本發(fā)明屬于硅材料提純處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬硅的制備方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能光伏發(fā)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(shù)作為目前世界上最先進(jìn)最新穎的技術(shù)，具有切割速度快、切割質(zhì)量高、切片成品率高、切片消耗低等優(yōu)點(diǎn)，因而目前逐漸開始在光伏硅片切割中得到應(yīng)用。但是硅塊通過(guò)金剛線切割成片后會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的硅屑，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每切割一噸硅塊會(huì)有約35～45%的硅屑產(chǎn)生，切割產(chǎn)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(duì)土壤、水資源、空氣等環(huán)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(yè)原料廣泛應(yīng)用于耐火材料、粉末冶金、有機(jī)硅化工、單晶硅仔料、工業(yè)還原劑等領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用領(lǐng)域。如果將金剛線切割硅片產(chǎn)生的硅粉廢棄物進(jìn)行處理制備成金屬硅，則既能避免環(huán)境污染，又創(chuàng)造了價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)資源綜合利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提供一種從金剛線切割硅片產(chǎn)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(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

設(shè)計(jì)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(yīng)36～48小時(shí)，將所得料漿在斜管中進(jìn)行沉降濃縮10～20小時(shí)，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(jìn)行離心脫水處理，同時(shí)通入水對(duì)料漿進(jìn)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(jìn)行造粒，同時(shí)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(shí)，使其水分含量不大于0.04wt%；

（6）將步驟（5）所得顆粒進(jìn)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(yōu)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(jìn)行破碎，并進(jìn)行粒度篩分，使其破碎篩分至各工業(yè)領(lǐng)域所需粒度范圍。

在上述技術(shù)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(yīng)，并使硅粉廢棄物中的金屬及金屬氧化物雜質(zhì)溶于水中。步驟（2）將反應(yīng)后的料漿先進(jìn)行沉降濃縮處理，再經(jīng)步驟（3）離心脫水將溶于水中的金屬及金屬氧化物雜質(zhì)除去，先沉降濃縮再進(jìn)行脫水可減少離心脫水的時(shí)間和降低離心脫水的能耗。步驟（3）離心脫水的同時(shí)進(jìn)行洗滌可將酸洗反應(yīng)后溶于水中的金屬及金屬氧化物充分除去，同時(shí)對(duì)硅粉的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。步驟（4）將步驟（3）所得硅粉進(jìn)行造粒，避免粒度細(xì)小的硅屑對(duì)熔煉造成影響。步驟（5）真空干燥可避免干燥時(shí)硅與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。步驟（6）通過(guò)冶煉，使硅發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)而進(jìn)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(jìn)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(duì)冶煉的安全性和穩(wěn)定性提供保障。步驟（7）對(duì)冶煉的硅塊進(jìn)行破碎和篩分處理，使其粒度滿足金屬硅工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域粒度需求。

優(yōu)選的，步驟（1）及步驟（3）所述水為去離子水，其電導(dǎo)率為0.1～0.5μs/cm。

優(yōu)選地，步驟（1）在酸洗釜中進(jìn)行，其材質(zhì)為316L不銹鋼。

優(yōu)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(yōu)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(yōu)選的，步驟（3）中所述離心轉(zhuǎn)速為4000～5000轉(zhuǎn)/分，所述洗滌的次數(shù)為5～10次，所述通入水的流速為0.5～1米/秒。

優(yōu)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(yōu)選的，步驟（6）中所述冶煉中所用的冶煉爐功率為12000KVA；更優(yōu)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(jìn)行；所述冶煉采用直流電加熱。

本發(fā)明的積極有益效果在于：

本發(fā)明提供了從金剛線切割硅片產(chǎn)生的硅粉廢棄物中制備金屬硅的方法，避免硅粉廢棄物對(duì)土壤、水資源、空氣等環(huán)境造成危害，并能實(shí)現(xiàn)硅粉廢棄物的資源綜合利用；該方法操作性強(qiáng)，應(yīng)用價(jià)值高，非常適用于工業(yè)化推廣。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但以下實(shí)施例只是用來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，并不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

按照下列步驟從金剛線切割硅片產(chǎn)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(dǎo)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(zhì)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(yīng)40小時(shí)；將所得料漿在斜管中進(jìn)行沉降濃縮15小時(shí)，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(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/分的離心機(jī)中進(jìn)行離心脫水處理，同時(shí)向離心機(jī)中通入流速為0.6米/秒、電導(dǎo)率為0.2μs/cm的去離子水對(duì)離心機(jī)內(nèi)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(jī)中造粒，造粒時(shí)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(jī)中干燥15小時(shí)，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(jìn)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(jī)中進(jìn)行破碎并在振動(dòng)篩中進(jìn)行粒度篩分，使其破碎篩分至各工業(yè)領(lǐng)域所需粒度范圍。

實(shí)施例2：

按與實(shí)施例1相同的方法從金剛線切割硅片產(chǎn)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(dǎo)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(zhì)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(yīng)48小時(shí)；步驟（3）沉降濃縮時(shí)間為20小時(shí)，底部漿液的固含量為70%；步驟（4）離心機(jī)轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分，通入去離子水的電導(dǎo)率為0.5μs/cm，其流速為1米/秒；步驟（5）造粒時(shí)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(jī)時(shí)間24小時(shí)；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(shí)施例3：

按與實(shí)施例1相同的方法從金剛線切割硅片產(chǎn)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(dǎo)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?jǐn)?shù)97%的硝酸并攪拌反應(yīng)36小時(shí)，沉降濃縮時(shí)間為10小時(shí)，底部料漿的固含量為50%；步驟（3）離心機(jī)轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分，通入去離子水的電導(dǎo)率為0.1μs/cm，其流速為0.5米/秒；步驟（4）造粒時(shí)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(jī)時(shí)間12小時(shí)；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(shí)施例4：

按與實(shí)施例1相同的方法從金剛線切割硅片產(chǎn)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(shí)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(shí)施例5：

按與實(shí)施例4相同的方法從金剛線切割硅片產(chǎn)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(shí)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(shí)施例6：

按與實(shí)施例4相同的方法從金剛線切割硅片產(chǎn)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(shí)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(jīng)過(guò)本發(fā)明實(shí)施例1～6方法從金剛線切割硅片產(chǎn)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(duì)硅純度的使用要求，滿足金屬硅的純度要求，實(shí)現(xiàn)硅粉廢棄物的資源綜合利用，避免污染環(huán)境。真空干燥可避免干燥時(shí)硅與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。離心脫水的同時(shí)進(jìn)行洗滌可將酸洗反應(yīng)后溶于水中的金屬及金屬氧化物充分除去，同時(shí)對(duì)硅粉的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。冶煉后對(duì)硅塊進(jìn)行破碎和篩分處理，使其滿足金屬硅工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ挥昧６鹊男枨?，非常適用于工業(yè)化應(yīng)用。

另外，先沉降濃縮再進(jìn)行離心脫水可降低離心機(jī)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(jìn)一步降低硅冶煉的能耗，從而降低生產(chǎn)成本，而埋弧和直流電加熱的使用可以對(duì)冶煉的安全性和穩(wěn)定性提供保障。

以上實(shí)施例中所涉及的儀器設(shè)備如無(wú)特別說(shuō)明，均為常規(guī)儀器設(shè)備；所涉及的工業(yè)原料如無(wú)特別說(shuō)明，均為市售常規(guī)工業(yè)原料。

上面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下，還可以對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)具體參數(shù)進(jìn)行變更，形成多個(gè)具體的實(shí)施例，均為本發(fā)明的常見(jiàn)變化范圍，在此不再一一詳述。