太阳能硅片头尾料回收用高温炉设计
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【摘 要】目前太阳能硅片是制造太阳能电池的重要原料，而其加工方式主要是多线切割。为避免切割后硅片膨胀产生碎片，一般在硅锭头尾部留有2‐3mm的厚度余量，切割结束后，对废弃硅片进行脱胶处理后实现回收再利用。而目前行业中对切割后废硅片上的残胶去除方法都存在一定弊端，会产生有害气体严重污染大气。本文提出一种新的废弃硅片残胶处理方法，即对硅片在高温炉中进行高温处理去除残胶的方法。
【关键词】太阳能硅片；残胶；高温裂解
1.太阳能硅片切割技术的现状
当前全球各国各地区在能源方面都在追求绿色发展，减少污染排放、减轻全球气候变暖带来的不良影响、节约能源，所以各国都在开发绿色能源；随着绿色能源的推广与发展以及半导体技术的不断进步，太阳能硅片市场中硅片的供需已经极度的不平衡，而作为硅片生产中的关键技术，硅片切割加工的技术能力直接影响到硅片的后续生产以及各方面性能，并且如果硅片切割技术落后，也会对硅片产业的各方面产生极大影响，这也正是目前太阳能电池产业链遭遇瓶颈的原因。
目前在行业中多线切割硅片应用最为广泛，但因为其在切割过程中刀损较大降低加工效率等方面的缺陷，而且将研磨粒与切屑粒分离较难，成本很高，所以在切割过程中减小刀损、减小硅片厚度以及提高磨粒利用率已成为迫切要求。因此随着太阳能技术的不断发展和完善以及硅片资源出现短缺，具有大尺寸的超薄硅片将成为改善以上问题的重要方法。多线切割技术以及与其相似的电火花切割技术也会不断成熟发展和完善。
2.回收硅片所用高温炉的设计
2.1 炉型的选择
如何正确的选择炉型的核心是：符合所加工零件的工艺和产量的要求；确保炉型有与时俱进的技术；保证炉型在价格等方面的经济性。选择炉型主要有以下几个方面：
1.对于所加工工件来说要充分考虑工件的大小、形态、质量和材料；
2.对于技术要求和精度来说，要充分考虑加热温度、炉腔介质、冷却速度、冷却方式、表面状态以及允许变形量等；
3.要根据产量的不同合理选择相应的炉型；
4.高温炉特性：炉温均匀性、准确性、控制精度等。
5.其他：车间厂房结构、地基、炉子建造等。
综合本次试验的要求以及以上，本次试验选择箱式热处理电阻炉，工作温度≤1000℃。
2.2 炉体结构和尺寸的确定
炉门的设计要求炉门必须密封性好，即在炉门关闭时必须严密紧致，而且炉门要求较轻的重量，炉门的保温性能以及在高温工作时机械性能良好。炉门的作用不仅仅是阻挡工作腔的热辐射，还具有保证炉膛具有良好密封性的作用；如果炉门的密封性不好，在工作时吸入外界的冷空气，会加大热量的损失，而且在加工过程中氧化脱碳程度也会加重，并且对加热的均匀性也有一定影响。所以炉门材料必须牢固，由于炉门厚度并不大，所以炉门材料必须具有良好的保温性，所以宜采用超轻质耐火材料。
炉膛尺寸是炉体结构设计中一个十分重要的部分，一般炉膛尺寸由工作性能以及所加工材料的大小和形状所决定；因此我根据本次试验所用硅片大小选择炉膛尺寸为300（长）X200（宽）X200（高）的高温炉。
2.3高温炉电热元件的设计
（1）电热元件的材料
电热材料是制造发热元件的材料，而发热元件是整个高温炉中最核心部件，因为高温炉正是通过电热元件的热传导来进行工作的，因此合理的选用电热元件的材料对高温炉的加热性能和使用寿命都有至关重要的作用。在选择电热元件材料时主要应满足以下几点要求：
1.良好的化学稳定性和在高温情况下良好的力学性能。2.具有高的电阻率，以便制作成适当尺寸的元件。3.具有较低的电阻温度系数；当电热元件具有较低的电阻温度系数时，在炉温发生变化时炉内功率变化较小，炉温波动不明显；若炉内温度变化低于电阻温度系数时，炉内功率变化明显，温度波动大，所以应安装调压变压器。4.具有较低的热膨胀系数，避免电热元件因为高温而发生膨胀和过度伸长进而造成工作困难。5.具有良好的机械加工性能，从而易于加工成所需形状并且易于焊接。
（2）高温炉电热元件接线方法的确定
一般情况下高温炉工作时所接电压均为车间电网电压，即220V或380V；若采用一些电阻温度系数较大或者有特殊工艺要求的电热材料作为电热元件时可采用低压供电。通常情况下，高温炉功率P≤25kW时，宜采用220V或380V单相串联接法；当高温炉功率P为30～75kW时，通常采用三相380V星形接法或三相220V三角形接法；当高温炉功率P≥75kW[23]时；电热元件分为两组或以上的380V星形接法或三相220V三角形接法。这样保证每组功率在30～75kW之间，防止电热元件功率过大，从而保持炉温在合理范围内。综上所述，因为经过计算此次设计的高温炉功率为5kW，所以选择的接线方式是单相串联接线。
（3）电热元件的布置
通常情况下电热元件一般安装在炉膛的内壁，所以本次设计中，硅碳棒安装在炉膛内壁的两侧，查表得两两硅碳棒间的距离应大于等于35mm，硅碳棒中心距炉膛内墙距离在20mm左右，不过一般来说具体距离可在不改变高温炉工作条件和方式以及工作效率的条件下，根据实际情况进行相应改动。本次设计中硅碳棒分为两组，每组6根分别安装在炉膛内壁的左右两侧，在电热元件工作时还需根据电热元件特性配备相应的调压器保证电热元件正常工作。
图1 箱体装配实体
3.废气处理
因为硅片上附着的为双组份胶水，其主要成分为丙烯酸酯，丙烯酸酯在完全燃烧时产物为二氧化碳和水，虽然在经过之前高温炉气化處理后丙烯酸酯在燃烧时会更加充分，但是由于丙烯酸酯是大分子有机化合物，所以不会彻底达到完全燃烧的程度，而丙烯酸酯在不完全燃烧的情况下会产生一氧化碳等有害气体，所以需要对丙烯酸酯燃烧所产生的有害气体进行处理。
本文尾气的处理主要采用活性炭吸附的方法，将在燃烧时中燃烧后所产生的气体通入装有活性炭的装置中，经过活性炭的吸附作用，废气中的有害气体含量明显降低，大大减少试验对于人体和环境的不良影响。
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（作者单位：山东科技大学）
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