我国金刚石绳锯和线锯工具快速发展

郑 超

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004)

1 发展态势

近年来，我国金刚石绳锯企业，大力发展规模化生产，产量和产值大幅度提高，粗略估计，2018年全国绳锯产量达300万米以上，接近世界总需求量的三分之二。桂林特邦新材料公司、长沙百川超硬材料工具公司和福州天石源超硬材料工具公司为国内三大生产企业，单是天石源一家年产量就达170万米，年产值达3.4亿元。此外，绳锯产品质量大大提高，生产的产品除矿山开采需要的大直径绳锯之外，大量生产的是供多组锯切割板材所需的7.2、6.2mm小直径串珠绳锯。更为可喜的是国内多家企业利用我国机械制造的优势，向世界二十多个国家出口石材矿山开采绳锯机和部分大型组锯机。估计绳锯机出口至少3500台，这是我国超硬材料行业最为成功的设备出口，虽然不算是“大国重器”，但作为我国战略性新兴产业中一个名不见经传的金刚石绳锯行业，在短短的二十几年间，不但在我国的经济发展中发挥重要作用，还为“一带一路”沿线国家的石材矿山开采和经济发展做出了卓越的贡献。[1]图1所示为天石源公司的出口绳锯机和多线组锯机整装待发。图2为桂林特邦公司出口的绳锯机。

最近几年，金刚石线锯产业更是迅猛发展，由于国内光伏行业对上千台进口的游离式切割机改造成功，获得技术上突破，在单晶硅和多晶硅的切片、截断和开方工序上大量使用金刚石线切割，使得需求量大增，2017～2018年“531”政策之前，虽然有三家大公司供货，仍然供不应求，从而促使线锯行业迅猛发展，长沙岱勒新材料公司、南京三超金刚石工具公司和杨凌美畅新材料股份有限公司是国内线锯生产大家，年产量超1000万千米以上，最大达2500万千米，一跃而为世界线锯生产大国。而且，在线径方面正在研制超细的0.06mm线锯用于硅晶的切片加工，进一步节省了材料消耗，降低了成本，促进了光伏产品平价上网。有关部门宣布2019第一批光伏发电平价上网项目名单已定，其中，光伏发电平价项目14.78GW，有大约4.8GW预计在2019年内投产并网，自此光伏平价上网时代正式开启，这是光伏企业大量应用金刚石线技术致使晶片加工成本大幅度降低的结果。最新消息，华钰新材料科技(天津)有限公司在广西荔浦筹建金刚石线生产基地，计划投资1亿元，建设100条生产线，年产值2亿元。可想而知，今后市场竞争将很激烈，每米线价己经降到几角钱。2019年5月，有关部门在南京联合举办了2019中国金刚石线切产业链研讨会，盛况空前，足见国家和社会对金刚石线技术发展的关注度大大提高。

图1 天石源公司出口绳锯机和多线组锯机整装待发Fig.1 Exported Wire Saw Machine and Multi-wire Saw Machine from Skystone Company

图2 桂林特邦公司出口的绳锯机Fig.2 Rope saw exported by Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

2014年中国科学院福建物构所最先使用TXJ-1000型环形金刚石线切割机用于大型KDP激光晶体的切割加工，切割效率比带锯机提高5倍，切面平整，不崩边，为国防军工作出一定贡献，至今，仍在正常生产使用。2016年天瑞线锯科技公司的线锯截断机开始批量投入国内市场，至2019年年中有100多台设备分布在江苏、内蒙、甘肃、新疆等十几个省市的光伏企业生产使用，充分显示线速度快，40～60m/s，切割效率高，设备结构简单等优势，深受用户青睐。目前公司仍在不断开发研制各种不同结构的线锯机用于其它半导体晶体、蓝宝石、靶材、功能陶瓷和宝玉石等更多市场的切割应用。

2 提高金刚石绳锯自动化智能化生产水平

金刚石绳锯生产工艺过程十分复杂，其中如装模拆模工序纯系手工操作，劳动强度大，近距离接触粉末对健康不利。笔者从1990年开始接触绳锯，并到意大利参观维诺那展会后就开始研究串珠的冷压设备，曾在上海的一次展览会上与德国飞羽公司工程师交流过，他们的设计思路只是将冶金粉末和金刚石混合后压制成环状胎体，而我们却想连珠芯放在一起冷压成型。与工程师们一起，经过十多年的艰苦努力，反复修改，靠自主创新制造出一批又一批全自动串珠冷压机，将偌大的一个车间装满了，操作工人却减少许多，一个人足可管理8台设备，只要将料倒满，就等着接压制好的串珠装盘，以转到下一道工序，就连压制过程超标的串珠也能自动检拣出来，而且该机适于各种不同大小结构串珠，连最小的6.2mm串珠也能生产。桂林特邦超硬材料公司的串珠自动化生产线也达到了相当高水平,可以日产10万粒。国内绳锯生产企业通过坚持不懈地努力,使我国串珠生产跃上世界先进水平。图3所示为天石源公司串珠自动化生产车间。图4所示为桂林特邦超硬材料公司的串珠自动化和烧结车间。

图3 天石源公司串珠自动化生产车间Fig.3 Bead automatic production workshop of Skystone Company

图4 桂林特邦公司的串珠自动化和烧结车间Fig.4 Bead automation and sintering workshop of Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

串珠烧结工序中的装模和拆模劳动强度大，效率低，天石源公司技术人员经多年反复试验修改，基本上实现了在模框上自动装碳模和串珠并压紧。下一步将实现输送带或机械手送模框进入炉子烧结，取出后由输送带送往冷却并拆模。近期将完成烧结工序的自动化智能化技术改造创新。其它如绳锯的产量大，相应的注塑注胶工序的生产量也非常大，因此从规模化设备的改进和工艺技术的创新仍然要下功夫不断革新，提高智能化水平。做到一人管理两台或三台设备，则生产能力才能跃上先进水平。总之，国内金刚石绳锯生产企业在规模化自动化生产水平上均有很大进步，但是仍有不足，有待继续努力，攀登高峰，向超硬材料工具强国迈进。

3 金刚石线切割设备国产化

随着中国光伏产业迅速崛起，国外几家多线切割设备厂家的生产能力远远不能满足中国硅片加工需求，于是国内很多设备制造企业纷纷开始研制太阳能硅晶片的切割设备。最早投入多线切割机开发的应该是上海日进公司，该公司引进日本技术，推出类似 MWM442D的样机，切割试验结果良好，几经改进，已批量推向市场，该公司同时还生产截断机和开方机等晶体切割设备，图5所示即为该公司在上海光伏展会展示的开方机。国内陆续推出多线切片机的厂家还有上海汉虹、电子集团45所、兰州瑞德、无锡开源、大连连城、北京京联发、湖南宇晶和青岛高测等。青岛高测除切片机、截断机之外，还推出自主创新的单晶硅卧式开方机，深受欢迎，占领了一大半单晶硅开方市场。

图5 上海日进公司展出的多晶硅开方机 Fig.5 Polycrystalline silicon square opener exhibited by Shanghai Rijin Company

最近几年，虽然大部分进口的游离式线切割机经改造之后，采用国产金刚石线进行硅晶的切片生产。但是经几年的零部件消耗，设备不堪重负，无法正常运转，仍需依靠国产多片切机和开方机予以替代，才能保证光伏产品上游切割工序生产的正常进行。湖南宇晶研制多线切割机经过几年的实验和改进后，在国内已经销售了几十台多线切割机，取得了长足的进步，该公司也在开发适应太阳能硅片切割的多线切割机。总之，近期我国金刚石线切割设备的国产化水平已获得大大提高(图6)。

图6 青岛高测公司的GC-700多线硅晶切片机Fig.6 GC-700 Multi-wire Silicon Chipper of Qingdao High-speed Measurement Company

目前全球的多线切割设备市场仍然主要为瑞士的HCT、Meyer Burger(梅耶博格)和日本的NTC，在国内光伏行业切片领域中仍占统治地位，国产设备若要赶上，仍有很长的路要走。

4 环形金刚石线的独特优势

相比于金刚石长线锯，环形金刚石线锯具有独特优势，单晶硅多晶硅属于硬脆材料，以往使用金刚石锯片、带锯和内圆锯片切割，锯缝宽，切面不平整，易造成磞边。而长线锯，需在两个卷筒之间正反旋转，往复切割，线速度受到一定限制，并且机构复杂，同步控制系统、排线系统设计难度大，造价高。相对而言，环线切割机结构简单，切割线单向运动，线速度可达40～60m/s，切割效率高，性价比高，十分适合国内光伏行业上游硅晶截断开方加工厂和半导体晶片代工厂使用。中国的能源革命中，太阳能利用是重中之重，而在当前的激烈竞争中，降低加工成本是关键，是当前光伏产品平价上网的重要手段。桂林矿产地质研究院和福州天瑞线锯科技公司从事环形金刚石线及其切割机的开发研究，更大范围地服务于IC行业单晶硅切割加工和太阳能电池用多晶硅单晶硅的截断和开方加工等方面。福州天瑞公司经过多年对环形金刚石线锯技术的探索和经验积淀，在2014年研制成功TXJ-1000型KDP晶体切割机基础上，2016年重点转向单晶硅多晶硅截断机和开方机的研制，第一台PTM200多晶硅截断机于2016年年底首先在浙江某代工厂试用成功，至今已售出100多台，见图7所示，陆续投放市场的还有PTM350/3多晶硅三工位截断机、MTM250单晶硅截断机、MCM300单晶硅籽晶切割机、MCM400单晶硅靶材切割机和单晶硅卧式开方机，等等。[4]图8所示为桂林特邦公司环形金刚石线锯机。

图7 PTM200截断机Fig.7 PTM200 truncator

图8 桂林特邦公司环形金刚石线锯机Fig.8 Ring Diamond Wire Saw Machine of Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

综上所述，我国的环形金刚石线技术日趋成熟，开始成功地应用于人工晶体、太阳能光伏晶体、半导体单晶硅的切割加工，跨入该项技术的世界先进行列，并引领在光伏制造上游加工链中的广泛应用，进一步提高了产业的加工水平。事实说明，除了多片切割之外的其它切割工序均可采用环形金刚石线切割机。今后，还有更多的切割设备有待去开发研制。环形金刚石线锯技术的成功应用也是我国超硬材料工具行业开发出的一项创新成果，相信今后会有更大的拓展空间。

5 建议

(1)协会领导应组织一个协调交流会，取长补短，开发设计出一整套更加先进，更为完善的金刚石绳锯自动化生产线，让全行业共享，并组织海外建厂。

(2)协会应组织制定矿山开采绳锯机和多组锯机标准，统一规格和性能参数，以及出厂检验标准，不断提高产品质量，创造中国名牌。

(3)国产金刚石线多片切割机的性能和制造质量与国外先进设备还有相当大的差距，协会应组织全国的技术力量，努力攻关。

部分数据未能核实，敬请谅解。