晶硅金刚线切割废料制备Al-Si合金

作     者：杨雄东 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕国强;赵世民

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：切割废料 铝硅合金 电磁定向凝固 回收利用 

摘      要：由于光伏产业的驱动,金刚线切割工艺成为目前主流的硅片切割方式,在其切割过程中约有30%-40%的晶体硅以粉末状态进入冷却液形成金刚线切割硅废料(DWSSP),资源浪费的同时导致硅片成本增加,并造成一定环境负担。本课题以DWSSP为原料电磁熔配制备铝硅合金,对其进行回收利用,具有重大经济和环境效益。本文使用X射线荧光光谱分析仪(XRF)和X射线衍射仪(XRD)对DWSSP进行元素和物相分析。结果示出单质硅占88.54%,二氧化硅占10.16%,其他杂质和金属氧化物占1.5%左右。实验过程中对DWSSP和铝粒直接混合熔配,确定在一定配制比例下较为合适的加热温度与保温时间;分别选用NaCO、CaO、与CaO-NaAlF与DWSSP作为添加剂进行合金化实验,计算出DWSSP与Al粒合金化过程中的废料利用率与铝损率;针对其硅相偏析行为提出DWSSP合金化过程中进行定向凝固,讨论定向凝固过程后Ca杂质的分凝行为,以及下拉速率、初始硅含量对剩余合金部分与初晶硅分离效果的影响;最后从高硅铝硅合金电磁分离与合金品质的角度出发,探究Sb在高硅铝硅合金电磁分离过程中的变质行为,研究了高硅铝硅合金(Al-Si45wt.%)熔体电磁分离过程中,Sb的添加量、下拉速率、温度等对分离效果的影响,并对通过数值模拟结合晶粒细化理论与铝硅合金二元相图分析其变质机理。结果表明:在DWSSP与Al粒直接混合熔配过程中,随着加热温度增加与保温时间延长将会导致熔料氧化程度增强,合金化效果变差;随着DWSSP在混料中占比增加,废料利用率下降的同时铝损率增加。在NaCO、CaO、与CaO-NaAlF与DWSSP作为添加剂进行合金化实验中,CaO-NaAlF作为添加剂合金化效果最优,其切割废料利用率为85.37%,铝损率为为3.53%。针对于DWSSP合金化过程中进行定向凝固,能有效解决合金中初晶硅偏析行为,制备共晶铝硅合金的同时,初晶硅经Al-Si熔剂精炼后向得以纯化。在高硅铝硅合金(45wt.%Si)熔体电磁分离过程中,变质剂Sb加入后合金共晶温度降低其共晶硅相在α-Al基体中形貌有所细化,初晶硅富集效果有所提高。