率為0.5μs/cm，其流速為1米/秒；步驟（5）造粒時加入的添加劑為乙醇，添加量為造粒重量的0.1%；步驟（6）的干燥溫度為70℃、真空度為0.02MPa條件下、真空干燥機時間24小時；步驟（7）冶煉選用煙煤作為還原劑，其添加量為待冶煉硅顆粒重量的10%。
實施例3：
按與實施例1相同的方法從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅，不同之處在于，步驟（1）去離子水電導率為0.1μs/cm，硅粉廢棄物與去離子水混合的重量比為1:10；步驟（2）加入的為重量分數97%的硝酸并攪拌反應36小時，沉降濃縮時間為10小時，底部料漿的固含量為50%；步驟（3）離心機轉速為4000轉/分，通入去離子水的電導率為0.1μs/cm，其流速為0.5米/秒；步驟（4）造粒時加入的添加劑為炭黑，添加量為造粒重量的0.01%；步驟（5）的干燥溫度為50℃、真空度為0.01MPa條件下、真空干燥機時間12小時；步驟（6）冶煉選用石油焦作為還原劑，其添加量為待冶煉硅顆粒重量的1%。
實施例4：
按與實施例1相同的方法從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅，不同之處在于，步驟（2）加入的為鹽酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例為重量比1：3：2，其添加量為硅粉廢棄物重量的9%；步驟（4）造粒時加入的添加劑為乙醛，其添加量為造粒重量的0.06%。步驟（6）加入的還原劑也為炭黑、煙煤、石油焦三者的混合物，其混合比例為炭黑：煙煤：石油焦為1：1.5：0.2，其添加量為待冶煉硅顆粒重量的5%。
實施例5：
按與實施例4相同的方法從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅，不同之處在于，步驟（2）加入的為鹽酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例為重量比1：5：3，其添加量為硅粉廢棄物重量的7%；步驟（4）造粒時加入的添加劑為丙酮，其添加量為造粒重量的0.03%。步驟（6）加入的還原劑也為炭黑、煙煤、石油焦三者的混合物，其混合比例為炭黑：煙煤：石油焦為1：2：0.1，其添加量為待冶煉硅顆粒重量的7%。
實施例6：
按與實施例4相同的方法從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅，不同之處在于，步驟（2）加入的為鹽酸、硫酸、硝酸的混合物，其比例為重量比1：2：2，其添加量為硅粉廢棄物重量的8%；步驟（4）造粒時加入的添加劑為乙醇，其添加量為造粒重量的0.07%。步驟（6）加入的還原劑也為炭黑、煙煤、石油焦三者的混合物，其混合比例為炭黑：煙煤：石油焦為1：1：0.3，其添加量為待冶煉硅顆粒重量的5%。
經過本發明實施例1～6方法從金剛線切割硅片產生的硅粉廢棄物中制備金屬硅，所得金屬硅的純度大于99.5%，滿足金屬硅對硅純度的使用要求，滿足金屬硅的純度要求，實現硅粉廢棄物的資源綜合利用，避免污染環境。真空干燥可避免干燥時硅與空氣接觸發生氧化反應。離心脫水的同時進行洗滌可將酸洗反應后溶于水中的金屬及金屬氧化物充分除去，同時對硅粉的pH值進行調節。冶煉后對硅塊進行破碎和篩分處理，使其滿足金屬硅工業應用領域對不用粒度的需求，非常適用于工業化應用。
另外，先沉降濃縮再進行離心脫水可降低離心機的能耗，大功率的冶煉爐以及超高功率石墨電極的使用可以進一步降低硅冶煉的能耗，從而降低生產成本，而埋弧和直流電加熱的使用可以對冶煉的安全性和穩定性提供保障。
以上實施例中所涉及的儀器設備如無特別說明，均為常規儀器設備；所涉及的工業原料如無特別說明，均為市售常規工業原料。
上面結合實施例對本發明作了詳細的說明，但是，所屬技術領域的技術人員能夠理解，在不脫離本發明宗旨的前提下，還可以對上述實施例中的各個具體參數進行變更，形成多個具體的實施例，均為本發明的常見變化范圍，在此不再一一詳述。