光伏電池用鋸斷鋼絲生產(chǎn)技術及其性能

日本為緩解東日本大地震后核電停產(chǎn)的供電緊張，企業(yè)和地方建設1MW以上的光伏發(fā)電項目日益增多，因為它可在屋頂?shù)冉ㄖ辖ㄔO，維護也比較方便。同時，從2012年起的電網(wǎng)優(yōu)惠定價上網(wǎng)也更有利于推動光伏發(fā)電的快速發(fā)展。21世紀初，日本的光伏發(fā)電總量曾居世界第一。2005年，德國通過實施固定價上網(wǎng)制（FIT）數(shù)年后超過了日本，這種制度很快又在西班牙等歐洲各國推廣，使世界光伏發(fā)電的年增長率達到40%以上。金融危機爆發(fā)后，光伏發(fā)電雖一度停滯，但在FIT的推廣下仍得到進一步發(fā)展，此后捷克和意大利等國的光伏發(fā)電也得到快速發(fā)展。在光伏電池的生產(chǎn)方面，中國光伏電池的產(chǎn)量位居世界第一，目前產(chǎn)量已占全世界的50%以上，生產(chǎn)光伏電池不可缺少的鋸斷鋼絲也得到快速發(fā)展。硅晶片切薄的“利刃”硅晶片切薄技術。光伏發(fā)電所用的光伏電池是將太陽能吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑?，原材料一般是單晶硅或多晶硅，硅錠經(jīng)薄片化的工序被切割成薄片后使用。過去切割硅錠時多使用內(nèi)圓刃的切割方式，即將不銹鋼薄板中間挖空加工為環(huán)形，再在刻紋的內(nèi)環(huán)上附上有刀刃的砥石，然后用于單個硅片的切斷?，F(xiàn)在多改為采取多根鋼絲切斷硅片的裝置，該裝置的原理是：將1根鋼絲在2個導輥中張開，通過鋼絲走行將硅錠鋸斷成硅片。導輥上的鋼絲通過約500個平行排列的溝，所以一次可鋸成500個硅片。鋼絲從一側(cè)的立筒上卷取，沿輥溝供應，從另一側(cè)的立筒卷取拉出，總長約50千米。為了從高價的硅錠產(chǎn)出更多的硅片以降低成本，采取了硅片的薄型化措施，其厚度以160微米~200微米為主，一次可鋸斷產(chǎn)出數(shù)百個硅片。進步中的鋼絲切斷技術。現(xiàn)在的鋼絲切斷方式是：將油和砥粒的混合漿涂在鋼絲上，形成走行加工的“游離砥粒鋼絲”。這種方式可同時切斷多片硅片且適應基板薄型化的趨勢，但主要問題是廢物產(chǎn)生量大。目前的切斷方式正在向“固定砥粒鋼絲”轉(zhuǎn)變，即將金剛石砥粒以電鍍鎳固定在鋼絲上。該法的優(yōu)點是加工時間短、成本降低，且產(chǎn)出的廢物大幅下降。但是，該方法所用的細徑鋼絲價格較高。目前，多根鋼絲的鋸斷裝置、節(jié)約鋼絲用量和減少鋼絲負荷的研究以及用齒鋸對木材切斷般將鋼絲角度邊變化邊切斷的“搖動式”鋸斷方法都在研究開發(fā)中。細徑化高強化潔凈化向不斷線鋸斷鋼絲挑戰(zhàn)。在使用鋸斷鋼絲對薄片切斷時，為縮短鋸斷時間并提高硅片的成材率，要求鋼絲細徑化，為保證硅片質(zhì)量而高強度化。因此，需要開發(fā)供應極高強度的線材。目前一般多使用鐵素體+珠光體（滲碳體以層狀并列）組織、高含碳量（ 達到0.82%）的共析鋼線材經(jīng)細線加工而成。具體過程是：?準5.5毫米的熱軋線材經(jīng)氧化鐵皮去除和皮膜處理后，再經(jīng)干式拉伸、韌化處理、陽極鍍層和濕法拉伸，最終產(chǎn)出直徑為0.145毫米~0.250毫米的鋸斷鋼絲。鋸斷鋼絲最重要的要求是在使用中不得斷線。以將156毫米的方硅錠鋸斷成0.3毫米的薄片為例，鋸斷鋼絲長達10千米，切斷時間長達數(shù)小時，若中途斷線則材料全部報廢。為確保高純度硅錠的成材率，必須保證鋸斷鋼絲不斷線，且鋸斷鋼絲要能夠承受在薄片鋸斷時反復的彎曲應力和抗拉應力。夾雜物控制是生產(chǎn)重點。鋸斷鋼絲斷線的主要原因有夾雜物、表面開裂和中心偏析等。為防止鋸斷鋼絲斷線，采取的最主要的措施是對夾雜物進行控制。因為線材中夾雜物的尺寸盡管僅數(shù)十微米，但仍舊能夠造成斷線，所以降低鋸斷鋼絲中的夾雜物成為重要的課題。線材中混入夾雜物的渠道主要有兩大類。一類是在冶煉工序中由耐火材料混入，但高溫鋼水離不開耐火材料，因而只能使用難熔損的耐火材料避免夾雜物生成，特別是接觸鋼水處的耐火材料更應保持應有的強度和耐火性。另外一類是從鋼水所含成分析出的夾雜物，其代表為硬質(zhì)Al2O3等，它在熱軋和冷加工中的延性也較差。因此，應盡量控制此類元素在鋼水中的含量，并進一步研究減少夾雜物含量的技術。作為夾雜物無害化的措施，降低夾雜物的熔點從而提高鋼絲延性的技術也在開發(fā)和實用化中。鋸斷鋼絲用線材中的夾雜物起源于渣中的CaO-SiO2-Al2O3系和脫氧生成物的MnO-SiO2-Al2O3系，兩系的成分經(jīng)熱軋延伸后，夾雜物中的Al2O3含量達到20%左右。因此，通過對渣內(nèi)成分的控制可以使Al2O3無害化。同時，作為提高高強度線材質(zhì)量的共通技術，防止表面缺陷、連續(xù)工序的控制技術和提高鋼鐵質(zhì)量檢查的精度等各種技術改造也十分重要。鋼鐵產(chǎn)品中強度最高的線材。鋸斷鋼絲的抗拉強度隨鋼絲直徑的減小而變大，鋸斷鋼絲抗拉強度和鋼絲直徑的關系見表。鋸斷鋼絲被列為鋼鐵產(chǎn)品中強度最高的，因為現(xiàn)在使用的鋸斷鋼絲的抗拉強度已提高到4000MPa級以上，而日本著名的明石海峽大橋用鋼絲的抗拉強度也僅為1900MPa。 鋸斷鋼絲抗拉強度和鋼絲直徑的關系  日本生產(chǎn)的鋸斷鋼絲用線材的質(zhì)量獲得普遍的好評，其主要原因是日本鋼企實現(xiàn)了高潔凈度的煉鋼技術。光伏發(fā)電產(chǎn)品的市場需求今后仍將呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，鋸斷鋼絲生產(chǎn)企業(yè)間的競爭也將日益激烈。為適應鋸斷鋼絲高強度化和細徑化的要求，應該堅持線材的潔凈化生產(chǎn)，控制夾雜物產(chǎn)生。