CN110194456B - 一种利用废弃硅泥冶炼金属硅的方法 - Google Patents

一种利用废弃硅泥冶炼金属硅的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用废弃硅泥冶炼金属硅的方法，将金刚线切割硅片产生的废料硅泥作为原料，再通过本发明添加SiO2配料和加入二氧化锰的处理，能够有效冶炼得到高纯度的金属硅，工艺较硅石冶炼简便、耗能较少，且变废为宝，绿色环保。

Description

一种利用废弃硅泥冶炼金属硅的方法
技术领域
本发明涉及金属硅的冶炼领域，特别是涉及利用废弃硅泥冶炼金属硅。
背景技术
“金属硅”(我国也称工业硅)是上世纪六十年代中期出现的一个商品名称。它的出现与半导体行业的兴起有关。国际通用作法是把商品硅分成金属硅和半导体硅。金属硅是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98％左右(含Si量99.99％的也包含在金属硅内)，其余杂质为铁、铝、钙等。半导体硅用于制作半导体器件的高纯度金属硅。是以多晶、单晶形态出售，前者价廉，后者价昂。因其用途不同而划分为多种规格。
在制作半导体器件的过程中，需要使用金刚线切割硅片，切割时不可避免的会产生许多废料硅泥，硅泥中含有较大含量的硅，这不仅损失了价值昂贵的晶体硅，而且对环境造成巨大的污染。因此，如果能将金刚线切割硅片产生的硅泥合理利用又得到金属硅，具有较大的经济价值和现实意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种利用废弃硅泥冶炼金属硅的方法，能够利用硅泥冶炼得到金属硅。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
提供一种金属硅的冶炼方法，包括如下内容：
(1)将硅泥和SiO2按重量比(30～50)：1配料得混合料；
(2)将混合料制成块料并干燥后，将块料加热使其熔化，得到硅液；
(3)向硅液中加入二氧化锰；
(4)向硅液中加入造渣剂；
(5)将硅液出炉浇铸成型，冷却后即得。
所述硅泥为金刚线切割硅片产生的废料，具有水份容易氧化，微粉细度达到8000目，含有微量冷却切割液等易燃有机物，具有刺鼻气味，单质硅含量较高，硅泥组分含有60～75％的硅、5～10％的二氧化硅、10～15％的铁，还含有铜、镍、镁、铝、钙等多种金属及其氧化物。
进一步地，将所述混合料制成块料前，搅拌使混合料中的硅泥和SiO2混合均匀。
进一步地，所述搅拌的条件为搅拌20～60min。
在本发明的具体实施方式中，所述SiO2为粒径小于40目的粉末状固体。
进一步地，所述块料的粒径大小在10～20mm范围。
进一步地，所述加热为将块料加热至1430～1700℃。
进一步地，所述加热为将块料加热至1500～1600℃。
在本发明的具体实施方式中，所述二氧化锰的加入量为硅泥质量的1～5％。
进一步地，所述二氧化锰的加入量为硅泥质量的2～4％。
本发明通过添加二氧化锰作氧化剂，代替传统的氧气吹炼，能很好的氧化掉硅泥中的金属杂质及部分非金属杂质，操作更简单，氧化得更彻底。
进一步地，加入二氧化锰后，将硅液在步骤(2)中加热所达到的温度下保持0.5～2h。
进一步地，加入造渣剂后，将硅液温度调整至1700～1800℃，保持0.5～2h。
在本发明的具体实施方式中，所述造渣剂的加入量为硅泥质量的10～30％。
进一步地，所述造渣剂选自钙盐、钠盐中的一种或几种。
进一步地，所述造渣剂选自石灰石、CaCl2、NaCl、Na2CO3中的一种或几种。
更进一步地，所述造渣剂选自石灰石：NaCl：Na2CO3的质量比为(3～5)：1：1的混合物。
进一步地，还包括精整、破碎、分装步骤。
本发明中所述的“加入量”均是指质量。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在硅泥中添加一定比例的二氧化硅一起熔炼，能够有效提高硅的熔炼效果。
(2)本发明通过在硅液造渣前添加二氧化锰对硅液进行处理，针对性的处理硅泥中含量较高的杂质铁，将铁氧化，再通过加入造渣剂造渣处理，被氧化的铁随同其它杂质一并进入渣相，能够有效冶炼得到金属硅。
(3)本发明通过二氧化硅的合理配料和二氧化锰的添加处理，起到协同作用，能够从硅泥中有效对硅进行提炼，得到的金属硅纯度高，且硅的回收率较高。
(4)本发明工艺较硅石冶炼简便、耗能较少，降低了生产成本，并且将生产废弃物硅泥充分利用，变废为宝，绿色环保。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例所使用的SiO2为粒径在40目以下的粉末状固体；
本实施例所使用的二氧化锰、石灰石、NaCl、Na2CO3均为市售的粉末状产品。
实施例1
(1)将金刚线切割硅片产生的废料硅泥和SiO2按重量比40：1配料，充分搅拌30min，使硅泥和SiO2完全混合均匀，得混合料。
(2)将混合料用制程机加密成形，制成粒径大小在10～20mm范围内的块料，放入烘房12h进行完全干燥，使其水分重量百分含量≤0.4％。
(3)将烘干后的块料通过中频炉进行加热，使其温度达到1500℃，混合料完全熔化，得到硅液。
(4)向硅液中加入二氧化锰，二氧化锰的加入量(质量)为硅泥质量的2％，使硅液温度保持在1500℃。
(5)1h后，向硅液中加入石灰石、NaCl、Na2CO3，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的质量比为3：1：1，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的总质量为硅泥质量的15％，此时，将硅液温度调整至1700℃，保持1h。
(6)将硅液表面的渣液使用扒渣器具扒出，将硅液出炉倒入模具浇铸成型，冷却后去掉硅锭底部占硅锭总高度10％～15％厚的部分，获得金属硅。
(7)将金属硅产品精整、用破碎机将金属硅破碎成10～100mm的小块，装袋。
本实施例所得金属硅的硅元素含量为99％，单质硅回收率为85％。
实施例2
(1)将金刚线切割硅片产生的废料硅泥和SiO2按重量比30：1配料，充分搅拌20min，使硅泥和SiO2完全混合均匀，得混合料。
(2)将混合料用制程机加密成形，制成粒径大小在10～20mm范围内的块料，放入烘房12h进行完全干燥，使其水分重量百分含量≤0.4％。
(3)将烘干后的块料通过中频炉进行加热，使其温度达到1600℃，混合料完全熔化，得到硅液。
(4)向硅液中加入二氧化锰，二氧化锰的加入量(质量)为硅泥质量的4％，使硅液温度保持在1600℃。
(5)0.5h后，向硅液中加入石灰石、NaCl、Na2CO3，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的质量比为5：1：1，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的总质量为硅泥质量的30％，此时，将硅液温度调整至1800℃，保持0.5h。
(6)将硅液表面的渣液使用扒渣器具扒出，将硅液出炉倒入模具浇铸成型，冷却后去掉硅锭底部占硅锭总高度10％～15％厚的部分，获得金属硅。
(7)将金属硅产品精整、用破碎机将金属硅破碎成10～100mm的小块，装袋。
本实施例所得金属硅的硅元素含量为99％，单质硅回收率为80％。
实施例3
(1)将金刚线切割硅片产生的废料硅泥和SiO2按重量比50：1配料，充分搅拌60min，使硅泥和SiO2完全混合均匀，得混合料。
(2)将混合料用制程机加密成形，制成粒径大小在10～20mm范围内的块料，放入烘房12h进行完全干燥，使其水分重量百分含量≤0.4％。
(3)将烘干后的块料通过中频炉进行加热，使其温度达到1430℃，混合料完全熔化，得到硅液。
(4)向硅液中加入二氧化锰，二氧化锰的加入量(质量)为硅泥质量的1％，使硅液温度保持在1430℃。
(5)2h后，向硅液中加入石灰石、NaCl、Na2CO3，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的质量比为4：1：1，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的总质量为硅泥质量的10％，此时，将硅液温度调整至1700℃，保持2h。
(6)将硅液表面的渣液使用扒渣器具扒出，将硅液出炉倒入模具浇铸成型，冷却后去掉硅锭底部占硅锭总高度10％～15％厚的部分，获得金属硅。
(7)将金属硅产品精整、用破碎机将金属硅破碎成10～100mm的小块，装袋。
本实施例所得金属硅的硅元素含量为97％，单质硅回收率为75％。
实施例4
(1)将金刚线切割硅片产生的废料硅泥和SiO2按重量比40：1配料，充分搅拌30min，使硅泥和SiO2完全混合均匀，得混合料。
(2)将混合料用制程机加密成形，制成粒径大小在10～20mm范围内的块料，放入烘房12h进行完全干燥，使其水分重量百分含量≤0.4％。
(3)将烘干后的块料通过中频炉进行加热，使其温度达到1700℃，混合料完全熔化，得到硅液。
(4)向硅液中加入二氧化锰，二氧化锰的加入量(质量)为硅泥质量的3％，使硅液温度保持在1700℃。
(5)1h后，向硅液中加入石灰石、NaCl、Na2CO3，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的质量比为3：1：1，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的总质量为硅泥质量的20％，此时，将硅液温度调整至1800℃，保持1h。
(6)将硅液表面的渣液使用扒渣器具扒出，将硅液出炉倒入模具浇铸成型，冷却后去掉硅锭底部占硅锭总高度10％～15％厚的部分，获得金属硅。
(7)将金属硅产品精整、用破碎机将金属硅破碎成10～100mm的小块，装袋。
本实施例所得金属硅的硅元素含量为99％，单质硅回收率为82％。
实施例5
(1)将金刚线切割硅片产生的废料硅泥和SiO2按重量比45：1配料，充分搅拌40min，使硅泥和SiO2完全混合均匀，得混合料。
(2)将混合料用制程机加密成形，制成粒径大小在10～20mm范围内的块料，放入烘房12h进行完全干燥，使其水分重量百分含量≤0.4％。
(3)将烘干后的块料通过中频炉进行加热，使其温度达到1600℃，混合料完全熔化，得到硅液。
(4)向硅液中加入二氧化锰，二氧化锰的加入量(质量)为硅泥质量的5％，使硅液温度保持在1600℃。
(5)1h后，向硅液中加入石灰石、NaCl、Na2CO3，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的质量比为3：1：1，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的总质量为硅泥质量的15％，此时，将硅液温度调整至1700℃，保持1h。
(6)将硅液表面的渣液使用扒渣器具扒出，将硅液出炉倒入模具浇铸成型，冷却后去掉硅锭底部占硅锭总高度10％～15％厚的部分，获得金属硅。
(7)将金属硅产品精整、用破碎机将金属硅破碎成10～100mm的小块，装袋。
本实施例所得金属硅的硅元素含量为99％，单质硅回收率为85％。
实施例6
(1)将金刚线切割硅片产生的废料硅泥和SiO2按重量比35：1配料，充分搅拌30min，使硅泥和SiO2完全混合均匀，得混合料。
(2)将混合料用制程机加密成形，制成粒径大小在10～20mm范围内的块料，放入烘房12h进行完全干燥，使其水分重量百分含量≤0.4％。
(3)将烘干后的块料通过中频炉进行加热，使其温度达到1500℃，混合料完全熔化，得到硅液。
(4)向硅液中加入二氧化锰，二氧化锰的加入量(质量)为硅泥质量的2％，使硅液温度保持在1500℃。
(5)1h后，向硅液中加入石灰石、NaCl、Na2CO3，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的质量比为3：1：1，所加石灰石、NaCl、Na2CO3的总质量为硅泥质量的15％，此时，将硅液温度调整至1700℃，保持1h。
(6)将硅液表面的渣液使用扒渣器具扒出，将硅液出炉倒入模具浇铸成型，冷却后去掉硅锭底部占硅锭总高度10％～15％厚的部分，获得金属硅。
(7)将金属硅产品精整、用破碎机将金属硅破碎成10～100mm的小块，装袋。
本实施例所得金属硅的硅元素含量为98％，单质硅回收率为83％。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种金属硅的冶炼方法，其特征在于，包括如下内容：
（1）将硅泥和SiO2按重量比（30~50）：1配料得混合料；
（2）将混合料制成块料并干燥后，将块料加热使其熔化，得到硅液；
（3）向硅液中加入二氧化锰；
（4）向硅液中加入造渣剂，所述造渣剂选自石灰石：NaCl：Na2CO3的质量比为 （3~5）：1：1的混合物，所述造渣剂的加入量为硅泥质量的10~30%；
（5）将硅液出炉浇铸成型，冷却后即得。
2.根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，将所述混合料制成块料前，搅拌使混合料中的硅泥和SiO2混合均匀；所述搅拌的条件为搅拌20~60min；所述SiO2为粒径小于40目的粉末状固体。
3. 根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，所述块料的粒径大小在10~20 mm范围。
4.根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，所述加热为将块料加热至1430~1700℃。
5.根据权利要求4所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，所述加热为将块料加热至1500~1600℃。
6.根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，所述二氧化锰的加入量为硅泥质量的1~5%。
7.根据权利要求6所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，所述二氧化锰的加入量为硅泥质量的2~4%。
8.根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，加入二氧化锰后，将硅液在步骤（2）中加热所达到的温度下保持0.5~2h。
9.根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，加入造渣剂后，将硅液温度调整至1700~1800℃，保持0.5~2h。
10.根据权利要求1所述的金属硅的冶炼方法，其特征在于，还包括精整、破碎、分装步骤。
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