CN106006645A - 利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冶炼碳化硅结晶块的生产加工工艺，具体涉及一种利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法。该方法包括以下步骤：1】称取切割废料，并通过化学分析测定切割废料中各成分的含量；2】计算切割废料完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W；3】配置胶粘剂溶液；4】将切割废料、胶粘剂溶液和碳质材料混合后，搅拌均匀制成混合物料；5】将混合物料经过造粒设备造粒成型得到废料微粉颗粒；6】将废料微粉颗粒与石英砂和焦炭混合物一起进行冶炼。本发明解决了以晶体硅微粉和二氧化硅微粉含量较高的切割废料作为原料生产碳化硅结晶块时存在的生产安全性差、产品合格率低的技术问题。

Description

利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法

技术领域

本发明涉及一种冶炼碳化硅结晶块的生产加工工艺，具体涉及一种利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法。

背景技术

在太阳能晶片的切割过程中会产生大量的切割废料。当采用绿碳化硅切割刃料在太阳能晶体硅棒上切割晶片时，产生的废料成分主要包括：磨损产生的的废绿碳化硅切割刃料细粉(约占废料总量的20-60％)、被切割下来的晶体硅微粉(约占废料总量的35-75％，其中部分晶体硅微粉被氧化生成二氧化硅微粉)、其余还有水、有机残余料、氧化铁以及其它杂质。

近几年来，随着切割技术的进步和在线回收技术的提高，切割废料中的废弃绿碳化硅切割刃料细粉和其他废料(例如水、有机残余料)的成分比例越来越少，而晶体硅微粉与二氧化硅微粉所占比例在不断地增大。现有的生产加工企业大多采用离心设备对切割废料进行处理，将大部分晶体硅微粉与二氧化硅微粉直接甩掉，从而获得含有80-90％的废绿碳化硅切割刃料细粉的切割废料，然后再将这种切割废料进行化学处理，得到纯度较高的废绿碳化硅切割刃料细粉以便回收利用。这种将晶体硅微粉与二氧化硅微粉抛弃的工艺造成了大量的资源和能源的浪费，并且污染了环境。这是因为晶体硅微粉是从纯度非常高的单晶硅、多晶硅上切割下来的粉体，在制造单晶硅、多晶硅的过程中需要将石英石分解、提纯及化学处理，因此需要消耗大量的能源和资源。

发明专利CN102491330B公开了一种以废弃的碳化硅细粉为原料进行碳化硅晶体加工的工艺，该发明工艺得以实现的前提之一是原料中不含有或者仅含有少量的晶体硅微粉和二氧化硅微粉。随着切割废料中晶体硅微粉与二氧化硅微粉百分含量的不断增加，生产难度也在不断地增大。具体而言，若切割废料中的晶体硅微粉和二氧化硅微粉所占的比例大于10％，在碳化硅冶炼炉内的温度达到1420℃时，碳化硅颗粒中的晶体硅微粉与二氧化硅微粉就会开始熔化，碳化硅颗粒就会变软并产生形变；若切割废料中的晶体硅微粉与二氧化硅微粉所占的比例大于20％，在炉内的温度达到1420℃时，碳化硅颗粒中就会有晶体硅熔液与二氧化硅熔液的混合液流出(超细的二氧化硅微粉与晶体硅微粉极易熔化)，在重力的作用下，碳化硅颗粒中流出的晶体硅熔液与二氧化硅熔液的混合液都流向冶炼炉的下部，造成了冶炼炉上下部位的物料不均匀，降低了冶炼炉下部的排气性，破坏了温度场的平衡，此时的碳化硅冶炼炉极易发生喷炉，造成严重的生产事故。除此之外，该方法中的切割废料和碳质材料增加量是单独加入冶炼炉中的，这样便很难做到对不同批次的切割废料均准确地计算并加入碳质材料增加量，因此生产的产品极易出现偏硅或者偏碳的现象，以致于造成整炉的产品不合格。

发明内容

为了解决以晶体硅微粉和二氧化硅微粉含量较高的切割废料作为原料生产碳化硅结晶块时存在的生产安全性差、产品合格率低的技术问题，本发明提供一种利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法。

本发明的技术解决方案是：一种利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】称取切割废料，并通过化学分析测定切割废料中各成分的含量；所述切割废料中含有碳化硅细粉、晶体硅微粉和二氧化硅微粉；

2】根据步骤1】测定的切割废料的成分计算切割废料完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W：

2.1】按照化学方程式Si+C＝SiC计算混合废料中的晶体硅微粉完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W₁；

2.2】按照化学方程式SiO₂+3C＝SiC+2CO计算混合废料中的二氧化硅微粉完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W₂；

2.3】混合废料完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量为W＝W₁+W₂；

3】配置胶粘剂溶液；

4】将步骤1】中经过化学分析测定成分后的切割废料与步骤3】中配置的胶粘剂溶液按照2-10:1的质量比混合，再加入质量为0-1.2W的碳质材料后，搅拌均匀制成混合物料；

5】将步骤4】得到的混合物料经过造粒设备造粒成型，得到平均粒径为1.5-100mm的废料微粉颗粒后烘干备用；

6】将步骤5】得到的废料微粉颗粒与石英砂和焦炭混合物加入冶炼炉中的分解区和/或反应区进行冶炼，制成碳化硅结晶块；其中，废料微粉颗粒占总物料的质量分数为5-95％。

上述步骤1】包括以下步骤：

1.1】将切割废料加水搅拌成糊状，然后进行除铁处理；

1.2】将经过除铁处理后的切割废料放入离心设备中进行离心处理后得到两部分废料；一部分为富含碳化硅细粉的高碳化硅废料，另一部分为富含晶体硅微粉和二氧化硅微粉的高晶体硅废料；

1.3】对高碳化硅废料和高晶体硅废料进行化学分析测定成分含量后，再分别执行步骤2】至步骤6】。

上述步骤1】中的切割废料还含有绿碳化硅切割刃料制作过程中产生的不合格的加工废料。

上述步骤2】中的碳质材料为焦炭粉、兰炭或者优质煤粉。

上述步骤3】中的胶粘剂溶液是将胶粘剂与溶剂按照1：1-10的体积比进行混合并溶解得到的；所述胶粘剂为硅质胶粘剂或者碳质胶粘剂；所述溶剂为水或者有机溶剂。

上述胶粘剂溶液中还含有质量分数为0-40％的反应补偿材料；当胶粘剂是硅质胶粘剂时，反应补偿材料为碳质材料；当胶粘剂是碳质胶粘剂时，反应补偿材料为硅质材料。

上述硅质胶粘剂为硅溶胶或者硅酸钠；所述碳质胶粘剂为纤维素胶、淀粉糊、丙烯酸乳液、沥青、动物胶或者植物胶。

上述步骤4】中的碳质材料的加入质量为W；所制成的混合物料中还包括质量分数为0-10％的排杂剂。

上述步骤5】中的废料微粉颗粒的平均粒径为10-50mm。

上述步骤6】中的废料微粉颗粒占总物料的质量分数为30-60％。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过将切割废料(由碳化硅细粉和晶体硅微粉以及二氧化硅微粉组成的混合废料)预先与碳质材料按照化学反应的比例进行混合，加入胶粘剂后造粒得到废料微粉颗粒，然后再将废料微粉颗粒置于冶炼炉中加工生产碳化硅晶体。由于废料微粉颗粒中的晶体硅微粉及二氧化硅微粉能够与碳质材料充分接触，因此当晶体硅微粉与二氧化硅微粉在碳化硅冶炼炉内熔化成熔液后，就被吸附在碳质材料的表面，不会向冶炼炉的下部流动，有效地保障了物料的均匀、排气性的畅通、温度场的平衡，能够使生产稳定进行，极大地降低了发生事故的可能性。

(2)晶体硅微粉与二氧化硅微粉熔化成熔液并吸附在碳质材料表面后，由于接触面很大，随着温度上升，就开始在接触面上生成碳化硅，随着温度的升高，接触面上生成碳化硅的速度加快，当温度达到1800℃之前，大部分晶体硅微粉和二氧化硅微粉的熔液都与碳质材料反应生成了碳化硅，有效地缩短了冶炼时间，减少了能耗。

(3)晶体硅微粉的活性较大，又由于晶体硅微粉和二氧化硅微粉与碳质材料充分混合后的接触面积大，因此废料微粉颗粒可以加工制作成比较大的颗粒块，比较大的废料微粉颗粒在冶炼时也不会延长冶炼时间，但却能够有效地提高废料微粉颗粒的加工制作生产效率，降低生产成本，同时提高了冶炼炉内的透气性，加快了热能的传导，降低了能耗。

(4)预制的废料微粉颗粒中的晶体硅微粉和二氧化硅微粉与需要反应生成碳化硅的碳质材料的配比是固定的，因此，废料微粉颗粒中的各种物料在生成碳化硅时，在废料微粉颗粒以外供给物料也是固定的，这样在装炉时石英砂与碳质材料的装炉比例是稳定的，避免了偏硅、偏碳的情况出现。

(5)由于在废料微粉颗粒中的晶体硅微粉和二氧化硅微粉与需要反应生成碳化硅的碳质材料是固定的，因此制作每一批废料微粉颗粒的废料，经化学分析后，就能得到各种成分所占的比例，由此就可以算出需要加入的碳质材料的添加量，从而制作出废料微粉颗粒；这样每一批废料无论批次的大小多少都可以直接独立制作成废料微粉颗粒，极大地简化了制作废料微粉颗粒的生产工艺。

(6)废料微粉颗粒在与石英砂、碳质材料的混合物混合后添加至碳化硅冶炼炉内进行冶炼时能够保持非常好的透气性，从而有利于炉内的气流和热量的传导，并且缩短了冶炼碳化硅的周期。

具体实施方式

本发明提供了一种碳化硅生产工艺，主要解决了在太阳能晶片切割过程中产生的碳化硅细粉和晶体硅微粉以及二氧化硅微粉的混合废料回炉重新冶炼成为碳化硅结晶块的技术问题，该方法不仅包括在碳化硅冶炼炉内加入石英砂与碳质材料(如焦炭粉、兰炭、优质煤)的步骤，同时还包括在碳化硅冶炼前在碳化硅冶炼炉内的分解区、反应区里混合加入由碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料与碳质材料(如焦炭粉、兰炭、优质煤)制备成的一定尺寸大小的废料微粉颗粒的步骤。

由废料微粉颗粒与石英砂和碳质材料的混合物是按照5～95∶95～5质量比例添加入碳化硅冶炼炉里进行冶炼的，尤其采用30～60∶70～40的比例效果更佳。

由碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料与碳质材料制备成的废料微粉颗粒的平均粒径是1.5～100mm，优选10～50mm。

废料微粉颗粒与石英砂和碳质材料的混合量以及废料微粉颗粒粒径的大小，主要取决于碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废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较大时，废料微粉颗粒可以制作的大些，并且添加量也可以相对多些。

由碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料与碳质材料(如焦炭粉、兰炭、优质煤)制备成的废料微粉颗粒的制备方法是：

1)、选取碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料；

1.1)、所述的混合废料包含有采用绿碳化硅切割刃料在对太阳能晶片切割过程中产生的磨损过的、废弃的绿碳化硅切割刃料的碳化硅细粉和绿碳化硅切割刃料在切割太阳能晶片时从太阳能晶体硅上面切割下来的晶体硅细粉以及二氧化硅微粉；有时也加入在生产过程中剔除的不合格的碳化硅细粉；

1.2)、所述的晶体硅细粉中还包含有在绿碳化硅切割刃料制作过程中产生的不合格的加工废料；

1.3)、所述的混合废料需经化学分析测定出其中的碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅以及杂质的百分比含量；

2)、选取碳质材料(如焦炭粉、兰炭、优质煤)；

2.1)、所述的碳质材料是与混合废料中的晶体硅微粉、二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶所需的碳质材料；

2.2)、按照混合废料经化学分析测定出的晶体硅微粉的百分比含量，并用公式：

Si+C＝SiC

计算出与晶体硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值；

2.3)、按照混合废料经化学分析测定出的二氧化硅微粉的百分比含量，并用公式：

SiO₂+3C＝SiC+2CO

计算出与二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值；

2.4)、由于碳质材料里含有固定炭、水、挥发分、灰分、硫，而与晶体硅微粉、二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶的只能是固定炭，因此，需要测定碳质材料里的固定炭、水、挥发分、灰分、硫所占的百分比含量，再通过与晶体硅微粉、二氧化硅微粉二者反应生成碳化硅结晶所需的固定炭而计算出所需的总的碳质材料的标准加入量W；

2.5)、当用含量较高的晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料制作微粉颗粒时，可以加大碳质材料的投放比例，以便防止冶炼时晶体硅微粉、二氧化硅微粉熔化后流动；当用含量较高的碳化硅细粉的混合废料制作微粉颗粒时，可以减小碳质材料的投放比例或者不加入碳质材料，以便减少工艺步骤。碳质材料的加入量是根据碳化硅微粉和晶体硅微粉的混合废料中晶体硅微粉及氧化了的晶体硅微粉的含量通过化学反应的摩尔比计算出标准加入量W，而实际加入量是按照0≤实际加入量≤(W+W×20％)加入制作废料微粉颗粒的。在生产中最优的碳质材料的加入量是在按照实际加入量等于标准加入量加入时为最优，即实际加入量等于W时为最优加入量。

2.6)、当使用碳质材料的实际加入量大于或小于标准加入量制作废料微粉颗粒加入到冶炼炉时，相应的要在冶炼炉内加入的石英砂和碳质材料的混合物中减少或增加对应废料微粉颗粒实际加入量大于或小于比例的碳质材料，达到物料平衡。

3)、配置胶粘剂溶液；

3.1)、胶粘剂溶液是由胶粘剂与溶剂按照体积比为1∶1～1∶10混合而成的硅质胶粘剂溶液或碳质胶粘剂溶液，胶粘剂是硅质胶粘剂或碳质胶粘剂；溶剂是水或有机溶剂；

3.2)、当采用所述的硅质胶粘剂溶液时，硅质胶粘剂是含有Si元素、H元素以及O元素的胶粘剂，例如硅溶胶或者硅酸钠等；

3.3)、当采用所述的碳质胶粘剂溶液时，碳质胶粘剂是含有C元素和H元素或含有C元素、H元素以及O元素的胶粘剂，例如各种纤维素胶、淀粉糊、丙烯酸乳液、沥青、动物胶或植物胶等；

3.4)、上述碳化硅生产工艺步骤3)中所述的胶粘剂溶液是一种胶粘剂或者是两种、两种以上胶粘剂搭配使用；

3.5)、所述的胶粘剂是用固体的溶质与溶液按重量比为1∶2～1∶20的比例将固体的溶质浸入溶液中，经过加温溶解和/或浸泡溶解制成浓度高的胶粘剂，例如使用各种纤维素、淀粉、聚丙烯酰胺、动物干胶或植物干胶等制成各种纤维素胶、淀粉糊、聚丙烯酰胺胶、、动物胶或植物胶等；

4)、反应补偿材料；

4.1)、胶粘剂在高温下分解，硅质胶粘剂分解成为硅质材料，需要碳质材料与其反应生成碳化硅，碳质材料是硅质胶粘剂的反应补偿材料；碳质胶粘剂分解成为碳质材料，需要硅质材料与其反应生成碳化硅，硅质材料是碳质胶粘剂的反应补偿材料；

4.2)、所述反应补偿材料是碳质材料的优选材料是石油焦细粉；所述反应补偿材料是硅质材料的优选材料是二氧化硅细粉；

4.3)、所述反应补偿材料的加入重量是胶粘剂溶液加入重量的0～40％；

5)、排杂剂

5.1)、氯化钠是用于排除碳化硅细粉和晶体硅微粉的混合废料以及碳质材料在加工中被杂质污染的排杂剂

5.2)、所述氯化钠的加入重量是碳化硅细粉和晶体硅微粉及氧化了的晶体硅微粉的混合废料加入重量的0～10％。

6)、制作混合物料及造粒；

6.1)、将步骤1)所得到的测定好的碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料与步骤3)所得到的配制好的胶粘剂溶液按照质量比10∶1～2∶1进行混合，再加入步骤2)所述的根据碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料计量而得到的碳质材料以及步骤4)所述的反应补偿材料和步骤5)中的排杂剂后制成混合物料；

6.2)、采用机械造粒设备对步骤4)所得到的混合物进行造粒成型，造粒成型的方式是搅拌均匀后由造粒设备造粒成型，最终所形成的废料微粉颗粒材料是平均粒径为1.5～100mm的颗粒。

本发明是以在太阳能晶片的切割过程中产生的废绿碳化硅切割刃料微粉和用碳化硅切割刃料将太阳能晶片切割下来的太阳能晶体硅微粉；有时加入少量的在生产过程中剔除的不合格的碳化硅微粉为原料，以硅溶胶等含Si、H、O元素的硅质胶粘剂或以淀粉胶等含C、H或C、H、O元素的碳质胶粘剂为粘料，采用机械造粒设备制备成1～100mm的颗粒，并把废料微粉颗粒与石英砂和碳质材料的混合物是按照质量比是5～95∶95～5添加入碳化硅冶炼炉里进行冶炼，制造成为新的碳化硅结晶块。

下面结合具体实施例对本发明的工艺步骤进行详细说明

实施例1

1)、选取一个批次的混合废料；

1.1)、所述的一个批次的混合废料其中包含碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉以及杂质，共计1000kg；

1.2)、用化学分析测定出其中的百分比含量是碳化硅细粉42.43％(424.3kg)、晶体硅微粉31.51％(315.1kg)、二氧化硅微粉15.84％(158.4kg)、氧化铁0.74％(7.4kg)、水及其他杂质(包含残余的有机杂质)9.48％(94.8kg)；

2)、选取焦炭粉；

2.1)、所述的焦炭粉是与混合废料中的晶体硅微粉、二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶所需的焦炭粉；

2.2)、按照混合废料经化学分析测定出的晶体硅微粉的百分比含量31.51％，并用公式：

Si+C＝SiC

计算出与315.1kg晶体硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值是135kg；

2.3)、按照混合废料经化学分析测定出的二氧化硅微粉的百分比含量15.84％，并用公式：

SiO₂+3C＝SiC+2CO

计算出与158.4kg二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值是95kg；

2.4)、由于焦炭粉里含有固定炭、水、挥发分及灰分，而与晶体硅微粉、二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶的只是固定炭，因此，需要经化学分析测定焦炭粉里的固定炭、水、挥发分、灰分所占的百分比含量，再通过晶体硅微粉、二氧化硅微粉二者反应生成碳化硅结晶所需的固定炭计算出所需的总的焦炭粉；选取的焦炭粉经化学分析测定焦炭粉里的固定炭89.36％、水0.97％、挥发分9.34％、灰分0.33％；晶体硅微粉、二氧化硅微粉所需的总的固定炭是二者之和：

135kg+95kg＝230kg

所需的总的焦炭粉是：

230kg÷89.36％＝257.39kg

3)、配置碳质胶粘剂溶液；

3.1)、选取羧甲基纤维素25kg，并将其全部浸入100kg温水里浸泡，直至羧甲基纤维素全部溶解，配制成碳质胶粘剂；

3.2)、将配制好的碳质胶粘剂与50kg温水混合配制成碳质胶粘剂溶液，另外准备好100kg温水备用(用于调整混合物料的软硬稠稀)；

4)、制作混合物料；

4.1)、将步骤1)所得到的测定好的碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料1000kg先经过电磁除铁设备进行除铁处理后，再与步骤3)所得到的配制好的175kg碳质胶粘剂溶液进行均匀混合；

4.2)、再加入步骤2)中的257.39kg焦炭粉进行均匀混合制成混合物料，混合物料的软硬稠稀是根据机械造粒设备的性能而确定的，而混合物料的软硬稠稀程度是用另外准备好的100kg温水(溶液)来调整的；

5)、采用机械造粒设备对步骤4)所得到的混合物进行造粒成型，造粒成型的废料微粉颗粒的直径为30mm，然后对造粒成型后的废料微粉颗粒进行烘干备用；

6)、按照步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)中获得的计算数据和工艺步骤，采用1000kg同批混合废料比257.39kg同批焦炭粉再比175kg碳质胶粘剂溶液；即1000：257.39：175的比例搭配，就可以完成该批次的全部废料微粉颗粒的制作；

7)、将石英砂和焦炭的混合物与废料微粉颗粒按照质量比1∶1添加入碳化硅冶炼炉里的分解区进行冶炼，制成碳化硅结晶块成品；

8)、碳化硅结晶块成品经检验平均纯度是98.71％，高于国家标准0.21％。

实施例2

采用同一个批次的碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料与焦炭粉混合制成两种不同的废料微粉颗粒；再将这两种不同的废料微粉颗粒按照不同的比例与石英砂和焦炭的混合物混合后装入碳化硅冶炼炉内的不同位置进行冶炼，然后就节约电能及成品纯度进行对比分析。

1)、选取混合废料：

1.1)、选取放置了一段时间的其中包含碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉以及杂质的混合废料，将这些混合废料加水搅拌成糊状，再用电磁除铁设备进行除铁处理；

1.2)、将处理好的混合废料送入离心分离设备，经离心分离设备把混合废料分离成为两部分，一部分主要包含的是碳化硅细粉，称为高碳化硅废料；另一部分主要包含的是晶体硅微粉和二氧化硅微粉，称为高晶体硅废料；再根据后续工艺的需要，脱除两部分废料中多余的水分；

1.3)、对高碳化硅废料首先进行含水百分比检测，然后再进行无水物料的百分比含量检测：

检测得：高碳化硅废料含水8.31％、物料占91.69％；

取6个无水物料样品进行化学分析检测：

由检测结果得到：在高碳化硅废料的无水物料中：

碳化硅细粉及微量杂质的含量占83.13％；二氧化硅微粉的含量占6.16％；晶体硅微粉的含量占10.71％；

由此得到100kg含水的高碳化硅废料中的二氧化硅微粉及晶体硅微粉的重量和含量：

二氧化硅微粉：100×91.69％×6.16％＝5.65kg，即：5.65％；

晶体硅微粉：100×91.69％×10.71％＝9.82kg，即：9.82％；

1.4)、对高晶体硅废料首先进行含水百分比检测，然后再进行无水物料的百分比含量检测：

检测得：高晶体硅废料含水10.58％、物料占89.42％；

取6个无水物料样品进行化学分析检测：

由检测结果得到：在高晶体硅废料的无水物料中：

碳化硅细粉及微量杂质的含量占8.44％；二氧化硅微粉的含量占33.48％；晶体硅微粉的含量占58.08％；

由此得到100kg含水的高晶体硅废料中的二氧化硅微粉及晶体硅微粉的重量和含量：

二氧化硅微粉：100×89.42％×33.48％＝29.94kg，即：29.94％；

晶体硅微粉：100×89.42％×58.08％＝51.94kg，即：51.94％；

2)、选取焦炭粉，并分别计算出在高碳化硅混合废料及高晶体硅混合废料中添加的量：

2.1)、所述的焦炭粉是与混合废料中的晶体硅微粉、二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶所需的焦炭粉；由于焦炭粉里含有固定炭、水、挥发分及灰分，而与晶体硅微粉、二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶的只是固定炭，因此，需要经化学分析测定焦炭粉里的固定炭、水、挥发分、灰分所占的百分比含量，选取的焦炭粉经化学分析测定焦炭粉里的固定炭87.21％、水2.36％、挥发分10.17％、灰分0.26％；

2.2)、计算100kg含水的高碳化硅废料所需的焦炭粉；

100kg含水的高碳化硅废料中：

二氧化硅微粉：100×91.69％×6.16％＝5.65kg

晶体硅微粉：100×91.69％×10.71％＝9.82kg

采用公式：

SiO₂+3C＝SiC+2CO

计算出与5.65kg二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值是3.4kg；

并用公式：

Si+C＝SiC

计算出与9.82kg晶体硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值是4.2kg；

所以与100kg含水的高碳化硅废料反应生成碳化硅时：

需要固定炭 3.4kg+4.2kg＝7.6kg

需要焦炭粉 7.6kg÷87.21％＝8.7kg

2.3)、计算100kg含水的高晶体硅废料所需的焦炭粉；

100kg含水的高晶体硅废料中：

二氧化硅微粉：100×89.42％×33.48％＝29.94kg

晶体硅微粉：100×89.42％×58.08％＝51.94kg

采用公式：

SiO2+3C＝SiC+2CO

计算出与29.94kg二氧化硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值是17.96kg；

并用公式：

Si+C＝SiC

计算出与51.94kg晶体硅微粉反应生成碳化硅结晶体所需的固定炭值是22.3kg；

所以与100kg含水的高晶体硅废料反应生成碳化硅时：

需要固定炭 17.96kg+22.3kg＝40.26kg

需要焦炭粉 40.26kg÷87.21％＝46.2kg

3)、配置碳质胶粘剂溶液；

3.1)、选取淀粉2.5kg，并将其全部浸入5kg冷水里浸泡搅拌均匀后加温糊化成为碳质胶粘剂；

3.2)、将配制好的碳质胶粘剂与5kg温水混合配制成碳质胶粘剂溶液，另外准备好20kg温水备用(用于调整混合物料的软硬稠稀)；

4)、使用混合废料制作混合物料并造粒；

4.1)、制作高碳化硅废料的废料微粉颗粒；

4.1.1)、取步骤1.3)所得到的测定好的100kg含水的高碳化硅废料与步骤3)所得到的配制好的12.5kg碳质胶粘剂溶液进行均匀混合；

4.1.2)、取步骤2.2)中计算得到的8.7kg焦炭粉再与步骤4.1.1)中得到的高碳化硅废料、碳质胶粘剂溶液二者的混胶料进行均匀混合制成混合物料，混合物料的软硬稠稀是用另外准备好的20kg温水(溶液)来调整的；

4.1.3)、采用机械造粒设备对步骤4.1.2)所得到的混合物料进行造粒成型，造粒成型的高碳化硅废料的废料微粉颗粒的直径为25mm，然后对造粒成型后的高碳化硅废料的废料微粉颗粒进行烘干备用；高碳化硅废料的废料微粉颗粒，简称高碳颗粒；

4.1.4)、按照步骤1.3)、步骤2.1)、步骤2.2)、步骤3)及步骤4.1)中上述的步骤中获得的计算数据和工艺步骤，采用100kg同批的含水高碳化硅废料比8.7kg同批焦炭粉再比12.5kg碳质胶粘剂溶液；即100：8.7：12.5的比例搭配，就可以完成该批次的全部高碳化硅废料的废料微粉颗粒的制作；

4.2)、制作高晶体硅废料的废料微粉颗粒；

4.2.1)、取步骤1.4)所得到的测定好的100kg含水的高晶体硅废料与步骤3)所得到的配制好的12.5kg碳质胶粘剂溶液进行均匀混合；

4.2.2)、取步骤2.3)中计算得到的46.2kg焦炭粉再与步骤4.2.1)中得到的高晶体硅废料、碳质胶粘剂溶液二者的混胶料进行均匀混合制成混合物料，混合物料的软硬稠稀是用另外准备好的20kg温水(溶液)来调整的；

4.2.3)、采用机械造粒设备对步骤4.2.2)所得到的混合物料进行造粒成型，造粒成型的高晶体硅废料的废料微粉颗粒的直径为20mm，然后对造粒成型后的高晶体硅废料的废料微粉颗粒进行烘干备用；高晶体硅废料的废料微粉颗粒，简称高晶体颗粒；

4.2.4)、按照步骤1.4)、步骤2.1)、步骤2.3)、步骤3)及步骤4.2)中上述的步骤中获得的计算数据和工艺步骤，采用100kg同批的含水高碳化硅废料比46.2kg同批焦炭粉再比12.5kg碳质胶粘剂溶液；即：100：46.2：12.5的比例搭配，就可以完成该批次的全部高晶体硅废料的废料微粉颗粒的制作；

5)、分批装炉冶炼，并作数据分析；

5.1)、第一组冶炼配比与冶炼数据；

选取高碳颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1∶1的比例装填在分解区；同时选取高晶体颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1∶9的比例装填在反应区进行碳化硅晶体块的冶炼，从而获得第一炉数据。同理，分别选取高晶体颗粒与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，分别与装填在分解区里的按照重量1∶1比例的高碳颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物进行逐炉冶炼，从而获得每一炉的不同的数据，进行分析：

第一组比例

1∶9

2∶8

3∶7

4∶6

5∶5

6∶4

平均电耗/吨

7050度

6940度

6835度

6690度

6550度

6430度

平均纯度

98.54％

98.61％

98.69％

98.76％

98.81％

98.83％

此表对应分解区里的高碳颗粒与砂、炭的混合物的比例是1∶1；

5.2)、第二组冶炼配比与冶炼数据；

选取高碳颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1∶9的比例装填在分解区；同时选取高晶体颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物按照重量比1∶1的比例装填在反应区进行碳化硅晶体块的冶炼，从而获得第一炉数据。同理，分别选取高碳颗粒与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，分别与装填在反应区里的按照重量1∶1比例的高晶体颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物逐炉冶炼，从而获得每一炉的不同的数据，进行分析：

第二组比例

1∶9

2∶8

3∶7

4∶6

5∶5

6∶4

平均电耗/吨

7680度

7360度

7080度

6840度

6550度

6210度

平均纯度

98.81％

98.79％

98.81％

98.80％

98.81％

98.80％

此表对应反应区内的高晶体颗粒与砂、炭的混合物的比例是1∶1；

5.3)、数据分析；

第一组数据中：高碳颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物比例不变，而高晶体颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物的比例变化；得到的结果是：平均纯度上升较大，而节电效果缓慢；其原因是高晶体颗粒中的晶体硅微粉、二氧化硅微粉含量很大，并且纯度很高(99.99％)，很容易将产品的纯度提高；但是，分解比较多的二氧化硅微粉时，需要消耗很多的电能。

第二组数据中：高碳颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物的比例变化，而高晶体颗粒与石英砂和焦炭粉的混合物的比例不变；得到的结果是：节电效果明显，但平均纯度接近，几乎不变；其原因是高碳颗粒中的碳化硅细粉含量很大，但纯度不高(98.5％)，很难将产品的纯度提高；但是，在冶炼时，因碳化硅细粉已经消耗过了分解电能，因此，可以节约较多的电能。

结论：在回收利用含有碳化硅细粉、晶体硅微粉、二氧化硅微粉的混合废料时，只要努力减小晶体硅微粉的氧化，就能够起到节约更多电能的效果。

说明：实施例2的本项检测，使用的是小型碳化硅冶炼炉进行的冶炼检测，检测数据与大型碳化硅冶炼炉冶炼的数据可能会有微小的差别，但并不影响分析结果，分析结论与大型碳化硅冶炼炉冶炼的分析结论完全是一致的。

Claims (10)

1.一种利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】称取切割废料，并通过化学分析测定切割废料中各成分的含量；所述切割废料中含有碳化硅细粉、晶体硅微粉和二氧化硅微粉；

2】根据步骤1】测定的切割废料的成分计算切割废料完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W：

2.1】按照化学方程式Si+C＝SiC计算混合废料中的晶体硅微粉完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W₁；

2.2】按照化学方程式SiO₂+3C＝SiC+2CO计算混合废料中的二氧化硅微粉完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量W₂；

2.3】混合废料完全反应为碳化硅所需的碳质材料的用量为W＝W₁+W₂；

3】配置胶粘剂溶液；

4】将步骤1】中经过化学分析测定成分后的切割废料与步骤3】中配置的胶粘剂溶液按照2-10:1的质量比混合，再加入质量为0-1.2W的碳质材料后，搅拌均匀制成混合物料；

5】将步骤4】得到的混合物料经过造粒设备造粒成型，得到平均粒径为1.5-100mm的废料微粉颗粒后烘干备用；

6】将步骤5】得到的废料微粉颗粒与石英砂和焦炭混合物加入冶炼炉中的分解区和/或反应区进行冶炼，制成碳化硅结晶块；其中，废料微粉颗粒占总物料的质量分数为5-95％。

2.根据权利要求1所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤1】包括以下步骤：

1.1】将切割废料加水搅拌成糊状，然后进行除铁处理；

1.2】将经过除铁处理后的切割废料放入离心设备中进行离心处理后得到两部分废料；一部分为富含碳化硅细粉的高碳化硅废料，另一部分为富含晶体硅微粉和二氧化硅微粉的高晶体硅废料；

1.3】对高碳化硅废料和高晶体硅废料进行化学分析测定成分含量后，再分别执行步骤2】至步骤6】。

3.根据权利要求1或2所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤1】中的切割废料还含有绿碳化硅切割刃料制作过程中产生的不合格的加工废料。

4.根据权利要求3所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤2】中的碳质材料为焦炭粉、兰炭或者优质煤粉。

5.根据权利要求4所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤3】中的胶粘剂溶液是将胶粘剂与溶剂按照1：1-10的体积比进行混合并溶解得到的；所述胶粘剂为硅质胶粘剂或者碳质胶粘剂；所述溶剂为水或者有机溶剂。

6.根据权利要求5所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述胶粘剂溶液中还含有质量分数为0-40％的反应补偿材料；当胶粘剂是硅质胶粘剂时，反应补偿材料为碳质材料；当胶粘剂是碳质胶粘剂时，反应补偿材料为硅质材料。

7.根据权利要求6所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述硅质胶粘剂为硅溶胶或者硅酸钠；所述碳质胶粘剂为纤维素胶、淀粉糊、丙烯酸乳液、沥青、动物胶或者植物胶。

8.根据权利要求7所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤4】中的碳质材料的加入质量为W；

所制成的混合物料中还包括质量分数为0-10％的排杂剂。

9.根据权利要求8所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤5】中的废料微粉颗粒的平均粒径为10-50mm。

10.根据权利要求9所述的利用预制废料微粉颗粒冶炼碳化硅结晶块的方法，其特征在于：所述步骤6】中的废料微粉颗粒占总物料的质量分数为30-60％。