我國金剛石繩鋸和線鋸工具快速發(fā)展

鄭 超

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

1 發(fā)展態(tài)勢

近年來，我國金剛石繩鋸企業(yè)，大力發(fā)展規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)量和產(chǎn)值大幅度提高，粗略估計(jì)，2018年全國繩鋸產(chǎn)量達(dá)300萬米以上，接近世界總需求量的三分之二。桂林特邦新材料公司、長沙百川超硬材料工具公司和福州天石源超硬材料工具公司為國內(nèi)三大生產(chǎn)企業(yè)，單是天石源一家年產(chǎn)量就達(dá)170萬米，年產(chǎn)值達(dá)3.4億元。此外，繩鋸產(chǎn)品質(zhì)量大大提高，生產(chǎn)的產(chǎn)品除礦山開采需要的大直徑繩鋸之外，大量生產(chǎn)的是供多組鋸切割板材所需的7.2、6.2mm小直徑串珠繩鋸。更為可喜的是國內(nèi)多家企業(yè)利用我國機(jī)械制造的優(yōu)勢，向世界二十多個國家出口石材礦山開采繩鋸機(jī)和部分大型組鋸機(jī)。估計(jì)繩鋸機(jī)出口至少3500臺，這是我國超硬材料行業(yè)最為成功的設(shè)備出口，雖然不算是“大國重器”，但作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中一個名不見經(jīng)傳的金剛石繩鋸行業(yè)，在短短的二十幾年間，不但在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，還為“一帶一路”沿線國家的石材礦山開采和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。[1]圖1所示為天石源公司的出口繩鋸機(jī)和多線組鋸機(jī)整裝待發(fā)。圖2為桂林特邦公司出口的繩鋸機(jī)。

最近幾年，金剛石線鋸產(chǎn)業(yè)更是迅猛發(fā)展，由于國內(nèi)光伏行業(yè)對上千臺進(jìn)口的游離式切割機(jī)改造成功，獲得技術(shù)上突破，在單晶硅和多晶硅的切片、截?cái)嗪烷_方工序上大量使用金剛石線切割，使得需求量大增，2017～2018年“531”政策之前，雖然有三家大公司供貨，仍然供不應(yīng)求，從而促使線鋸行業(yè)迅猛發(fā)展，長沙岱勒新材料公司、南京三超金剛石工具公司和楊凌美暢新材料股份有限公司是國內(nèi)線鋸生產(chǎn)大家，年產(chǎn)量超1000萬千米以上，最大達(dá)2500萬千米，一躍而為世界線鋸生產(chǎn)大國。而且，在線徑方面正在研制超細(xì)的0.06mm線鋸用于硅晶的切片加工，進(jìn)一步節(jié)省了材料消耗，降低了成本，促進(jìn)了光伏產(chǎn)品平價上網(wǎng)。有關(guān)部門宣布2019第一批光伏發(fā)電平價上網(wǎng)項(xiàng)目名單已定，其中，光伏發(fā)電平價項(xiàng)目14.78GW，有大約4.8GW預(yù)計(jì)在2019年內(nèi)投產(chǎn)并網(wǎng)，自此光伏平價上網(wǎng)時代正式開啟，這是光伏企業(yè)大量應(yīng)用金剛石線技術(shù)致使晶片加工成本大幅度降低的結(jié)果。最新消息，華鈺新材料科技(天津)有限公司在廣西荔浦籌建金剛石線生產(chǎn)基地，計(jì)劃投資1億元，建設(shè)100條生產(chǎn)線，年產(chǎn)值2億元。可想而知，今后市場競爭將很激烈，每米線價己經(jīng)降到幾角錢。2019年5月，有關(guān)部門在南京聯(lián)合舉辦了2019中國金剛石線切產(chǎn)業(yè)鏈研討會，盛況空前，足見國家和社會對金剛石線技術(shù)發(fā)展的關(guān)注度大大提高。

圖1 天石源公司出口繩鋸機(jī)和多線組鋸機(jī)整裝待發(fā)Fig.1 Exported Wire Saw Machine and Multi-wire Saw Machine from Skystone Company

圖2 桂林特邦公司出口的繩鋸機(jī)Fig.2 Rope saw exported by Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

2014年中國科學(xué)院福建物構(gòu)所最先使用TXJ-1000型環(huán)形金剛石線切割機(jī)用于大型KDP激光晶體的切割加工，切割效率比帶鋸機(jī)提高5倍，切面平整，不崩邊，為國防軍工作出一定貢獻(xiàn)，至今，仍在正常生產(chǎn)使用。2016年天瑞線鋸科技公司的線鋸截?cái)鄼C(jī)開始批量投入國內(nèi)市場，至2019年年中有100多臺設(shè)備分布在江蘇、內(nèi)蒙、甘肅、新疆等十幾個省市的光伏企業(yè)生產(chǎn)使用，充分顯示線速度快，40～60m/s，切割效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，深受用戶青睞。目前公司仍在不斷開發(fā)研制各種不同結(jié)構(gòu)的線鋸機(jī)用于其它半導(dǎo)體晶體、藍(lán)寶石、靶材、功能陶瓷和寶玉石等更多市場的切割應(yīng)用。

2 提高金剛石繩鋸自動化智能化生產(chǎn)水平

金剛石繩鋸生產(chǎn)工藝過程十分復(fù)雜，其中如裝模拆模工序純系手工操作，勞動強(qiáng)度大，近距離接觸粉末對健康不利。筆者從1990年開始接觸繩鋸，并到意大利參觀維諾那展會后就開始研究串珠的冷壓設(shè)備，曾在上海的一次展覽會上與德國飛羽公司工程師交流過，他們的設(shè)計(jì)思路只是將冶金粉末和金剛石混合后壓制成環(huán)狀胎體，而我們卻想連珠芯放在一起冷壓成型。與工程師們一起，經(jīng)過十多年的艱苦努力，反復(fù)修改，靠自主創(chuàng)新制造出一批又一批全自動串珠冷壓機(jī)，將偌大的一個車間裝滿了，操作工人卻減少許多，一個人足可管理8臺設(shè)備，只要將料倒?jié)M，就等著接壓制好的串珠裝盤，以轉(zhuǎn)到下一道工序，就連壓制過程超標(biāo)的串珠也能自動檢揀出來，而且該機(jī)適于各種不同大小結(jié)構(gòu)串珠，連最小的6.2mm串珠也能生產(chǎn)。桂林特邦超硬材料公司的串珠自動化生產(chǎn)線也達(dá)到了相當(dāng)高水平,可以日產(chǎn)10萬粒。國內(nèi)繩鋸生產(chǎn)企業(yè)通過堅(jiān)持不懈地努力,使我國串珠生產(chǎn)躍上世界先進(jìn)水平。圖3所示為天石源公司串珠自動化生產(chǎn)車間。圖4所示為桂林特邦超硬材料公司的串珠自動化和燒結(jié)車間。

圖3 天石源公司串珠自動化生產(chǎn)車間Fig.3 Bead automatic production workshop of Skystone Company

圖4 桂林特邦公司的串珠自動化和燒結(jié)車間Fig.4 Bead automation and sintering workshop of Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

串珠燒結(jié)工序中的裝模和拆模勞動強(qiáng)度大，效率低，天石源公司技術(shù)人員經(jīng)多年反復(fù)試驗(yàn)修改，基本上實(shí)現(xiàn)了在模框上自動裝碳模和串珠并壓緊。下一步將實(shí)現(xiàn)輸送帶或機(jī)械手送模框進(jìn)入爐子燒結(jié)，取出后由輸送帶送往冷卻并拆模。近期將完成燒結(jié)工序的自動化智能化技術(shù)改造創(chuàng)新。其它如繩鋸的產(chǎn)量大，相應(yīng)的注塑注膠工序的生產(chǎn)量也非常大，因此從規(guī)模化設(shè)備的改進(jìn)和工藝技術(shù)的創(chuàng)新仍然要下功夫不斷革新，提高智能化水平。做到一人管理兩臺或三臺設(shè)備，則生產(chǎn)能力才能躍上先進(jìn)水平。總之，國內(nèi)金剛石繩鋸生產(chǎn)企業(yè)在規(guī)模化自動化生產(chǎn)水平上均有很大進(jìn)步，但是仍有不足，有待繼續(xù)努力，攀登高峰，向超硬材料工具強(qiáng)國邁進(jìn)。

3 金剛石線切割設(shè)備國產(chǎn)化

隨著中國光伏產(chǎn)業(yè)迅速崛起，國外幾家多線切割設(shè)備廠家的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中國硅片加工需求，于是國內(nèi)很多設(shè)備制造企業(yè)紛紛開始研制太陽能硅晶片的切割設(shè)備。最早投入多線切割機(jī)開發(fā)的應(yīng)該是上海日進(jìn)公司，該公司引進(jìn)日本技術(shù)，推出類似 MWM442D的樣機(jī)，切割試驗(yàn)結(jié)果良好，幾經(jīng)改進(jìn)，已批量推向市場，該公司同時還生產(chǎn)截?cái)鄼C(jī)和開方機(jī)等晶體切割設(shè)備，圖5所示即為該公司在上海光伏展會展示的開方機(jī)。國內(nèi)陸續(xù)推出多線切片機(jī)的廠家還有上海漢虹、電子集團(tuán)45所、蘭州瑞德、無錫開源、大連連城、北京京聯(lián)發(fā)、湖南宇晶和青島高測等。青島高測除切片機(jī)、截?cái)鄼C(jī)之外，還推出自主創(chuàng)新的單晶硅臥式開方機(jī)，深受歡迎，占領(lǐng)了一大半單晶硅開方市場。

圖5 上海日進(jìn)公司展出的多晶硅開方機(jī) Fig.5 Polycrystalline silicon square opener exhibited by Shanghai Rijin Company

最近幾年，雖然大部分進(jìn)口的游離式線切割機(jī)經(jīng)改造之后，采用國產(chǎn)金剛石線進(jìn)行硅晶的切片生產(chǎn)。但是經(jīng)幾年的零部件消耗，設(shè)備不堪重負(fù)，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，仍需依靠國產(chǎn)多片切機(jī)和開方機(jī)予以替代，才能保證光伏產(chǎn)品上游切割工序生產(chǎn)的正常進(jìn)行。湖南宇晶研制多線切割機(jī)經(jīng)過幾年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，在國內(nèi)已經(jīng)銷售了幾十臺多線切割機(jī)，取得了長足的進(jìn)步，該公司也在開發(fā)適應(yīng)太陽能硅片切割的多線切割機(jī)。總之，近期我國金剛石線切割設(shè)備的國產(chǎn)化水平已獲得大大提高(圖6)。

圖6 青島高測公司的GC-700多線硅晶切片機(jī)Fig.6 GC-700 Multi-wire Silicon Chipper of Qingdao High-speed Measurement Company

目前全球的多線切割設(shè)備市場仍然主要為瑞士的HCT、Meyer Burger(梅耶博格)和日本的NTC，在國內(nèi)光伏行業(yè)切片領(lǐng)域中仍占統(tǒng)治地位，國產(chǎn)設(shè)備若要趕上，仍有很長的路要走。

4 環(huán)形金剛石線的獨(dú)特優(yōu)勢

相比于金剛石長線鋸，環(huán)形金剛石線鋸具有獨(dú)特優(yōu)勢，單晶硅多晶硅屬于硬脆材料，以往使用金剛石鋸片、帶鋸和內(nèi)圓鋸片切割，鋸縫寬，切面不平整，易造成磞邊。而長線鋸，需在兩個卷筒之間正反旋轉(zhuǎn)，往復(fù)切割，線速度受到一定限制，并且機(jī)構(gòu)復(fù)雜，同步控制系統(tǒng)、排線系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，造價高。相對而言，環(huán)線切割機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，切割線單向運(yùn)動，線速度可達(dá)40～60m/s，切割效率高，性價比高，十分適合國內(nèi)光伏行業(yè)上游硅晶截?cái)嚅_方加工廠和半導(dǎo)體晶片代工廠使用。中國的能源革命中，太陽能利用是重中之重，而在當(dāng)前的激烈競爭中，降低加工成本是關(guān)鍵，是當(dāng)前光伏產(chǎn)品平價上網(wǎng)的重要手段。桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院和福州天瑞線鋸科技公司從事環(huán)形金剛石線及其切割機(jī)的開發(fā)研究，更大范圍地服務(wù)于IC行業(yè)單晶硅切割加工和太陽能電池用多晶硅單晶硅的截?cái)嗪烷_方加工等方面。福州天瑞公司經(jīng)過多年對環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)的探索和經(jīng)驗(yàn)積淀，在2014年研制成功TXJ-1000型KDP晶體切割機(jī)基礎(chǔ)上，2016年重點(diǎn)轉(zhuǎn)向單晶硅多晶硅截?cái)鄼C(jī)和開方機(jī)的研制，第一臺PTM200多晶硅截?cái)鄼C(jī)于2016年年底首先在浙江某代工廠試用成功，至今已售出100多臺，見圖7所示，陸續(xù)投放市場的還有PTM350/3多晶硅三工位截?cái)鄼C(jī)、MTM250單晶硅截?cái)鄼C(jī)、MCM300單晶硅籽晶切割機(jī)、MCM400單晶硅靶材切割機(jī)和單晶硅臥式開方機(jī)，等等。[4]圖8所示為桂林特邦公司環(huán)形金剛石線鋸機(jī)。

圖7 PTM200截?cái)鄼C(jī)Fig.7 PTM200 truncator

圖8 桂林特邦公司環(huán)形金剛石線鋸機(jī)Fig.8 Ring Diamond Wire Saw Machine of Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

綜上所述，我國的環(huán)形金剛石線技術(shù)日趨成熟，開始成功地應(yīng)用于人工晶體、太陽能光伏晶體、半導(dǎo)體單晶硅的切割加工，跨入該項(xiàng)技術(shù)的世界先進(jìn)行列，并引領(lǐng)在光伏制造上游加工鏈中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提高了產(chǎn)業(yè)的加工水平。事實(shí)說明，除了多片切割之外的其它切割工序均可采用環(huán)形金剛石線切割機(jī)。今后，還有更多的切割設(shè)備有待去開發(fā)研制。環(huán)形金剛石線鋸技術(shù)的成功應(yīng)用也是我國超硬材料工具行業(yè)開發(fā)出的一項(xiàng)創(chuàng)新成果，相信今后會有更大的拓展空間。

5 建議

(1)協(xié)會領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)組織一個協(xié)調(diào)交流會，取長補(bǔ)短，開發(fā)設(shè)計(jì)出一整套更加先進(jìn)，更為完善的金剛石繩鋸自動化生產(chǎn)線，讓全行業(yè)共享，并組織海外建廠。

(2)協(xié)會應(yīng)組織制定礦山開采繩鋸機(jī)和多組鋸機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一規(guī)格和性能參數(shù)，以及出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，創(chuàng)造中國名牌。

(3)國產(chǎn)金剛石線多片切割機(jī)的性能和制造質(zhì)量與國外先進(jìn)設(shè)備還有相當(dāng)大的差距，協(xié)會應(yīng)組織全國的技術(shù)力量，努力攻關(guān)。

部分?jǐn)?shù)據(jù)未能核實(shí)，敬請諒解。