利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法
【專利摘要】本發明涉及一種冶煉碳化硅結晶塊的生產加工工藝，具體涉及一種利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法。該方法包括以下步驟：1】稱取切割廢料，并通過化學分析測定切割廢料中各成分的含量；2】計算切割廢料完全反應為碳化硅所需的碳質材料的用量W；3】配置膠粘劑溶液；4】將切割廢料、膠粘劑溶液和碳質材料混合后，攪拌均勻制成混合物料；5】將混合物料經過造粒設備造粒成型得到廢料微粉顆粒；6】將廢料微粉顆粒與石英砂和焦炭混合物一起進行冶煉。本發明解決了以晶體硅微粉和二氧化硅微粉含量較高的切割廢料作為原料生產碳化硅結晶塊時存在的生產安全性差、產品合格率低的技術問題。
【專利說明】
利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種冶煉碳化硅結晶塊的生產加工工藝，具體涉及一種利用預制廢料 微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法。
【背景技術】
[0002] 在太陽能晶片的切割過程中會產生大量的切割廢料。當采用綠碳化硅切割刃料在 太陽能晶體硅棒上切割晶片時，產生的廢料成分主要包括:磨損產生的?廢綠碳化硅切割 刃料細粉(約占廢料總量的20-60 % )、被切割下來的晶體硅微粉(約占廢料總量的35-75 %， 其中部分晶體硅微粉被氧化生成二氧化硅微粉）、其余還有水、有機殘余料、氧化鐵以及其 它雜質。
[0003] 近幾年來，隨著切割技術的進步和在線回收技術的提高，切割廢料中的廢棄綠碳 化硅切割刃料細粉和其他廢料(例如水、有機殘余料）的成分比例越來越少，而晶體硅微粉 與二氧化硅微粉所占比例在不斷地增大。現有的生產加工企業大多采用離心設備對切割廢 料進行處理，將大部分晶體硅微粉與二氧化硅微粉直接甩掉，從而獲得含有80-90 %的廢綠 碳化硅切割刃料細粉的切割廢料，然后再將這種切割廢料進行化學處理，得到純度較高的 廢綠碳化硅切割刃料細粉以便回收利用。這種將晶體硅微粉與二氧化硅微粉拋棄的工藝造 成了大量的資源和能源的浪費，并且污染了環境。這是因為晶體硅微粉是從純度非常高的 單晶硅、多晶硅上切割下來的粉體，在制造單晶硅、多晶硅的過程中需要將石英石分解、提 純及化學處理，因此需要消耗大量的能源和資源。
[0004] 發明專利CN102491330B公開了一種以廢棄的碳化硅細粉為原料進行碳化硅晶體 加工的工藝，該發明工藝得以實現的前提之一是原料中不含有或者僅含有少量的晶體硅微 粉和二氧化硅微粉。隨著切割廢料中晶體硅微粉與二氧化硅微粉百分含量的不斷增加，生 產難度也在不斷地增大。具體而言，若切割廢料中的晶體硅微粉和二氧化硅微粉所占的比 例大于10 %，在碳化硅冶煉爐內的溫度達到1420°C時，碳化硅顆粒中的晶體硅微粉與二氧 化硅微粉就會開始熔化，碳化硅顆粒就會變軟并產生形變;若切割廢料中的晶體硅微粉與 二氧化硅微粉所占的比例大于20%，在爐內的溫度達到1420Γ時，碳化硅顆粒中就會有晶 體硅熔液與二氧化硅熔液的混合液流出（超細的二氧化硅微粉與晶體硅微粉極易熔化），在 重力的作用下，碳化硅顆粒中流出的晶體硅熔液與二氧化硅熔液的混合液都流向冶煉爐的 下部，造成了冶煉爐上下部位的物料不均勻，降低了冶煉爐下部的排氣性，破壞了溫度場的 平衡，此時的碳化硅冶煉爐極易發生噴爐，造成嚴重的生產事故。除此之外，該方法中的切 割廢料和碳質材料增加量是單獨加入冶煉爐中的，這樣便很難做到對不同批次的切割廢料 均準確地計算并加入碳質材料增加量，因此生產的產品極易出現偏硅或者偏碳的現象，以 致于造成整爐的產品不合格。
【發明內容】
[0005] 為了解決以晶體硅微粉和二氧化硅微粉含量較高的切割廢料作為原料生產碳化 硅結晶塊時存在的生產安全性差、產品合格率低的技術問題，本發明提供一種利用預制廢 料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法。
[0006] 本發明的技術解決方案是：一種利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方 法，其特殊之處在于:包括以下步驟：
[0007] 1】稱取切割廢料，并通過化學分析測定切割廢料中各成分的含量;所述切割廢料 中含有碳化硅細粉、晶體硅微粉和二氧化硅微粉；
[0008] 2】根據步驟1】測定的切割廢料的成分計算切割廢料完全反應為碳化硅所需的碳 質材料的用量W:
[0009] 2.1】按照化學方程式Si+C=SiC計算混合廢料中的晶體硅微粉完全反應為碳化硅 所需的碳質材料的用量W 1;
[0010] 2.2】按照化學方程式5102+30 = 5"+2〇)計算混合廢料中的二氧化硅微粉完全反 應為碳化硅所需的碳質材料的用量W2;
[0011] 2.3】混合廢料完全反應為碳化硅所需的碳質材料的用量為W=WdW2;
[0012] 3】配置膠粘劑溶液；
[0013] 4】將步驟1】中經過化學分析測定成分后的切割廢料與步驟3】中配置的膠粘劑溶 液按照2-10:1的質量比混合，再加入質量為0-1.2W的碳質材料后，攪拌均勻制成混合物料；
[0014] 5】將步驟4】得到的混合物料經過造粒設備造粒成型，得到平均粒徑為1.5-100mm 的廢料微粉顆粒后烘干備用；
[0015] 6】將步驟5】得到的廢料微粉顆粒與石英砂和焦炭混合物加入冶煉爐中的分解區 和/或反應區進行冶煉，制成碳化硅結晶塊;其中，廢料微粉顆粒占總物料的質量分數為5-95%〇
[0016] 上述步驟1】包括以下步驟：
[0017] 1.1】將切割廢料加水攪拌成糊狀，然后進行除鐵處理；
[0018] 1.2】將經過除鐵處理后的切割廢料放入離心設備中進行離心處理后得到兩部分 廢料;一部分為富含碳化硅細粉的高碳化硅廢料，另一部分為富含晶體硅微粉和二氧化硅 微粉的高晶體硅廢料；
[0019] 1.3】對高碳化硅廢料和高晶體硅廢料進行化學分析測定成分含量后，再分別執行 步驟2】至步驟6】。
[0020] 上述步驟1】中的切割廢料還含有綠碳化硅切割刃料制作過程中產生的不合格的 加工廢料。
[0021] 上述步驟2】中的碳質材料為焦炭粉、蘭炭或者優質煤粉。
[0022] 上述步驟3】中的膠粘劑溶液是將膠粘劑與溶劑按照1:1-10的體積比進行混合并 溶解得到的;所述膠粘劑為硅質膠粘劑或者碳質膠粘劑;所述溶劑為水或者有機溶劑。 [0023]上述膠粘劑溶液中還含有質量分數為0-40%的反應補償材料；當膠粘劑是硅質膠 粘劑時，反應補償材料為碳質材料;當膠粘劑是碳質膠粘劑時，反應補償材料為娃質材料。
[0024] 上述硅質膠粘劑為硅溶膠或者硅酸鈉;所述碳質膠粘劑為纖維素膠、淀粉糊、丙烯 酸乳液、瀝青、動物膠或者植物膠。
[0025] 上述步驟4】中的碳質材料的加入質量為W;所制成的混合物料中還包括質量分數 為0-10 %的排雜劑。
[0026]上述步驟5】中的廢料微粉顆粒的平均粒徑為10-50mm。
[0027]上述步驟6】中的廢料微粉顆粒占總物料的質量分數為30-60%。
[0028]本發明的有益效果在于：
[0029] (1)本發明通過將切割廢料（由碳化硅細粉和晶體硅微粉以及二氧化硅微粉組成 的混合廢料)預先與碳質材料按照化學反應的比例進行混合，加入膠粘劑后造粒得到廢料 微粉顆粒，然后再將廢料微粉顆粒置于冶煉爐中加工生產碳化硅晶體。由于廢料微粉顆粒 中的晶體硅微粉及二氧化硅微粉能夠與碳質材料充分接觸，因此當晶體硅微粉與二氧化硅 微粉在碳化硅冶煉爐內熔化成熔液后，就被吸附在碳質材料的表面，不會向冶煉爐的下部 流動，有效地保障了物料的均勻、排氣性的暢通、溫度場的平衡，能夠使生產穩定進行，極大 地降低了發生事故的可能性。
[0030] (2)晶體硅微粉與二氧化硅微粉熔化成熔液并吸附在碳質材料表面后，由于接觸 面很大，隨著溫度上升，就開始在接觸面上生成碳化硅，隨著溫度的升高，接觸面上生成碳 化硅的速度加快，當溫度達到1800°C之前，大部分晶體硅微粉和二氧化硅微粉的熔液都與 碳質材料反應生成了碳化硅，有效地縮短了冶煉時間，減少了能耗。
[0031 ] (3)晶體硅微粉的活性較大，又由于晶體硅微粉和二氧化硅微粉與碳質材料充分 混合后的接觸面積大，因此廢料微粉顆粒可以加工制作成比較大的顆粒塊，比較大的廢料 微粉顆粒在冶煉時也不會延長冶煉時間，但卻能夠有效地提高廢料微粉顆粒的加工制作生 產效率，降低生產成本，同時提高了冶煉爐內的透氣性，加快了熱能的傳導，降低了能耗。
[0032] (4)預制的廢料微粉顆粒中的晶體硅微粉和二氧化硅微粉與需要反應生成碳化硅 的碳質材料的配比是固定的，因此，廢料微粉顆粒中的各種物料在生成碳化硅時，在廢料微 粉顆粒以外供給物料也是固定的，這樣在裝爐時石英砂與碳質材料的裝爐比例是穩定的， 避免了偏硅、偏碳的情況出現。
[0033] (5)由于在廢料微粉顆粒中的晶體硅微粉和二氧化硅微粉與需要反應生成碳化硅 的碳質材料是固定的，因此制作每一批廢料微粉顆粒的廢料，經化學分析后，就能得到各種 成分所占的比例，由此就可以算出需要加入的碳質材料的添加量，從而制作出廢料微粉顆 粒;這樣每一批廢料無論批次的大小多少都可以直接獨立制作成廢料微粉顆粒，極大地簡 化了制作廢料微粉顆粒的生產工藝。
[0034] (6)廢料微粉顆粒在與石英砂、碳質材料的混合物混合后添加至碳化硅冶煉爐內 進行冶煉時能夠保持非常好的透氣性，從而有利于爐內的氣流和熱量的傳導，并且縮短了 冶煉碳化硅的周期。
【具體實施方式】
[0035] 本發明提供了一種碳化硅生產工藝，主要解決了在太陽能晶片切割過程中產生的 碳化硅細粉和晶體硅微粉以及二氧化硅微粉的混合廢料回爐重新冶煉成為碳化硅結晶塊 的技術問題，該方法不僅包括在碳化硅冶煉爐內加入石英砂與碳質材料(如焦炭粉、蘭炭、 優質煤）的步驟，同時還包括在碳化硅冶煉前在碳化硅冶煉爐內的分解區、反應區里混合加 入由碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料與碳質材料(如焦炭粉、蘭炭、優質 煤)制備成的一定尺寸大小的廢料微粉顆粒的步驟。
[0036]由廢料微粉顆粒與石英砂和碳質材料的混合物是按照5~95:95~5質量比例添加 入碳化硅冶煉爐里進行冶煉的，尤其采用30~60:70~40的比例效果更佳。
[0037] 由碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料與碳質材料制備成的廢料 微粉顆粒的平均粒徑是1.5~100mm，優選10~50mm。
[0038] 廢料微粉顆粒與石英砂和碳質材料的混合量以及廢料微粉顆粒粒徑的大小，主要 取決于碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料中的二氧化硅微粉所占的比例； 二氧化硅微粉所占的比例比較大時，廢料微粉顆粒可以制作的大些，并且添加量也可以相 對多些。
[0039] 由碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料與碳質材料(如焦炭粉、蘭 炭、優質煤)制備成的廢料微粉顆粒的制備方法是：
[0040] 1)、選取碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料；
[0041 ] 1.1)、所述的混合廢料包含有采用綠碳化硅切割刃料在對太陽能晶片切割過程中 產生的磨損過的、廢棄的綠碳化硅切割刃料的碳化硅細粉和綠碳化硅切割刃料在切割太陽 能晶片時從太陽能晶體硅上面切割下來的晶體硅細粉以及二氧化硅微粉;有時也加入在生 產過程中剔除的不合格的碳化硅細粉；
[0042] 1.2)、所述的晶體硅細粉中還包含有在綠碳化硅切割刃料制作過程中產生的不合 格的加工廢料；
[0043] 1.3)、所述的混合廢料需經化學分析測定出其中的碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧 化硅以及雜質的百分比含量；
[0044] 2)、選取碳質材料(如焦炭粉、蘭炭、優質煤）；
[0045] 2.1 )、所述的碳質材料是與混合廢料中的晶體硅微粉、二氧化硅微粉反應生成碳 化硅結晶所需的碳質材料；
[0046] 2.2)、按照混合廢料經化學分析測定出的晶體硅微粉的百分比含量，并用公式：
[0047] Si+C = SiC
[0048] 計算出與晶體硅微粉反應生成碳化硅結晶體所需的固定炭值；
[0049] 2.3)、按照混合廢料經化學分析測定出的二氧化硅微粉的百分比含量，并用公式：
[0050] Si02+3C = SiC+2C0
[0051 ]計算出與二氧化娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值；
[0052] 2.4)、由于碳質材料里含有固定炭、水、揮發分、灰分、硫，而與晶體硅微粉、二氧化 硅微粉反應生成碳化硅結晶的只能是固定炭，因此，需要測定碳質材料里的固定炭、水、揮 發分、灰分、硫所占的百分比含量，再通過與晶體硅微粉、二氧化硅微粉二者反應生成碳化 硅結晶所需的固定炭而計算出所需的總的碳質材料的標準加入量W;
[0053] 2.5)、當用含量較高的晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料制作微粉顆粒時，可 以加大碳質材料的投放比例，以便防止冶煉時晶體硅微粉、二氧化硅微粉熔化后流動；當用 含量較高的碳化硅細粉的混合廢料制作微粉顆粒時，可以減小碳質材料的投放比例或者不 加入碳質材料，以便減少工藝步驟。碳質材料的加入量是根據碳化硅微粉和晶體硅微粉的 混合廢料中晶體硅微粉及氧化了的晶體硅微粉的含量通過化學反應的摩爾比計算出標準 加入量W，而實際加入量是按照0<實際加入量< (W+W X 20 % )加入制作廢料微粉顆粒的。在 生產中最優的碳質材料的加入量是在按照實際加入量等于標準加入量加入時為最優，即實 際加入量等于W時為最優加入量。
[0054] 2.6)、當使用碳質材料的實際加入量大于或小于標準加入量制作廢料微粉顆粒加 入到冶煉爐時，相應的要在冶煉爐內加入的石英砂和碳質材料的混合物中減少或增加對應 廢料微粉顆粒實際加入量大于或小于比例的碳質材料，達到物料平衡。
[0055] 3)、配置膠粘劑溶液；
[0056] 3.1)、膠粘劑溶液是由膠粘劑與溶劑按照體積比為1:1~1:10混合而成的硅質膠 粘劑溶液或碳質膠粘劑溶液，膠粘劑是硅質膠粘劑或碳質膠粘劑;溶劑是水或有機溶劑；
[0057] 3.2)、當采用所述的硅質膠粘劑溶液時，硅質膠粘劑是含有Si元素、H元素以及0元 素的膠粘劑，例如硅溶膠或者硅酸鈉等；
[0058] 3.3)、當采用所述的碳質膠粘劑溶液時，碳質膠粘劑是含有C元素和H元素或含有C 元素、H元素以及0元素的膠粘劑，例如各種纖維素膠、淀粉糊、丙烯酸乳液、瀝青、動物膠或 植物I父等；
[0059] 3.4)、上述碳化硅生產工藝步驟3)中所述的膠粘劑溶液是一種膠粘劑或者是兩 種、兩種以上膠粘劑搭配使用；
[0060] 3.5)、所述的膠粘劑是用固體的溶質與溶液按重量比為1:2~1:20的比例將固體 的溶質浸入溶液中，經過加溫溶解和/或浸泡溶解制成濃度高的膠粘劑，例如使用各種纖維 素、淀粉、聚丙烯酰胺、動物干膠或植物干膠等制成各種纖維素膠、淀粉糊、聚丙烯酰胺膠、、 動物膠或植物膠等；
[0061] 4)、反應補償材料；
[0062] 4.1)、膠粘劑在高溫下分解，硅質膠粘劑分解成為硅質材料，需要碳質材料與其反 應生成碳化硅，碳質材料是硅質膠粘劑的反應補償材料;碳質膠粘劑分解成為碳質材料，需 要娃質材料與其反應生成碳化娃，娃質材料是碳質膠粘劑的反應補償材料；
[0063] 4.2)、所述反應補償材料是碳質材料的優選材料是石油焦細粉;所述反應補償材 料是硅質材料的優選材料是二氧化硅細粉；
[0064] 4.3)、所述反應補償材料的加入重量是膠粘劑溶液加入重量的0~40% ;
[0065] 5)、排雜劑
[0066] 5.1)、氯化鈉是用于排除碳化硅細粉和晶體硅微粉的混合廢料以及碳質材料在加 工中被雜質污染的排雜劑
[0067] 5.2)、所述氯化鈉的加入重量是碳化硅細粉和晶體硅微粉及氧化了的晶體硅微粉 的混合廢料加入重量的0~10%。
[0068] 6 )、制作混合物料及造粒；
[0069] 6.1)、將步驟1)所得到的測定好的碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合 廢料與步驟3)所得到的配制好的膠粘劑溶液按照質量比10:1~2:1進行混合，再加入步驟 2)所述的根據碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料計量而得到的碳質材料 以及步驟4)所述的反應補償材料和步驟5)中的排雜劑后制成混合物料；
[0070] 6.2)、采用機械造粒設備對步驟4)所得到的混合物進行造粒成型，造粒成型的方 式是攪拌均勻后由造粒設備造粒成型，最終所形成的廢料微粉顆粒材料是平均粒徑為1.5 ~IOOmm的顆粒。
[0071 ]本發明是以在太陽能晶片的切割過程中產生的廢綠碳化硅切割刃料微粉和用碳 化硅切割刃料將太陽能晶片切割下來的太陽能晶體硅微粉;有時加入少量的在生產過程中 剔除的不合格的碳化硅微粉為原料，以硅溶膠等含Si、H、0元素的硅質膠粘劑或以淀粉膠等 含C、H或C、H、0元素的碳質膠粘劑為粘料，采用機械造粒設備制備成1~IOOmm的顆粒，并把 廢料微粉顆粒與石英砂和碳質材料的混合物是按照質量比是5~95:95~5添加入碳化硅冶 煉爐里進行冶煉，制造成為新的碳化硅結晶塊。
[0072]下面結合具體實施例對本發明的工藝步驟進行詳細說明 [0073] 實施例1
[0074] 1 )、選取一個批次的混合廢料；
[0075] 1.1 )、所述的一個批次的混合廢料其中包含碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微 粉以及雜質，共計1000kg;
[0076] 1.2)、用化學分析測定出其中的百分比含量是碳化硅細粉42.43% (424.3kg)、晶 體硅微粉31 · 51 % (315 · I kg)、二氧化硅微粉 15 · 84 % (158 · 4kg)、氧化鐵0 · 74 % (7 · 4kg)、水 及其他雜質(包含殘余的有機雜質)9.48% (94.8kg);
[0077] 2)、選取焦炭粉；
[0078] 2.1 )、所述的焦炭粉是與混合廢料中的晶體硅微粉、二氧化硅微粉反應生成碳化 硅結晶所需的焦炭粉；
[0079] 2.2)、按照混合廢料經化學分析測定出的晶體硅微粉的百分比含量31.51%，并用 公式：
[0080] Si+C = SiC
[0081 ]計算出與315. Ikg晶體娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值是135kg;
[0082] 2.3)、按照混合廢料經化學分析測定出的二氧化硅微粉的百分比含量15.84%，并 用公式：
[0083] Si02+3C = SiC+2C0
[0084]計算出與158.4kg二氧化娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值是95kg;
[0085] 2.4)、由于焦炭粉里含有固定炭、水、揮發分及灰分，而與晶體硅微粉、二氧化硅微 粉反應生成碳化硅結晶的只是固定炭，因此，需要經化學分析測定焦炭粉里的固定炭、水、 揮發分、灰分所占的百分比含量，再通過晶體硅微粉、二氧化硅微粉二者反應生成碳化硅結 晶所需的固定炭計算出所需的總的焦炭粉;選取的焦炭粉經化學分析測定焦炭粉里的固定 炭89.36 %、水0.97 %、揮發分9.34%、灰分0.33 % ;晶體硅微粉、二氧化硅微粉所需的總的 固定炭是二者之和：
[0086] 135kg+95kg = 230kg
[0087] 所需的總的焦炭粉是：
[0088] 230kg + 89.36%=257.39kg
[0089] 3)、配置碳質膠粘劑溶液；
[0090] 3.1)、選取羧甲基纖維素25kg，并將其全部浸入IOOkg溫水里浸泡，直至羧甲基纖 維素全部溶解，配制成碳質膠粘劑；
[0091 ] 3.2)、將配制好的碳質膠粘劑與50kg溫水混合配制成碳質膠粘劑溶液，另外準備 好IOOkg溫水備用（用于調整混合物料的軟硬稠稀）；
[0092] 4)、制作混合物料；
[0093] 4.1)、將步驟1)所得到的測定好的碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合 廢料1000 kg先經過電磁除鐵設備進行除鐵處理后，再與步驟3)所得到的配制好的175kg碳 質膠粘劑溶液進行均勻混合；
[0094] 4.2)、再加入步驟2)中的257.39kg焦炭粉進行均勻混合制成混合物料，混合物料 的軟硬稠稀是根據機械造粒設備的性能而確定的，而混合物料的軟硬稠稀程度是用另外準 備好的IOOkg溫水(溶液)來調整的；
[0095] 5)、采用機械造粒設備對步驟4)所得到的混合物進行造粒成型，造粒成型的廢料 微粉顆粒的直徑為30mm，然后對造粒成型后的廢料微粉顆粒進行烘干備用；
[0096] 6)、按照步驟1)、步驟2)、步驟3)、步驟4)、步驟5)中獲得的計算數據和工藝步驟， 采用1000 kg同批混合廢料比257.39kg同批焦炭粉再比175kg碳質膠粘劑溶液；即1000 : 257.39:175的比例搭配，就可以完成該批次的全部廢料微粉顆粒的制作；
[0097] 7)、將石英砂和焦炭的混合物與廢料微粉顆粒按照質量比1:1添加入碳化硅冶煉 爐里的分解區進行冶煉，制成碳化硅結晶塊成品；
[0098] 8)、碳化硅結晶塊成品經檢驗平均純度是98.71%，高于國家標準0.21%。
[0099] 實施例2
[0100]采用同一個批次的碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料與焦炭粉 混合制成兩種不同的廢料微粉顆粒;再將這兩種不同的廢料微粉顆粒按照不同的比例與石 英砂和焦炭的混合物混合后裝入碳化硅冶煉爐內的不同位置進行冶煉，然后就節約電能及 成品純度進行對比分析。
[0101] 1)、選取混合廢料：
[0102] 1.1)、選取放置了一段時間的其中包含碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉以 及雜質的混合廢料，將這些混合廢料加水攪拌成糊狀，再用電磁除鐵設備進行除鐵處理；
[0103] 1.2)、將處理好的混合廢料送入離心分離設備，經離心分離設備把混合廢料分離 成為兩部分，一部分主要包含的是碳化硅細粉，稱為高碳化硅廢料;另一部分主要包含的是 晶體硅微粉和二氧化硅微粉，稱為高晶體硅廢料;再根據后續工藝的需要，脫除兩部分廢料 中多余的水分；
[0104] 1.3)、對高碳化硅廢料首先進行含水百分比檢測，然后再進行無水物料的百分比 含量檢測：
[0105] 檢測得:高碳化硅廢料含水8.31 %、物料占91.69% ;
[0106] 取6個無水物料樣品進行化學分析檢測：
[0108] 由檢測結果得到:在高碳化硅廢料的無水物料中：
[0109] 碳化硅細粉及微量雜質的含量占83.13% ;二氧化硅微粉的含量占6.16% ;晶體硅 微粉的含量占10.71 %;
[0110] 由此得到I OOkg含水的高碳化硅廢料中的二氧化硅微粉及晶體硅微粉的重量和含 量：
[0111] 二氧化硅微粉：100X91.69% X6.16% =5.65kg，即：5.65%;
[0112] 晶體硅微粉:100X91.69% X 10.71 % =9.82kg，BP :9.82% ;
[0113] 1.4)、對高晶體硅廢料首先進行含水百分比檢測，然后再進行無水物料的百分比 含量檢測：
[0114] 檢測得:高晶體硅廢料含水10.58%、物料占89.42% ;
[0115] 取6個無水物料樣品進行化學分析檢測：
[0118] 由檢測結果得到:在高晶體硅廢料的無水物料中：
[0119] 碳化硅細粉及微量雜質的含量占8.44% ;二氧化硅微粉的含量占33.48% ;晶體硅 微粉的含量占58.08 %;
[0120]由此得到I OOkg含水的高晶體硅廢料中的二氧化硅微粉及晶體硅微粉的重量和含 量：
[0121] 二氧化硅微粉：100 X 89 · 42 % X 33 · 48 % = 29 · 94kg，即：29 · 94 % ;
[0122] 晶體硅微粉：100 X 89 · 42% X 58 · 08% =51 · 94kg，即：51 · 94% ;
[0123] 2 )、選取焦炭粉，并分別計算出在高碳化硅混合廢料及高晶體硅混合廢料中添加 的量：
[0124] 2.1)、所述的焦炭粉是與混合廢料中的晶體硅微粉、二氧化硅微粉反應生成碳化 硅結晶所需的焦炭粉；由于焦炭粉里含有固定炭、水、揮發分及灰分，而與晶體硅微粉、二氧 化硅微粉反應生成碳化硅結晶的只是固定炭，因此，需要經化學分析測定焦炭粉里的固定 炭、水、揮發分、灰分所占的百分比含量，選取的焦炭粉經化學分析測定焦炭粉里的固定炭 87·21 %、水2·36%、揮發分 10· 17%、灰分0·26% ;
[0125] 2.2)、計算IOOkg含水的高碳化硅廢料所需的焦炭粉；
[0126] IOOkg含水的高碳化硅廢料中：
[0127] 二氧化硅微粉：100X91.69% X6.16% =5.65kg
[0128] 晶體硅微粉：100X91.69% X10.71%=9.82kg
[0129] 采用公式：
[0130] Si02+3C = SiC+2C0
[0131 ]計算出與5.65kg二氧化娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值是3.4kg;
[0132] 并用公式：
[0133] Si+C = SiC
[0134]計算出與9.82kg晶體娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值是4.2kg;
[0135] 所以與IOOkg含水的高碳化硅廢料反應生成碳化硅時：
[0136] 需要固定炭 3.4kg+4.2kg = 7.6kg
[0137] 需要焦炭粉 7.6kg + 87.21%=8.7kg
[0138] 2.3 )、計算I OOkg含水的高晶體硅廢料所需的焦炭粉；
[0139] IOOkg含水的高晶體硅廢料中：
[0140] 二氧化硅微粉：100 X 89.42% X 33.48% =29.94kg
[0141] 晶體硅微粉：100 X 89.42% X 58.08% =51.94kg
[0142] 采用公式：
[0143] Si02+3C = SiC+2C0
[0144]計算出與29.94kg二氧化娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值是 17.96kg；
[0145] 并用公式：
[0146] Si+C = SiC
[0147] 計算出與51.94kg晶體娃微粉反應生成碳化娃結晶體所需的固定炭值是22.3kg;
[0148] 所以與IOOkg含水的高晶體硅廢料反應生成碳化硅時：
[0149] 需要固定炭 17.96kg+22.3kg = 40.26kg
[0150] 需要焦炭粉 40.26kg + 87.21%=46.2kg
[0151] 3)、配置碳質膠粘劑溶液；
[0152] 3.1)、選取淀粉2.5kg，并將其全部浸入5kg冷水里浸泡攪拌均勻后加溫糊化成為 碳質膠粘劑；
[0153] 3.2)、將配制好的碳質膠粘劑與5kg溫水混合配制成碳質膠粘劑溶液，另外準備好 20kg溫水備用（用于調整混合物料的軟硬稠稀）；
[0154] 4)、使用混合廢料制作混合物料并造粒；
[0155] 4.1)、制作高碳化硅廢料的廢料微粉顆粒；
[0156] 4.1.1)、取步驟1.3)所得到的測定好的IOOkg含水的高碳化硅廢料與步驟3)所得 到的配制好的12.5kg碳質膠粘劑溶液進行均勻混合；
[0157] 4.1.2)、取步驟2.2)中計算得到的8.7kg焦炭粉再與步驟4.1.1)中得到的高碳化 硅廢料、碳質膠粘劑溶液二者的混膠料進行均勻混合制成混合物料，混合物料的軟硬稠稀 是用另外準備好的20kg溫水(溶液)來調整的；
[0158] 4.1.3)、采用機械造粒設備對步驟4.1.2)所得到的混合物料進行造粒成型，造粒 成型的高碳化硅廢料的廢料微粉顆粒的直徑為25_，然后對造粒成型后的高碳化硅廢料的 廢料微粉顆粒進行烘干備用;高碳化硅廢料的廢料微粉顆粒，簡稱高碳顆粒；
[0159] 4.1.4)、按照步驟1.3)、步驟2.1)、步驟2.2)、步驟3)及步驟4.1)中上述的步驟中 獲得的計算數據和工藝步驟，采用IOOkg同批的含水高碳化硅廢料比8.7kg同批焦炭粉再比 12.5kg碳質膠粘劑溶液；即100:8.7:12.5的比例搭配，就可以完成該批次的全部高碳化硅 廢料的廢料微粉顆粒的制作；
[0160] 4.2)、制作高晶體硅廢料的廢料微粉顆粒；
[0161] 4.2.1)、取步驟1.4)所得到的測定好的IOOkg含水的高晶體硅廢料與步驟3)所得 到的配制好的12.5kg碳質膠粘劑溶液進行均勻混合；
[0162] 4.2.2)、取步驟2.3)中計算得到的46.2kg焦炭粉再與步驟4.2.1)中得到的高晶體 硅廢料、碳質膠粘劑溶液二者的混膠料進行均勻混合制成混合物料，混合物料的軟硬稠稀 是用另外準備好的20kg溫水(溶液)來調整的；
[0163] 4.2.3)、采用機械造粒設備對步驟4.2.2)所得到的混合物料進行造粒成型，造粒 成型的高晶體硅廢料的廢料微粉顆粒的直徑為20_，然后對造粒成型后的高晶體硅廢料的 廢料微粉顆粒進行烘干備用;高晶體硅廢料的廢料微粉顆粒，簡稱高晶體顆粒；
[0164] 4.2.4)、按照步驟1.4)、步驟2.1)、步驟2.3)、步驟3)及步驟4.2)中上述的步驟中 獲得的計算數據和工藝步驟，采用IOOkg同批的含水高碳化硅廢料比46.2kg同批焦炭粉再 比12.5kg碳質I父粘劑溶液；即：100:46.2:12.5的比例搭配，就可以完成該批次的全部尚晶 體硅廢料的廢料微粉顆粒的制作；
[0165] 5)、分批裝爐冶煉，并作數據分析；
[0166] 5.1 )、第一組冶煉配比與冶煉數據；
[0167]選取高碳顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1:1的比例裝填在分解區； 同時選取高晶體顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1:9的比例裝填在反應區進行 碳化硅晶體塊的冶煉，從而獲得第一爐數據。同理，分別選取高晶體顆粒與石英砂和焦炭粉 的混合物按照重量比2:8、3:7、4:6、5:5、6:4的不同比例，分別與裝填在分解區里的按照重 量1:1比例的高碳顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物進行逐爐冶煉，從而獲得每一爐的不同 的數據，進行分析：
[0169]此表對應分解區里的高碳顆粒與砂、炭的混合物的比例是1:1;
[0170] 5 · 2 )、第二組冶煉配比與冶煉數據；
[0171]選取高碳顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1:9的比例裝填在分解區； 同時選取高晶體顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1:1的比例裝填在反應區進行 碳化硅晶體塊的冶煉，從而獲得第一爐數據。同理，分別選取高碳顆粒與石英砂和焦炭粉的 混合物按照重量比2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、的不同比例，分別與裝填在反應區里的按照重量 1:1比例的高晶體顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物逐爐冶煉，從而獲得每一爐的不同的數 據，進行分析：
[0173] 此表對應反應區內的高晶體顆粒與砂、炭的混合物的比例是1:1;
[0174] 5.3)、數據分析；
[0175] 第一組數據中：高碳顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物比例不變，而高晶體顆粒與 石英砂和焦炭粉的混合物的比例變化;得到的結果是：平均純度上升較大，而節電效果緩 慢；其原因是高晶體顆粒中的晶體硅微粉、二氧化硅微粉含量很大，并且純度很高 (99.99%)，很容易將產品的純度提高;但是，分解比較多的二氧化硅微粉時，需要消耗很多 的電能。
[0176] 第二組數據中：高碳顆粒與石英砂和焦炭粉的混合物的比例變化，而高晶體顆粒 與石英砂和焦炭粉的混合物的比例不變;得到的結果是:節電效果明顯，但平均純度接近， 幾乎不變;其原因是高碳顆粒中的碳化硅細粉含量很大，但純度不高(98.5 % )，很難將產品 的純度提高;但是，在冶煉時，因碳化硅細粉已經消耗過了分解電能，因此，可以節約較多的 電能。
[0177]結論:在回收利用含有碳化硅細粉、晶體硅微粉、二氧化硅微粉的混合廢料時，只 要努力減小晶體硅微粉的氧化，就能夠起到節約更多電能的效果。
[0178]說明：實施例2的本項檢測，使用的是小型碳化硅冶煉爐進行的冶煉檢測，檢測數 據與大型碳化硅冶煉爐冶煉的數據可能會有微小的差別，但并不影響分析結果，分析結論 與大型碳化硅冶煉爐冶煉的分析結論完全是一致的。
【主權項】
1. 一種利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在于:包括以下步驟： 1】稱取切割廢料，并通過化學分析測定切割廢料中各成分的含量;所述切割廢料中含 有碳化硅細粉、晶體硅微粉和二氧化硅微粉； 2】根據步驟1】測定的切割廢料的成分計算切割廢料完全反應為碳化硅所需的碳質材 料的用量W: 2.1】按照化學方程式Si+C=SiC計算混合廢料中的晶體硅微粉完全反應為碳化硅所需 的碳質材料的用量W1; 2.2】按照化學方程式5102+30 = 5"+2〇)計算混合廢料中的二氧化硅微粉完全反應為碳 化硅所需的碳質材料的用量W2; 2.3】混合廢料完全反應為碳化硅所需的碳質材料的用量為WiWi+Ws; 3】配置膠粘劑溶液； 4】將步驟1】中經過化學分析測定成分后的切割廢料與步驟3】中配置的膠粘劑溶液按 照2-10:1的質量比混合，再加入質量為0-1.2W的碳質材料后，攪拌均勻制成混合物料； 5】將步驟4】得到的混合物料經過造粒設備造粒成型，得到平均粒徑為1.5-100mm的廢 料微粉顆粒后烘干備用； 6】將步驟5】得到的廢料微粉顆粒與石英砂和焦炭混合物加入冶煉爐中的分解區和/或 反應區進行冶煉，制成碳化硅結晶塊;其中，廢料微粉顆粒占總物料的質量分數為5-95%。2. 根據權利要求1所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述步驟1】包括以下步驟： 1. 1】將切割廢料加水攪拌成糊狀，然后進行除鐵處理； 1.2】將經過除鐵處理后的切割廢料放入離心設備中進行離心處理后得到兩部分廢料； 一部分為富含碳化硅細粉的高碳化硅廢料，另一部分為富含晶體硅微粉和二氧化硅微粉的 尚晶體娃廢料； 1.3】對高碳化硅廢料和高晶體硅廢料進行化學分析測定成分含量后，再分別執行步驟 2】至步驟6】。3. 根據權利要求1或2所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征 在于:所述步驟1】中的切割廢料還含有綠碳化硅切割刃料制作過程中產生的不合格的加工 廢料。4. 根據權利要求3所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述步驟2】中的碳質材料為焦炭粉、蘭炭或者優質煤粉。5. 根據權利要求4所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述步驟3】中的膠粘劑溶液是將膠粘劑與溶劑按照1:1-10的體積比進行混合并溶解得 到的;所述膠粘劑為硅質膠粘劑或者碳質膠粘劑;所述溶劑為水或者有機溶劑。6. 根據權利要求5所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述膠粘劑溶液中還含有質量分數為0-40 %的反應補償材料；當膠粘劑是硅質膠粘劑 時，反應補償材料為碳質材料;當膠粘劑是碳質膠粘劑時，反應補償材料為娃質材料。7. 根據權利要求6所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述硅質膠粘劑為硅溶膠或者硅酸鈉;所述碳質膠粘劑為纖維素膠、淀粉糊、丙烯酸乳 液、瀝青、動物膠或者植物膠。8. 根據權利要求7所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述步驟4】中的碳質材料的加入質量為W; 所制成的混合物料中還包括質量分數為0-10%的排雜劑。9. 根據權利要求8所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述步驟5】中的廢料微粉顆粒的平均粒徑為10_50mm。10. 根據權利要求9所述的利用預制廢料微粉顆粒冶煉碳化硅結晶塊的方法，其特征在 于:所述步驟6】中的廢料微粉顆粒占總物料的質量分數為30-60%。
【文檔編號】C01B31/36GK106006645SQ201610339373
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】朱勝利
【申請人】朱勝利