CN110218874A - 一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，属于有色金属二次资源综合技术领域。本发明将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；将混合粉体置于温度为1400~1600℃条件下预熔0.5~1 h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1500~1800℃条件下高温熔炼2~4 h；将高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理得到含铝硅钛的合金块。本发明方法实现了同时从硅废料和含钛渣中回收硅和钛，解决了当前硅废料和含钛渣的综合回收难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，属于有色金属二次资源综合技术领域。
背景技术
随着能源短缺和环境污染等问题的日益严峻，光伏太阳能电池得到大力发展，用于制造晶体硅太阳能电池片的基板主要为晶体硅材料。晶体硅锭经破锭开方与表面处理后，对硅砖（棒）进行多线切割和后处理后即得到晶体硅片。晶体硅在切片过程中，不管是采用金刚线切割还是砂浆切割，由于切割丝的直径和所需硅片的厚度相差不大，在切割过程中会有40%以上的高纯度晶体硅以粉末的形式进入到废浆料中，产生晶体硅切割废料。随着晶体硅太阳能电池用量的逐年增加，晶体硅废料也在逐年增长，这不仅对环境造成危害，而且对于硅太阳能电池材料也是一种浪费。如果能够对切割废料中的高纯硅进行经济高效的提取和回收，将对资源循环利用和降低产品成本具有重大意义。
晶体硅切割废料浆具有以下特点：（1）切割废料浆中的硅粉为高纯晶体硅粉，杂质含量少，回收利用价值极高；（2）切割料浆中的碳化硅为高纯的微粉，收利用；（3）切割料浆中的聚乙二醇分散剂也可回收循环利用。对于砂浆切割产生的含硅废料，主要从废料里面回收金属硅和SiC。切割废料中的金属颗粒可通过酸洗去除，碳化硅可通过离心等技术实现部分大颗粒的回收，由于大多数硅粉粒径为1μm左右，而碳化硅颗粒粒径达到10μm，可采用物理方法较方便地将切割废料中的硅与碳化硅分离，但研究显示，分离效果还有待进一步提高。泡沫浮选法、沉降法、沉降-酸洗-高温熔炼、电场分离法、相转移法、重液分离法、超临界水技术、合金化分离技术、电位调控-离心法等均用来分离砂浆切割中的硅和碳化硅。
对于金刚线切割的硅废料，目前大量研究人员采用酸浸出的办法去除切割废料中的金属杂质元素，以期望将废料提纯到晶体硅的纯度，达到循环利用的目的，但大量研究结果显示，要将金刚线切割的硅废料提纯到99.9999%以上的纯度还十分困难。邢鹏飞等人（CN103086378B）采用HCl、H2SO4、HNO3、HF等酸浸的办法将晶体硅切割废料中的杂质去除，得到一个纯度接近于工业硅的产品。将硅切割废料在酸洗处理后再利用电热冶金处理的方法，所制备出的高纯硅纯度可以达到≥99.9wt%，还达不到太阳能级多晶硅的应用要求。此外，物理固液分离提纯法、化学处理法、电选法、电泳（电位）分离法均可以用来处理晶体硅切割废料。
含钛高炉渣的综合利用是一个世界难题，综合利用含钛高炉渣无论是经济方面还是环境方面都能够带来一定的效益，也是冶炼企业可持续发展的重要保障。国内外研究人员围绕含钛高炉渣的综合利用与处理进行了大量科学研究工作，主要有两种方式：一是将含钛高炉渣作为特殊材料某一行业领域，例如将含钛高炉渣制备水泥、混凝土、免烧免蒸砖，还有将其制备成各种特种功能材料，利用其特有的抗菌性、抗侵蚀性、优良的吸附性能以及用作废料等。另一种办法是从其中回收有价组分，尤其是钛组分。目前对含钛高炉渣的提钛研究有很多，主要有制备钛合金、酸浸法制备钛白粉、碱法提钛、氨水沉淀法提钛、选择性富集——分选法制备富钛料和高温碳化——低温氯化制备TiCl4 等。
总的来说，制作水泥、建筑材料等方法制得的产品力学性能好，但大量的钛资源被浪费，经济附加值低，不值得推广应用。制成功能材料消耗的含钛高炉渣量较小，无法大规模产业化；目前处理晶体硅切割废料和含钛高炉渣的方法生产能力低、回收周期和流程长、环境负荷高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，本发明利用金属铝对硅切割废料和钛渣中金属硅与金属钛的合金化作用，以及铝对硅废料和钛渣中硅、钛氧化物的还原特性，实现硅和钛的同时回收，使硅废料与含钛渣综合回收工艺合二为一，大大提高资源的利用效率。
一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，具体步骤如下：
（1）将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；
（2）将步骤（1）混合粉体置于温度为1400~1600℃条件下预熔0.5~1 h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；
（3）将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、步骤（2）的助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1500~1800℃条件下高温熔炼2~4 h；
（4）将步骤（3）高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理得到含铝硅钛的合金块。
以步骤（1）中CaO和SiO2粉末的总质量为100%计，CaO占40~60%。
以质量百分数计，步骤（1）混合粉体中Na3AlF6占5~20%。
所述步骤（2）助熔剂的粒径为80~200目。
以步骤（3）金属铝粒、金属硅废料和含钛渣的总质量为100%计，金属铝粒占40~50%、金属硅废料占20~40%，其余为含钛渣。
所述步骤（3）助熔剂粉末占混合物料总质量的5~20%。
所述步骤（4）匀速冷却的冷却速度为2~5℃/min。
本发明的有益效果是：
（1）从钛渣中以金属钛的形式回收十分困难，本发明避开钛的直接回收难题，将钛渣中的钛转化为元素态形成铝硅钛合金回收，降低了钛转化的难度；
（2）在正常还原过程中，钛的还原及其困难，本发明中利用钛渣中的钛氧化物被还原为元素态后立即溶解在铝和硅的熔体中，对钛氧化物的还原起到了促进作用；
（3）本发明金属铝与硅废料中硅氧化物和含钛渣中钛氧化物的反应属于放热反应，节约了生产过程的能耗低；
（4）本发明方法与现有单独的硅废料和单独的含钛渣回收技术相比，实现了硅和钛的同时回收，不仅变硅废料和含钛渣为宝，而且实现了硅废料与含钛渣综合回收工艺合二为一，该方法具有工艺流程短、简单易行等优点，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的工艺流程图；
图2为实施例1高温熔炼物料匀速冷却至室温的样品图；
图3为实施例2高温熔炼物料匀速冷却至室温的样品图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法（见图1），具体步骤如下：
（1）将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；其中以CaO和SiO2粉末的总质量为100%计，CaO占50%，SiO2粉末占50%；以质量百分数计，混合粉体中Na3AlF6占15%；
（2）将步骤（1）混合粉体置于温度为1600℃条件下预熔0.5h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；其中助熔剂的粒径为80目；
（3）将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、步骤（2）的助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1700℃条件下高温熔炼4h；其中以金属铝粒、金属硅废料和含钛渣的总质量为100%计，金属铝粒占50%、金属硅废料占20%，其余为含钛渣；助熔剂粉末占混合物料总质量的15%；
（4）将步骤（3）高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理去除样品表面的渣得到含铝硅钛的合金块，其中匀速冷却的冷却速度为3℃/min；
本实施例高温熔炼物料匀速冷却至室温的样品图见图2，从图2可知，分离后形成的铝硅钛合金样品呈锭状分布在石墨坩埚的底部，而分离出的渣则附着在坩埚的内壁和上部，合金与渣分离效果良好；
经XRF检测分析，本实施例合金样品中铝含量为13.56%、硅含量38.23%、钛含量34.25%，铁8.72%、钙1.94%、锰0.86%，其他2.42%。
实施例2：一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法（见图1），具体步骤如下：
（1）将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；其中以CaO和SiO2粉末的总质量为100%计，CaO占60%，SiO2粉末占40%；以质量百分数计，混合粉体中Na3AlF6占20%；
（2）将步骤（1）混合粉体置于温度为1600℃条件下预熔1.0 h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；其中助熔剂的粒径为120目；
（3）将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、步骤（2）的助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1800℃条件下高温熔炼4h；其中以金属铝粒、金属硅废料和含钛渣的总质量为100%计，金属铝粒占40%、金属硅废料占20%，其余为含钛渣；助熔剂粉末占混合物料总质量的20%；
（4）将步骤（3）高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理去除样品表面的渣得到含铝硅钛的合金块，其中匀速冷却的冷却速度为5℃/min；
本实施例高温熔炼物料匀速冷却至室温的样品图见图3，从图3可知，得到的硅钛合金样品外观情况与实施例2完全一致；
经XRF检测分析，本实施例合金样品中铝含量为3.48%、硅含量32.97%、钛含量50.92%，铁7.73%、钙1.05%、锰0.95%，其他2.9%。
实施例3：一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法（见图1），具体步骤如下：
（1）将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；其中以CaO和SiO2粉末的总质量为100%计，CaO占40%，SiO2粉末占60%；以质量百分数计，混合粉体中Na3AlF6占5%；
（2）将步骤（1）混合粉体置于温度为1400℃条件下预熔0.5 h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；其中助熔剂的粒径为80目；
（3）将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、步骤（2）的助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1500℃条件下高温熔炼2h；其中以金属铝粒、金属硅废料和含钛渣的总质量为100%计，金属铝粒占50%、金属硅废料占30%，其余为含钛渣；助熔剂粉末占混合物料总质量的5%；
（4）将步骤（3）高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理去除样品表面的渣得到含铝硅钛的合金块，其中匀速冷却的冷却速度为2℃/min；
经XRF检测分析，本实施例合金样品中铝含量为8.48%、硅含量24.74%、钛含量48.92%，铁12.45%、钙2.69%、锰0.95%，其他1.35%。
实施例4：一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法（见图1），具体步骤如下：
（1）将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；其中以CaO和SiO2粉末的总质量为100%计，CaO占50%，SiO2粉末占50%；以质量百分数计，混合粉体中Na3AlF6占10%；
（2）将步骤（1）混合粉体置于温度为1500℃条件下预熔1.0 h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；其中助熔剂的粒径为100目；
（3）将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、步骤（2）的助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1600℃条件下高温熔炼3h；其中以金属铝粒、金属硅废料和含钛渣的总质量为100%计，金属铝粒占40%、金属硅废料占40%，其余为含钛渣；助熔剂粉末占混合物料总质量的10%；
（4）将步骤（3）高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理去除样品表面的渣得到含铝硅钛的合金块，其中匀速冷却的冷却速度为3℃/min；
经XRF检测分析，本实施例合金样品中铝含量为10.16%、硅含量28.89%、钛含量45.69%，铁9.59%、钙1.05%、锰1.38%，其他3.24%。
Claims (7)
1.一种利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将CaO和SiO2粉末混合均匀，然后再加入Na3AlF6混合均匀得到混合粉体；
（2）将步骤（1）混合粉体置于温度为1400~1600℃条件下预熔0.5~1 h得到预熔块，预熔块冷却后研磨成粉末作为助熔剂；
（3）将金属铝粒、金属硅废料、含钛渣、步骤（2）的助熔剂混合均匀得到混合物料，将混合物料置于温度为1500~1800℃条件下高温熔炼2~4 h；
（4）将步骤（3）高温熔炼物料匀速冷却至室温，线切割处理得到含铝硅钛的合金块。
2.根据权利要求1所述利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于：以步骤（1）中CaO和SiO2粉末的总质量为100%计，CaO占40~60%。
3.根据权利要求1所述利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于：以质量百分数计，步骤（1）混合粉体中Na3AlF6占5~20%。
4.根据权利要求1所述利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于：步骤（2）助熔剂的粒径为80~200目。
5.根据权利要求1所述利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于：以步骤（3）金属铝粒、金属硅废料和含钛渣的总质量为100%计，金属铝粒占40~50%、金属硅废料占20~40%，其余为含钛渣。
6.根据权利要求1所述利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于：步骤（3）助熔剂粉末占混合物料总质量的5~20%。
7.根据权利要求1所述利用金属铝同时回收硅废料中硅和含钛渣中钛的方法，其特征在于：步骤（4）匀速冷却的冷却速度为2~5℃/min。
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