切割刃料碳化硅的再生处理工艺研究

李森，王杰，张赛

（1.开封万盛新材料有限公司，河南开封475000；2.河南新大新材料股份有限公司，河南开封475000）

太阳能晶硅片切割砂浆在硅片切割过程中，随着切割进程的进行，切割砂浆的使用性能会逐渐下降，导致切割效率逐渐降低直至无法继续使用，造成大量切割废砂浆的产生[1]。该废砂浆已经成为一种工业危险废弃物，需要进行特殊的无害化处理，避免对生态环境造成破坏。

在废砂浆中切割刃料碳化硅是其中的主要组成部分，成分占到废砂浆质量的65%～75%，切割刃料碳化硅呈六方晶体形状，硬度高、切削能力较强、机械强度高、化学性质稳定、导热性能好[2]。碳化硅的莫氏硬度为9.2，其硬度高于刚玉而仅次于金刚石、立方氮化硼和碳化硼，广泛应用于晶硅片切割领域。经过硅片切割后，碳化硅中引入了硅粉以及切割钢线磨损引入的铁屑等杂质，而切割刃料碳化硅本身在切割过程中并没有遭到本质的损坏，仅仅是经过切割磨损，部分碳化硅粉体颗粒的粒度发生了一定程度的变化。因此如果能够采用一定方法，将晶硅片切割砂浆中的切割刃料碳化硅进行再生处理，去除碳化硅中的硅粉及铁屑等杂质，并将其粒度重新分级，则回收处理后的碳化硅可以重新应用到晶硅片切割行业中使用[3]。这样既处理了工业危险废弃废砂浆，避免其危害生态环境，又变废为宝，将其资源化处理且回收得到的切割刃料碳化硅，可以重新应用于硅片切割，并取得可观的经济效益，推动了资源再利用和循环经济的发展。

1 碳化硅的再生工艺

废砂浆中碳化硅的再生处理工艺采用化学反应除杂处理以及水力沉降粒度分级的方法进行[4，5]。其回收工艺主要包括，将废砂浆固液分离得到的砂饼先进行加酸化学处理，除去碳化硅中的铁及其氧化物，包括其他金属等杂质，然后再向其中进行加碱化学处理，除去碳化硅中的硅及其氧化物杂质。经过以上化学处理，碳化硅中的杂质基本得到去除。再将其在虹吸缸中进行水力沉降，依据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过沉降分层而分级。分级过的碳化硅纯度及粒度均得到有效的处理，再依据切割需要，进行pH值调节至碳化硅呈中性。然后将碳化硅进行脱水并干燥，脱去碳化硅中的水分，从而得到碳化硅粉体。将得到的碳化硅粉体根据市场需要进行配料，得到碳化硅成品，从而形成不同规格的产品，满足市场对产品不同型号的需求。其主要工艺流程如图1所示。

1.1 酸洗

检测料饼中的铁及其氧化物等金属杂质的含量，并根据检测结果向碳化硅料饼的料浆中添加一定量的硫酸，通过硫酸与金属杂质发生化学反应，从而将该杂质除去，使得碳化硅料饼得以提纯。反应式：

硫酸添加量要保证能够完全除去碳化硅料饼中的铁及其氧化物等金属杂质。酸洗过程应注意搅拌，使得碳化硅料浆与加入的硫酸能够充分接触，从而保证酸洗除杂的效率。

1.2 碱洗

将酸洗除杂后的碳化硅料浆再依据料饼检测出的硅及其氧化物的含量，加入一定量的氢氧化钠，通过氢氧化钠与硅及其氧化物发生化学反应，从而将该杂质除去，从而达到对碳化硅提纯的目的。反应式：

氢氧化钠的添加量要保证碳化硅中的硅及其氧化物能够完全反应除去，加碱采用分次投加的方式进行，以避免反应剧烈产生大量的热量对生产安全性造成影响。加碱后对碳化硅料浆进行搅拌，保证反应的充分进行。

1.3 水力分级

酸洗及碱洗除杂后的碳化硅通入虹吸缸中，在水力作用下，使提纯后的碳化硅充分分散开并进行沉降，在不同的时间段，将沉降分层后的碳化硅取出，使得碳化硅通过水力沉降得到分级。

1.4 pH值调节

根据水力分级后碳化硅的pH值检测情况，向分级后的碳化硅中加入一定量盐酸、硝酸等添加剂，将pH值调节至中性，使其满足太阳能晶硅片切割使用的要求。

1.5 干燥

将pH值调节好的碳化硅料浆通过离心、压滤或斜管沉降等方式进行浓缩，浓缩后的碳化硅在盘式干燥机中通过蒸汽加热的方式，进行充分的干燥，最终得到碳化硅粉体。

1.6 配料

根据市场需求，对干燥后的碳化硅粉体进行配料，形成不同型号的碳化硅产品，满足太阳能晶硅片切割的使用需求。

太阳能晶硅片切割废砂浆通过以上碳化硅再生处理过程后，砂浆中的碳化硅得到回收利用，各项理化指标均达到使用要求，其主要性能指标如表1所示。

表1 切割刃料碳化硅回收处理后性能指标

2 影响因素

废砂浆中碳化硅的品质包括废砂浆中碳化硅含量的多少和颗粒的形貌，将直接影响再生处理后的碳化硅的品质，尤其是产品的产出率和颗粒的切割效率。

碳化硅再生过程中，由废砂浆引入的残存有机物聚乙二醇的存在，对碳化硅的水力沉降分级造成一定的影响。它使得碳化硅颗粒易于团聚造成颗粒分散性变差，进而影响颗粒的沉降性和粒度分级[6]。这就要求废砂浆固液分离更彻底，减少碳化硅料饼中的有机物含量，从而将其影响降到最低。

3 结论

采用化学反应除杂和水力沉降粒度重新分级的方法，对废砂浆中的碳化硅进行再生处理，保证再生处理的碳化硅纯度和粒度等指标达标。

经过本处理工艺，切割刃料碳化硅得到再生处理，并且得到的产品各项性能指标较好，可作为再生切割刃料应用于硅片切割行业，完全满足工业使用要求。

工业危险废弃物废砂浆得到资源化利用，避免其污染环境，又将其变废为宝，达到资源再生和循环利用的目的，实现了社会效益、环境效益和经济效益的有机统一和协调发展。

[1]邢鹏飞，郭菁，刘燕，等.单晶硅和多晶硅切割废料浆的回收[J].材料与冶金学报，2010，9(2)：148-153.

[2]刘桂玲，黄政仁，陈健，等.碳化硅陶瓷密度对光学镜面加工质量的影响[J].稀有金属材料与工程，2008(1)：334-336.

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

[4]许芳芳，胡仰栋，伍联营.水力溢流分级机内碳化硅微粉体积分率时空分布的模拟[J].计算机与应用化学，2011(5)：557-561.

[5]陈玮，刘新红，李晋峰，等.小颗粒对粒度分析结果的影响[J].中国粉体技术，2005(4)：227-229.

[6]郭兴忠，杨辉，朱潇怡，等.水基SiC料浆的分散稳定机制及喷雾造粒[J].硅酸盐学报，2008(5)：642-647.