光伏電池用鋸斷鋼絲生產(chǎn)技術(shù)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(shè)1MW以上的光伏發(fā)電項(xiàng)目日益增多，因?yàn)樗稍谖蓓數(shù)冉ㄖ辖ㄔO(shè)，維護(hù)也比較方便。同時(shí)，從2012年起的電網(wǎng)優(yōu)惠定價(jià)上網(wǎng)也更有利于推動(dòng)光伏發(fā)電的快速發(fā)展。 　　21世紀(jì)初，日本的光伏發(fā)電總量曾居世界第一。2005年，德國(guó)通過(guò)實(shí)施固定價(jià)上網(wǎng)制（FIT）數(shù)年后超過(guò)了日本，這種制度很快又在西班牙等歐洲各國(guó)推廣，使世界光伏發(fā)電的年增長(zhǎng)率達(dá)到40%以上。金融危機(jī)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(jìn)一步發(fā)展，此后捷克和意大利等國(guó)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(guó)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(shù)。光伏發(fā)電所用的光伏電池是將太陽(yáng)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(guò)去切割硅錠時(shí)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(gè)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(gè)導(dǎo)輥中張開(kāi)，通過(guò)鋼絲走行將硅錠鋸斷成硅片。導(dǎo)輥上的鋼絲通過(guò)約500個(gè)平行排列的溝，所以一次可鋸成500個(gè)硅片。鋼絲從一側(cè)的立筒上卷取，沿輥溝供應(yīng)，從另一側(cè)的立筒卷取拉出，總長(zhǎng)約50千米。為了從高價(jià)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(gè)硅片。 　　進(jìn)步中的鋼絲切斷技術(shù)。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(shí)切斷多片硅片且適應(yīng)基板薄型化的趨勢(shì)，但主要問(wèn)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(diǎn)是加工時(shí)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(xì)徑鋼絲價(jià)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(fù)荷的研究以及用齒鋸對(duì)木材切斷般將鋼絲角度邊變化邊切斷的“搖動(dòng)式”鋸斷方法都在研究開(kāi)發(fā)中。 　　細(xì)徑化高強(qiáng)化潔凈化 　　向不斷線鋸斷鋼絲挑戰(zhàn)。在使用鋸斷鋼絲對(duì)薄片切斷時(shí)，為縮短鋸斷時(shí)間并提高硅片的成材率，要求鋼絲細(xì)徑化，為保證硅片質(zhì)量而高強(qiáng)度化。因此，需要開(kāi)發(fā)供應(yīng)極高強(qiáng)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(dá)到0.82%）的共析鋼線材經(jīng)細(xì)線加工而成。 　　具體過(guò)程是：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(yáng)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(zhǎng)達(dá)10千米，切斷時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，若中途斷線則材料全部報(bào)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(shí)反復(fù)的彎曲應(yīng)力和抗拉應(yīng)力。 　　夾雜物控制是生產(chǎn)重點(diǎn)。鋸斷鋼絲斷線的主要原因有夾雜物、表面開(kāi)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(duì)夾雜物進(jìn)行控制。因?yàn)榫€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(kāi)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(yīng)保持應(yīng)有的強(qiáng)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(yīng)盡量控制此類元素在鋼水中的含量，并進(jìn)一步研究減少夾雜物含量的技術(shù)。 　　作為夾雜物無(wú)害化的措施，降低夾雜物的熔點(diǎn)從而提高鋼絲延性的技術(shù)也在開(kāi)發(fā)和實(shí)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(dá)到20%左右。因此，通過(guò)對(duì)渣內(nèi)成分的控制可以使Al2O3無(wú)害化。 　　同時(shí)，作為提高高強(qiáng)度線材質(zhì)量的共通技術(shù)，防止表面缺陷、連續(xù)工序的控制技術(shù)和提高鋼鐵質(zhì)量檢查的精度等各種技術(shù)改造也十分重要。 　　鋼鐵產(chǎn)品中強(qiáng)度最高的線材。鋸斷鋼絲的抗拉強(qiáng)度隨鋼絲直徑的減小而變大，鋸斷鋼絲抗拉強(qiáng)度和鋼絲直徑的關(guān)系見(jiàn)表。鋸斷鋼絲被列為鋼鐵產(chǎn)品中強(qiáng)度最高的，因?yàn)楝F(xiàn)在使用的鋸斷鋼絲的抗拉強(qiáng)度已提高到4000MPa級(jí)以上，而日本著名的明石海峽大橋用鋼絲的抗拉強(qiáng)度也僅為1900MPa。 　　鋸斷鋼絲抗拉強(qiáng)度和鋼絲直徑的關(guān)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(píng)，其主要原因是日本鋼企實(shí)現(xiàn)了高潔凈度的煉鋼技術(shù)。光伏發(fā)電產(chǎn)品的市場(chǎng)需求今后仍將呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，鋸斷鋼絲生產(chǎn)企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。為適應(yīng)鋸斷鋼絲高強(qiáng)度化和細(xì)徑化的要求，應(yīng)該堅(jiān)持線材的潔凈化生產(chǎn)，控制夾雜物產(chǎn)生。