СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАННЫХ АБРАЗИВНЫХ СУСПЕНЗИЙ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ИХ КОМПОНЕНТОВ МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
METHOD AND DEVICE TO TREAT WASTE ABRASIVE SUSPENSIONS FOR RECOVERY OF THEIR REUSABLE COMPONENTS

Настоящее изобретение касается способа и аппарата для обработки отработанных абразивных суспензий для регенерации компонентов многократного использования. Более определенно, изобретение касается способа, с необходимым оборудованием его осуществления, полной регенерации компонентов многократного использования, содержащихся в абразивной суспензии, используемой в резке кристаллических материалов кремния, кварца или керамик, когда она истощается и обогащается нежелательным отработанным материалом. Способ дает возможность полной регенерации еще абразивных зерен многократного использования, содержащихся в отработанной суспензии, так же как полной регенерации суспендирующей жидкости абразивной суспензии, чтобы повторно использовать оба компонента в производственном процессе.
Как известно, производство компонентов для применений в электронной и фотоэлектрической областях использует мелкие кремниевые диски ("вафли"), полученные из поликристаллических или монокристаллических кремниевых слитков разрезанием слитков перпендикулярно их длине. Как правило, эту операцию разрезания выполняют посредством режущего инструмента или проволочной пилы, в которой металлическая проволока значительной длины и соответствующего механического сопротивления, намотанная в системе вращающихся цилиндров и катушек, контактирует, двигаясь со слитком, перпендикулярно к длине слитка в точках, где разрез должен быть сделан. В то же самое время суспензию, содержащую абразивные зерна или частицы (абразивную суспензию), подают в зону контакта режущей проволоки со слитком.
Обычные абразивные суспензии, используемые для резки слитков кремния, кварца или другого керамического материала проволочной пилой, состоят из суспендирующей, смазочной или охлаждающей текучей среды, такой как минеральное масло или растворимые в воде органические жидкости высокого молекулярного веса (в частности, полиэтиленгликоль, ПЭГ), в которых суспендированы абразивные частицы подходящей твердости, обычно, карбида кремния (SiC).
Во время операции резания часть абразивных зерен теряет свою способность содействовать процессу резания, так как они разрушаются на более малые частицы и, таким образом, больше не пригодны для операции резания: это показано тем фактом, что распределение размеров зерен абразивных частиц уменьшается до более низких средних значений. В то же самое время абразивная суспензия обогащается мелким измельченным материалом, происходящим из разрезаемого кремниевого слитка и также из режущей проволоки (главным образом, железом), так же как из металлических труб самого аппарата.
По мере того, как количество мелко измельченного материала увеличивается, абразивная суспензия теряет свои механические свойства и эффективность операции резания уменьшается до степени, такой, что суспензия становится неэффективной и должна быть забракована и заменена свежей абразивной суспензией.
От отработанной абразивной суспензии, которая забракована, можно избавиться термодеструкцией, но это включает очевидное неудобство, не только из-за потери компонентов многократного использования, но также из-за воздействия на окружающую среду. Фактически, термодеструкция - это метод удаления отходов, который не лишен отрицательных явлений, как в том, что касается экологического и атмосферного загрязнения из-за возможного присутствия вредных веществ в топочных газах или в золах, так и в том, что касается неизбежного вклада в парниковый эффект вследствие производства диоксида углерода из-за сгорания органических веществ.
Как альтернативу сжиганию, абразивную суспензию можно послать на завод переработки биологических отходов для муниципальных или промышленных отходов, но образующийся шлам должен тогда пойти на закапывание.
В обоих вышеуказанных случаях, кроме экологической проблемы, вследствие необходимости избавляться от отходов, есть значительное экономическое неудобство потерять значительное количество еще абразивных зерен многократного использования, содержащихся в отработанной суспензии, то есть тех зерен, которые еще имеют правильный размер, который используется в абразивной суспензии. Кроме того, имеется также потеря жидкого продукта, составляющего суспендирующую или смазочно-охлаждающую текучую среду. Последний (который может быть основан на минеральном масле или на органической жидкости, такой как ПЭГ), если эффективно очищен от взвешенных мелких частиц металлических остатков и кремния, так же как от абразивных зерен однократного использования, был бы совершенно пригоден для повторного использования в процессе, потому что сохраняет свои собственные характеристики неизменными в течение самого процесса.
Так как потребность отделять и регенерировать компоненты отработанной абразивной суспензии - это хорошо понимаемая задача, то предложены несколько методов, чтобы осуществить эту регенерацию, по меньшей мере, частично. Как в случае абразивных суспензий на основе масел, так и в случае суспензий на основе водорастворимых органических жидкостей, все предложенные методы переменно комбинируют следующие основные операции:
a) предварительное понижение вязкости отработанной суспензии, а именно, добавлением растворителя или нагреванием, чтобы подготовить следующие операции;
b) отделение абразивных зерен влажной сортировкой по размерам, такое как центрифугирование или пропускание суспензии через гидроциклон (статический сепаратор твердых частиц, увлеченных жидкостью, который эксплуатирует действие центробежной силы);
с) фильтрование жидких фаз, образующихся при разделении абразивных зерен;
д) перегонку жидких смесей растворителя и охлаждающей текучей среды, составляющих фильтрат;
е) сушку абразивных зерен многократного использования.
До настоящего времени известные технологии, как будет сказано яснее ниже с отсылкой к некоторым примерам предшествующей техники, представляют различные неудобства в большей или меньшей степени, включая недостаточное качество абразивных зерен многократного использования в смысле размера или в смысле присутствия мелкого измельченного материала кремния и/или металла, чрезмерную сложность способа или высокое число необходимых операций, значительный расход растворителя, который добавляют для разделения, или длинные времена, необходимые для обработки, и/или низкие выходы различных компонентов.
Заявка на европейский патент ЕР-А-786317 (Shin-Etsu Handotai Co.) описывает систему для повторного использования отработанной абразивной суспензии типа на основе масла, в которой сначала добавляют воду к отработанной суспензии, чтобы понизить ее вязкость, и затем образующуюся смесь подают в гидроциклон, чтобы отделить абразивные зерна многократного использования. Как известно, в гидроциклоне сырье, подлежащее обработке, подают с верха с высокой скоростью и тангенциально в аппарат, так чтобы центробежная сила отбрасывала более тяжелые частицы к сторонам емкости. Двигаясь по спирали, более тяжелые частицы затем собираются в коническом кубе емкости (нижний продукт), в то время как очищенная жидкость выходит с верха из центральной трубы (верхний продукт). В решении, предложенном в вышеуказанном документе, верхний продукт гидроциклона, который содержит маслообразную смазочно-охлаждающую текучую среду, воду и все те твердые частицы, которые не отсортированы пропусканием через гидроциклон, затем фракционируют на три фазы центрифугированием. Эта операция дает маслообразную фазу, которую повторно используют при резании, воду, которую повторно используют в предварительной фазе разбавления отработанной суспензии, и остаточную суспензию, содержащую твердые частицы, подлежащие выбраковке, которые посылают на завод переработки отходов.
Очевидно, что описанный способ не позволяет получать высокое качество фракции абразивных зерен, регенерируемых из гидроциклона, только потому, что эта фракция содержит определенное количество более мелких твердых частиц, включая некоторые количества кремниевых порошков и металлических порошков (главным образом, железа), которые собираются в отработанной суспензии как остатки операции резания. Нежелательные мелкие порошки имеют тенденцию накапливаться в абразивной суспензии, по мере того, как она регенерируется и повторно используется согласно способу, описанному в вышеуказанном документе. То же самое касается маслообразной суспензии, регенерируемой на операции центрифугирования, которая неизбежно содержит остаточные количества мелких твердых частиц, которые возвращаются в операцию резания и накапливаются в системе.
Способ, очень похожий на способ, упомянутый выше, описан в заявке на международный патент № WO 01/43933 (Fraunhofer-Gesellschaft zur Forderung der angewandten Forschung e. V.), которая описывает способ, который, как подразумевают, является усовершенствованием ранее описанного способа. Эксплуатационные стадии - фактически те же самые, как стадии, описанные в документе EP-A-786317, но вспомогательная текучая среда способа, которая добавляется на предварительной фазе, чтобы понизить вязкость отработанной суспензии (которая была водой в предыдущем случае абразивной суспензии на основе масла), выбирается в этом случае так, чтобы она смешивалась с суспендирующей жидкостью абразивной суспензии. Поэтому, в случае абразивных суспензий на основе масел, разбавляющую текучую среду выбирают из олеофильных растворителей (таких, как гексан или гептан), в то время как в случае суспензий на водной основе применяют амфифильные растворители (такие, как ацетон). Это дает возможность создавать устойчивую суспензию мелких частиц, подлежащих выбраковке, и улучшить отделение абразивных зерен, которые регенерируются на первой фазе влажной сортировки.
Суспензия, полученная после отделения абразивных зерен многократного использования, должна быть подвергнута перегонке, после необходимого отфильтровывания суспендированных мелких твердых частиц, при условии, что в этом случае добавляемая жидкость смешивается с суспендирующей текучей средой.
В этом случае также регенерируемые абразивные зерна не полностью свободны от зерен однократного использования и остатков мелких частиц металла и кремния (до 2%) с очевидным понижением качества абразивного материала, подлежащего регенерации и повторному использованию в процессе резания. Кроме того, здесь также часть металлов остается в растворе суспендирующей текучей среды, которая повторно используется в способе и постепенно накапливается.
Европейский патент ЕР 0791385 (Shin-Etsu Handotai Co. и др.) описывает способ разделения и повторного использования отработанных абразивных суспензий, подобный двум способам, описанным выше, но, главным образом, предназначенный для использования в случае водорастворимых суспензий. Здесь также первая операция заключается в разбавлении суспензии водой, чтобы понизить ее вязкость. Затем смесь подвергают влажной сортировке по размерам, чтобы отделить абразивные зерна многократного использования; здесь также предпочтительным аппаратом является гидроциклон.
Часть способа, которая отличается больше всего от вышеуказанных двух систем, касается регенерации и разделения жидкой суспензии, полученной из верхнего продукта гидроциклона. Коагулянт добавляют к этой жидкой суспензии, чтобы способствовать разделению суспендированных частиц, и затем все целиком подвергается перегонке, из которой вода регенерируется как самая легкая фракция, которая повторно используется для начального разбавления отработанной суспензии.
Смесь водорастворимой суспензии, суспендирванных частиц и коагулянта подвергают сепарационной обработке на твердую и жидкую фазы, предпочтительно центрифугированию, чтобы получить, с одной стороны, твердый остаток, который будет забракован, и, с другой стороны, водорастворимую суспензию. Это может быть повторно использовано в способе резания после дальнейших обработок, среди которых добавление диспергирующего агента, чтобы отрегулировать вязкость суспензии.
И, что касается качества регенерированных абразивных зерен и чистоты суспензии, которую возвращают назад в способ резания, сохраняются те же самые соображения, как соображения, сделанные в отношении двух предыдущих вышеупомянутых способов.
Патент США № 6010010 (Elektroschmelzwerk Kempten) предлагает способ обработки отработанных абразивных суспензий, полностью отличный от способов, рассмотренных ранее. В этом случае, в первой фазе весь твердый компонент сушится, например, испарением под вакуумом или распылительной сушкой, которая включает нагревание отработанной суспензии до некоторой степени. Затем абразивные частицы многократного использования отделяют от более мелкого выбракованного материала обычными способами сухой сортировки по размерам. Выпаренная жидкость, в значительной степени состоящая из суспендирующей текучей среды абразивной суспензии, конденсируется и может быть повторно использована в способе резания.
Технологическое предложение полной сушки твердых частиц, суспедированных в отработанной суспензии, и последующего периодического испарения и повторной конденсации суспендирующей текучей среды является очевидно неудобным по причине расхода энергии, а также подвергает суспендирующую жидкость термическим напряжениям, которые могут способствовать ее разрушению. Если суспендирующей текучей средой является масло, строение конденсата может отличаться от строения нового масла, в то время как, если жидкостью является полиэтиленгликоль (ПЭГ), способ не работал бы, так как ПЭГ, имеющий высокий молекулярный вес, не может быть испарен без повреждения его структуры из-за высокой температуры, необходимой для испарения. Кроме того, способ высокотемпературного испарения создает железо-силикатные агломераты, которые не отделяются и остаются с абразивным материалом.
Кроме того, разделение высушенных твердых частиц любым способом сухой сортировки (просеивание, грохочение, пневматическая сортировка через циклон) дает плохой выход регенерируемых абразивных частиц многократного использования и, в этом случае, также не избегают загрязнения мелкими кремниевыми и металлическими порошками.
Европейский патент ЕР 0968801 (MEMC Electronic Materials and Garbo Servizi) описывает способ, направленный на регенерацию отработанной абразивной суспензии типа на водорастворимой основе, в которой отработанный абразив сначала нагревают, чтобы понизить его вязкость, и затем подвергают начальному разделению фильтрованием. Это приводит к очищенной жидкости, в значительной степени состоящей из смазочно-охлаждающей жидкости со следами мелких порошков и агломерата влажных порошков, содержащих, наряду с малым количеством смазочно-охлаждающей жидкости, почти все твердые тела, суспендированные в отработанной суспензии. Влажные порошки затем разбавляют водой и разделяют, используя гидроциклон, который производит фракцию зерен большого размера (нижний продукт), по существу содержащий абразивные зерна многократного использования, и фракцию “верхнего продукта”, состоящую из мелких частиц (абразив однократного использования, кремниевый порошок и металлические порошки), суспендированных в воде в смеси с меньшим количеством суспендирующей текучей среды. Фракцию, содержащую абразивные зерна, сушат в печи, в то время как верхнюю фракцию с верха гидроциклона фильтруют, причем регенерируют водный поток, который служит, чтобы разбавить влажные порошки перед способом разделения в гидроциклоне, и получают твердый остаток, по существу состоящий из кремниевого порошка и металлов.
Суспендирующая жидкость, которая регенерируется из первого фильтрования горячей отработанной суспензии, освобождается от дальнейших следов порошков посредством дальнейшей операции фильтрования, после чего ее посылают в способ резания.
Что касается качества регенерируемых абразивных зерен, ни один из способов, описанных в патенте ЕР 0968801, не позволяет достигать фактически полного удаления мелкого измельченного материала, который остается в количестве приблизительно 2% в абразивных зернах, возвращаемых назад в способ резания. Другим существенным недостатком способа под испытанием, помимо необходимости нагревать отработанную суспензию заранее, чтобы понижать ее вязкость, является необходимость добавлять значительные количества воды к влажным порошкам, полученным из первого фильтрования, чтобы выполнить способ разделения в гидроциклоне. Наконец, должно также быть отмечено, что теряется меньшее количество смазочно-охлаждающей жидкости, потому что оно остается в твердых частицах после первого фильтрования.
Другой предложенный способ для обработки отработанных абразивных суспензий, которые имеют водорастворимую жидкую основу (а конкретно, полиэтиленгликоль, ПЭГ), описан в заявке на международный патент № WO 02/096611 (MEMC Electronic Materials and Garbo Servizi), в котором отработанную суспензию сначала разделяют на твердую фракцию и жидкую фракцию, в значительной степени лишенную твердых частиц посредством фильтрования. Отделенные твердые частицы, которые включают абразивные зерна многократного использования, зерна однократного использования и мелкие порошки кремния и металлов, так же как незначительное количество суспендирующей жидкости, промывают водой и затем обрабатывают раствором гидроксида натрия (выщелачивающее щелочное средство), чтобы выполнить растворение кремниевого мелкоизмельченного материала и удалить его. Фильтрат, полученный из вышеуказанной операции, затем обрабатывают выщелачивающим кислотным средством (таким, как раствор серной кислоты), чтобы осуществить растворение металлических порошков и удалить их, таким образом, получая смесь только зерен абразивного материала однократного использования и многократного использования после отмыва твердой фракции. Эта твердая фракция, освобожденная от мелких загрязняющих веществ химическим травлением, может быть разделена согласно размеру зерен на зерна многократного использования и отработанные зерна путем обработки в гидроциклоне, очевидно при соответствующем разбавлении водой.
Итак, в отличие от других способов, описанных выше, этот сложный ряд операций дает возможность полного удаления нежелательного мелкого измельченного материала, обычно остающегося на абразивных зернах, регенерированных из отработанной суспензии и возвращенных назад в способ.
Должно быть отмечено, что после каждой из упомянутых операций химического травления, промывки и фильтрования твердый остаток должен быть взят из оборудования фильтрования и подан в следующую фазу, что также имеет недостаток, такой, что вызывает дальнейший износ абразивных зерен, подлежащих регенерации.
Что касается регенерации жидкой фракции, первоначально отделенной при фильтровании отработанной суспензии, то заявка WO 02/096611 сообщает, что фракция может быть прямо повторно использована в операции резания в качестве смазочно-охлаждающей жидкости. Эту фракцию смешивают с меньшим количеством жидкости, регенерированной из промывки «пирога» первого фильтрования, таким образом можно полагать, что регенерация водорастворимой суспензии составляет практически 100%.
Большим недостатком способа, описанного выше, помимо сложности ряда операций, необходимых для регенерации и очистки твердой фракции, является высокий расход химических реактивов в растворе, необходимом для стадии выщелачивания.
Из рассмотрения этого предшествующего уровня техники следует, что цель настоящего изобретения - обеспечить способ обработки отработанных абразивных суспензий, таких как используемые для резания кремниевых пластин посредством машин с проволочными пилами, чтобы регенерировать компоненты многократного использования; способ дает возможность фактически полной регенерации еще абразивных зерен многократного использования и суспендирующей жидкости посредством экономически удобного способа с несложным управлением. Метод должен также гарантировать полное удаление из регенерированного материала многократного использования нежелательных мелкопорошковых компонентов, поступающих из способа резания и из разрушенного и отработанного абразивного материала.
После известных и ранее показанных способов, таких как первая операция в разделении отработанной суспензии, регенерация абразивных зерен многократного использования из остальной части суспензии посредством влажной сортировки по размерам в гидроциклоне, согласно настоящему изобретению была изобретена система, в которой эту влажную сортировку выполняют оптимальным образом не в одном гидроциклоне, но - после начального разделения центрифугированием большинства смазочно-охлаждающих жидкостей вместе с частью более мелких твердых частиц - в батарее гидроциклонов, соответственно соединенных последовательно. Гидроциклоны, которые также могут быть заменены подобной батареей центрифуг, соединенных последовательно, питают противотоком очищаемой жидкой суспензией, рециркулируемой из одной из последующих фаз обработки суспендирующей жидкости и, соответственно, нагретой. В предложенной батарее гидроциклонов суспензию, обогащенную абразивными зернами, полученную как нижний продукт (НП) из куба одного гидроциклона, подают в следующий гидроциклон в ряду, и из нижнего продукта последнего из них получают суспензию абразивных частиц оптимального размера зерен. Отработанная суспензия, которую подают в начальную центрифугу сепаратора жидкой и твердой фаз, не нуждается ни в какой предварительной обработке разбавлением или нагреванием, и количество растворяющей жидкости, введенной в способ (обычно вода, в случае водорастворимой суспензии), исключительно соответствует растворителю, необходимому, чтобы заместить, хотя бы незначительно, количество, теряющееся ниже по потоку.
Согласно другому новаторскому аспекту изобретения, суспензию НП, полученную из батареи гидроциклонов, далее обрабатывают так, чтобы регенерировать из нее остаточное количество суспендирующей текучей среды и растворителя, содержащегося в нем, и далее очищают абразивные зерна, выполняя все необходимые операции в пределах единственного многофункционального аппарата для фильтрования без необходимости перемещать твердые частицы из одной операции в следующую. В этой фазе фильтрования и обработки регенерируемых абразивных зерен суспензия, прибывающая из батареи гидроциклонов, и осадок на фильтре подвергают последующим операциям горячего промывания, выщелачивания химическим травлением - как кислотным, так и щелочным - мелких частиц, еще содержащихся в твердом агломерате, и затем дальнейшего промывания и сушки таким образом очищенных зерен, без какого-либо перемещения твердого материала из аппарата. Это приводит к значительному сокращению времени и стоимости затрат и лучшему качеству полученных абразивных зерен. Очевидно, поскольку этот вид аппарата функционирует в периодическом режиме, он должен быть разъединен с прежней установкой непрерывной обработки влажной сортировкой по размеру. С этой целью технология предусматривает буферный резервуар для нижнего продукта (НП) батареи гидроциклонов, из которой суспензию отбирают для дальнейшей обработки в многофункциональном фильтрующем аппарате.
Следовательно, настоящее изобретение определенно обеспечивает способ обработки отработанных абразивных суспензий, включающих суспендирующую жидкость, абразивные зерна многократного использования, мелкие абразивные зерна, мелкие кремниевые частицы и мелкие металлические частицы, причем способ включает следующие стадии:
i)
ii)
a) разделение отработанной суспензии влажной сортировкой по размерам на: жидкую суспензию, содержащую абразивные зерна многократного использования, в смеси суспендирующей жидкости с жидким растворителем и жидкую суспензию в той же самой смеси, содержащую мелкие абразивные зерна, так же как мелкие кремниевые частицы и мелкие металлические частицы;
b) регенерацию суспендирующей жидкости из упомянутой жидкой суспензии, содержащей мелкие зерна и частицы, посредством сепарационных обработок на твердую и жидкую фазы, объединенных с перегонкой жидкого растворителя;
характеризующийся фактически тем, что упомянутую влажную сортировку по размеру стадии a) выполняют обработкой смеси в центробежном сепараторе жидкой и твердой фаз, который, в свою очередь, питает полученной фракцией, содержащей твердые частицы, батарею из по меньшей мере двух гидроциклонов или двух центрифуг, соединенных последовательно и питаемых в противотоке жидкой фракцией, включающей часть очищенной жидкости, полученной на упомянутых стадиях b) регенерации суспендирующей жидкости, таким образом, получая из нижнего потока последнего гидроциклона или последней центрифуги батареи жидкую суспензию, содержащую абразивные зерна многократного использования, причем суспензия существенно не содержит мелких абразивных зерен. Предпочтительно, число гидроциклонов или центрифуг батареи по настоящему изобретению составляет 3-6.
Центробежный сепаратор жидкой и твердой фаз, выполняющий первую обработку отработанной абразивной суспензии, разделяет ее на две суспензии, одну, обогащенную твердыми частицами, которая содержит в среднем 10-30% суспендирующей жидкости и твердых частиц больше 2 мкм в размере, и другую, по существу жидкую суспензию, содержащую 70-90% суспендирующей жидкости и более малые, более мелкие твердые частицы.
Еще согласно настоящему изобретению жидкую суспензию, содержащую абразивные зерна многократного использования, полученную из нижнего продукта последнего гидроциклона или центрифуги батареи, далее обрабатывают, чтобы получить абразивные зерна в сухом состоянии, очищенном от следов мелких зерен и измельченного материала, в многофункциональном аппарате, осуществляющем следующие последовательные стадии без какого-либо перемещения материала: фильтрование упомянутой жидкой суспензии, промывание образующихся зерен и выщелачивание из них химическим травлением любых мелких кремниевых и металлических частиц и, наконец, сушку зерен очищенного абразива.
В отличие от известных систем предшествующей технологии, отработанную суспензию прямо подают в секцию влажной сортировки без добавления какой-либо жидкости, чтобы регенерировать фракцию, содержащую абразивные зерна многократного использования. Количество жидкого растворителя, которое добавляют к системе в другой секции аппарата, только служит, чтобы заместить, хотя бы незначительно, количество растворителя, теряемого системой.
Согласно одному конкретному варианту настоящего изобретения следующие последовательные операции выполняют в многофункциональном аппарате для фильтрования и обработки абразивных зерен:
A) фильтрование жидкой суспензии, содержащей абразивные зерна многократного использования, полученные из нижнего продукта последнего гидроциклона или последней центрифуги батареи;
B) промывание твердой фракции, образующейся в операции A, используя жидкий растворитель;
C) выщелачивание химическим травлением мелких кремниевых и металлических частиц твердой фракции, образующейся в операции B, с получением растворов силиката и растворов солей металлических примесей, растворенных в отводимой жидкости;
D) промывание твердой фракции, образующейся в операции C, используя жидкий растворитель;
E) сушку абразивных зерен твердой фракции, образующейся в операции D.
Предпочтительно, операцию C выщелачивания химическим травлением выполняют в следующих двух последовательных стадиях:
C1) каустическое травление мелких кремниевых частиц обработкой твердой фракции, образующейся в операции B, раствором щелочного вещества, в частности гидроксидом натрия или гидроксидом калия;
C2) кислотное травление металлических мелких частиц обработкой твердой фракции, образующейся в операции C1), раствором кислотного реагента, в частности азотной кислотой, соляной кислотой, щавелевой кислотой, серной кислотой, лимонной кислотой или винной кислотой или их смесями.
В способе по настоящему изобретению жидкая фракция, питающая в противотоке батарею гидроциклонов или центрифуг, предпочтительно включает, помимо части очищенной жидкости, полученной из стадии b) регенерации суспендирующей жидкости, также жидкость, полученную из операции A) фильтрования суспензии, полученной из куба последнего гидроциклона или центрифуги батареи, и жидкость, полученную из операции B) последующего промывания.
Из вышесказанного следует, что способ по настоящему изобретению может идеально быть подразделен на три секции. Первая секция состоит из центробежного сепаратора твердой и жидкой фаз (центрифуги) и батареи гидроциклонов или центрифуг, в то время как вторая заканчивает регенерационную обработку абразивных зерен различными операциями, выполненными в двух фильтрах и дополнительном сосуде, в котором проводят химические реакции, или, лучше, в специальном многофункциональном аппарате. Третья секция состоит из ряда операций, выполненных на верхнем продукте из батареи гидроциклонов или центрифуг, объединенном с жидкой фракцией, разделенной начальным центробежным сепаратором твердой и жидкой фаз, чтобы удалить нежелательный мелкий измельченный материал и повторно использовать суспендирующую жидкость в способе резания.
Согласно некоторым наиболее предпочтительным вариантам настоящего изобретения упомянутую жидкую суспензию ii), содержащую мелкие абразивные зерна и мелкий кремниевый и металлический измельченный материал, полученный из верхнего продукта первого гидроциклона или первой центрифуги упомянутой батареи, далее обрабатывают в предохранительном гидроциклоне или центрифуге, а суспензию, полученную из верхнего продукта упомянутого предохранительного гидроциклона или центрифуги, подвергают упомянутым стадиям b) регенерации суспендирующей жидкости. Предохранительный гидроциклон или центрифуга разработаны, чтобы предохранить первый гидроциклон (или первую центрифугу) батареи от риска насыщения.
Определенно, указанные стадии b) регенерации суспендирующей жидкости, выполненные в третьей секции предложенного способа, включают, в качестве первой стадии, фильтрование, которое также принимает жидкость, полученную из операций A и B и посылаемую в многофункциональный аппарат для обработки абразивных зерен. Фильтрация дает очищенную жидкость, в основном содержащую суспендирующую жидкость, жидкий растворитель и мелкие частицы металла, которую затем подразделяют на две части: большая из указанных частей составляет упомянутую часть очищенной жидкости, питающей противотоком вверх по течению батарею гидроциклонов или центрифуг, а меньшая часть подвергается дальнейшей обработке для регенерации суспендирующей жидкости. Как будет более очевидно ниже, с отсылкой к подробному описанию некоторых определенных вариантов настоящего изобретения, большая часть очищенной жидкости обычно составляет 40-90% очищенной жидкости, полученной фильтрованием верхнего продукта батареи гидроциклонов или центрифуг, и предпочтительно нагревается перед подачей в упомянутую батарею.
Предпочтительно, меньшую часть очищенной жидкости, которую далее обрабатывают, чтобы регенерировать суспендирующую жидкость, соединяют с фракцией, полученной из упомянутого центробежного сепаратора жидкой и твердой фаз, выполняя первую операцию способа. Затем жидкость может быть далее очищена согласно одному или другому из двух альтернативных способов. На основе первого альтернативного способа жидкую фракцию, образующуюся из упомянутого добавления, подщелачивают до pH 9-10, прибавляя щелочной раствор, и затем подвергают микрофильтрации, чтобы удалить гидроксид железа, который образуется при подщелачивании. Очищенную жидкость из микрофильтрации нейтрализуют добавлением раствора кислоты и подвергают перегонке, чтобы отделить упомянутый растворитель от суспендирующей жидкости испарением (растворитель преднамеренно выбирают так, чтобы он был более легким из этих двух компонентов). Следовательно, суспендирующую жидкость далее очищают фильтрованием, удаляя соль, которая образуется при нейтрализации.
Согласно альтернативному способу очистки суспендирующей жидкости упомянутую меньшую часть очищенной жидкости подвергают микрофильтрации, чтобы удалить большинство мелких частиц металла из очищенной жидкости, а очищенную жидкость, полученную микрофильтрацией, далее подвергают обработке на ионообменных смолах, чтобы удалить ионы металлов и другие примеси из упомянутой очищенной жидкости.
Для оптимального отделения последних следов нежелательного мелкого измельченного материала указанная обработка на ионообменных смолах включает первую обработку на катионных смолах и вторую обработку на анионных смолах.
Очищенная жидкость, полученная из обработки ионообменными смолами, состоит из смеси суспендирующей жидкости и жидкого растворителя, лишенной взвешенных твердых частиц или металлов в растворе. Такую смесь, наконец, подвергают перегонке, чтобы отделить испарением указанный растворитель от очищенной суспендирующей жидкости. Суспендирующую жидкость, остающуюся после этой операции, прямо возвращают в способ резания; и она имеет такие же самые характеристики, как свежая смазочно-охлаждающая жидкость.
В обоих этих альтернативных способах регенерации суспендирующей жидкости после испарения растворитель конденсируют и повторно используют в промывочных фазах B и/или D абразивных зерен в указанном многофункциональном аппарате. Благодаря регенерации и повторному использованию растворителя, весь способ использует незначительные количества растворителя как такового, по существу эквивалентные количеству остаточной воды, остающейся в осадке фильтрования абразивного материала в конце первого способа горячего промывания регенерированных абразивных зерен.
Должно быть отмечено, что способ по настоящему изобретению может быть осуществлен как для обработки абразивных суспензий на основе масла, так и для обработки абразивных суспензий на водной основе, которые являются в настоящее время более широко распространенными. В последнем случае предпочтительной суспендирующей жидкостью является полиэтиленгликоль (ПЭГ), а жидким растворителем - вода.
Согласно дальнейшему аспекту настоящее изобретение обеспечивает аппарат для обработки отработанных абразивных суспензий по ранее описанному способу, включая следующие взаимосвязанные элементы последовательно:
I - центробежный сепаратор жидкой и твердой фаз, который питает фракцией, содержащей твердые частицы, отделенной, таким образом, первый аппарат в батарее из по меньшей мере двух гидроциклонов или центрифуг, соединенных последовательно; причем нижний продукт из каждого гидроциклона или центрифуги подается в следующий гидроциклон или центрифугу вместе с верхним продуктом из предыдущего гидроциклона или центрифуги, причем упомянутую батарею гидроциклонов или центрифуг питают противотоком жидкой фракцией, включающей часть очищенной жидкости, полученной из упомянутых стадий b) регенерации суспендирующей жидкости;
II - многофункциональный аппарат для фильтрования и обработки абразивных зерен, разработанный выполнять следующие последовательные стадии без какого-либо перемещения материала: фильтрование жидкой суспензии, содержащей абразивные зерна, полученные из нижнего продукта последнего гидроциклона или центрифуги, последовательные промывки образующихся зерен и выщелачивание из них химическим травлением кремниевого или металлического мелкого измельченного материала и, наконец, сушку очищенного гранулированного абразивного материала;
III - секцию обработки упомянутой жидкой суспензии ii), содержащей мелкие абразивные зерна и мелкие кремниевые и металлические частицы и полученной из верхнего продукта первого гидроциклона или центрифуги указанной батареи, чтобы регенерировать суспензионную жидкость.
Согласно предпочтительному варианту аппарата батарея гидроциклонов или центрифуг включает далее предохранительный гидроциклон или центрифугу, получающие верхний продукт первого гидроциклона или центрифуги упомянутой батареи, и чей верхний продукт питает указанную секцию обработки жидкой суспензии ii) вместо верхнего продукта упомянутого первого гидроциклона или центрифуги.
Предпочтительно, как уже отмечено, упомянутый многофункциональный аппарат фильтрования и обработки абразивных зерен является периодически функционирующим аппаратом, состоящим из сосуда, работающего под давлением, содержащего фильтрующее устройство, на котором абразивные зерна размещаются в течение фильтрации и всех последующих фаз промывания, выщелачивания и сушки.
Между упомянутыми двумя секциями I и II аппарата по настоящему изобретению устраивается буферный резервуар для сбора суспензии абразивных зерен, полученной из упомянутой батареи гидроциклонов или центрифуг, таким образом, отсоединяя непрерывно функционирующую секцию аппарата от секции, функционирующей периодически.
Согласно определенным вариантам конструкции предложенного аппарата секция III обработки жидкой суспензии, полученной из верхнего продукта первого гидроциклона или центрифуги или из предохранительного гидроциклона или центрифуги, включает фильтрующее устройство, из которого выходящая очищенная жидкость подается частично в следующие аппараты, чтобы регенерировать суспендирующую жидкость, а частично, чтобы питать противотоком упомянутую батарею гидроциклонов или центрифуг. Кроме того, упомянутые следующие аппараты для регенерации суспендирующей жидкости включают устройство микрофильтрации и испаритель, пригодный отделять растворитель в форме пара от суспендирующей жидкости, и, возможно, фильтрующее устройство, чтобы удалить остатки солей в суспендирующей жидкости, остающиеся после упомянутой перегонки.
Согласно альтернативному устройству системы упомянутые дальнейшие аппараты для регенерации суспендирующей жидкости также включают одно или больше устройств для обработки ионообменными смолами.
Определенные особенности настоящего изобретения, так же как его преимущества и относительные эксплуатационные модальности, будут более очевидными с отсылкой к подробному описанию ниже, представленному просто для целей примера, касающегося некоторых из его предпочтительных вариантов. То же самое показано в прилагающихся чертежах, на которых:
Фиг.1 показывает полную блок-схему первого способа обработки отработанных абразивных суспензий по настоящему изобретению.
Фиг.2 показывает полную блок-схему второго способа обработки отработанных абразивных суспензий по настоящему изобретению.
Фиг.3 показывает упрощенное аппаратное устройство батареи гидроциклонов, соединенных последовательно так, что вместе с центробежным сепаратором жидкой и твердой фаз представляют первую секцию аппарата, так же как первую операцию третьей секции аппарата, которая выполняет регенерацию суспендирующей жидкости.
Фиг.4 показывает упрощенное аппаратное устройство батареи центрифуг как вариант батареи гидроциклонов Фиг.3.
Как показано в блок-схеме Фиг.1, способ по настоящему изобретению и специально разработанный аппарат для его осуществления по существу состоят из трех взаимосвязанных секций, из которых первые две (представленные левой колонной схемы) посвящены регенерации и очистке зерен многократного использования абразивного материала, в то время как третья секция (правая колонна) посвящена обработке и регенерации суспендирующей жидкости.
Отработанная суспензия, возникающая из кремниевого слитка секции резания, имеет твердое содержание 50-55 вес. % и, в случае, о котором сообщают здесь с целью примера, содержит:
- абразивные зерна карбида кремния многократного использования, которые для абразивной суспензии большого размера зерен (типа F500) имеют размеры 4-35 мкм, а для суспензии более мелкого размера зерен (типа JS 1500 или JS 2000) имеют размеры 4-25 мкм; они составляют 34-39 вес. % отработанной суспензии;
- абразивные зерна однократного использования, составляющие приблизительно 7 вес. % суспензии, размером меньше 4 мкм;
- мелкие частицы кремния, по происхождению пыль из кремниевого слитка способа резания, составляют приблизительно 7 вес. % суспензии и имеют размеры не выше 4 мкм - эти величины являются средними значениями, так как размер и количество мелкого кремниевого измельченного материала зависят от условий резания, от состояния истощения суспензии, от диаметра кремниевого слитка, подлежащего резке, и так далее;
- частицы металла, в частности железа, образующие из металлической проволоки режущего инструмента и из других частей того же самого аппарата, которые составляют приблизительно 2 вес. % отработанной суспензии - здесь также количество может изменяться согласно условиям способа резания;
- суспендирующую жидкость (смазочно-охлаждающая жидкость), которая может иметь водорастворимую основу, такую как ПЭГ, или масляную основу; в примере, о котором сообщают здесь, абразивная суспензия основана на ПЭГ.
Вышеуказанную отработанную суспензию посылают в центробежный сепаратор твердой и жидкой фаз (центрифугу), который подает суспензию (a) обогащенную твердыми частицами, полученную из него и содержащую приблизительно 30% ПЭГ вместе с зернами размером > 2 мкм, в батарею гидроциклонов, показанную только как единственный блок на Фиг.1. Указанная батарея, в примере, показанном более подробно на Фиг.3, включает пять гидроциклонов, соединенных последовательно, плюс предохранительный гидроциклон.
Как показано на Фиг.3, батарея гидроциклонов получает отработанную суспензию в первом гидроциклоне, в то время как последний гидроциклон батареи получает противотоком часть (приблизительно 40-90% и предпочтительно 70-80%) очищенной жидкости, полученной из первой операции (фильтрования) обработки верхнего продукта батареи гидроциклонов для регенерации ПЭГ. К этой жидкости, подвергающейся фильтрации, также добавляют фракцию жидкости, регенерированной из фильтрации абразивных зерен и из последующего горячего промывания, выполненного в секции для обработки абразивных зерен (см. Фиг.1). К рециркулированной очищенной жидкости добавляют немного добавочной воды, которое, в поясняемом случае, составляет приблизительно 5% всего количества воды, циркулирующей в системе, и количественно равно воде, потерянной как влага в конечной фазе сушки регенерированных абразивных зерен (см. Фиг.1).
Как уже отмечено, нижний продукт каждого гидроциклона подают в следующий гидроциклон и дополняют верхним продуктом из следующего, но одного гидроциклона. Распределение частиц по размерам суспензии абразивных зерен постепенно суживается при прохождении от одного гидроциклона к следующему до тех пор, пока из нижнего продукта последнего гидроциклона не получают суспензию, которая фактически свободна от мелких частиц карбида кремния и которая содержит в качестве нежелательных твердых частиц только часть (приблизительно 2-5%) мелких частиц кремния и металлов. Как показано на Фиг.3, перед подачей в секцию фильтрования верхний продукт первого гидроциклона переводят в другой, предохранительный, гидроциклон, который предохраняет систему от насыщения первого гидроциклона. Верхний продукт предохранительного гидроциклона идет на фильтрование, которое, как уже отмечено, представляет первую операцию третьей секции способа, чтобы регенерировать ПЭГ, в то время как его нижний продукт объединяют с нижним продуктом первого гидроциклона.
Как показано на Фиг.1, поток, обогащенный абразивными зернами, полученный из батареи гидроциклонов, подают в буферный резервуар, который отсоединяет непрерывный процесс, выполняемый в батарее гидроциклонов, от периодического, выполняемого в многофункциональном аппарате фильтрования и обработки регенерируемых абразивных зерен.
Согласно альтернативному решению первой секции способа тот же самый ряд обработок влажной сортировки по размерам, выполненный в батарее гидроциклонов Фиг.3, может быть выполнен в подобной же манере в батарее центрифуг, такой как показана на Фиг.4, с подобной же схемой соединения различных аппаратов.
Обращаясь к Фиг.1, видим, что суспензию абразивных зерен многократного использования затем отбирают из буферного резервуара, подлежащего обработке в многофункциональном аппарате по настоящему изобретению, где ее сначала фильтруют под давлением, получая твердую фракцию, по существу содержащую абразивные зерна многократного использования, которые остаются в аппарате, и жидкую фракцию, по существу содержащую воду, ПЭГ и мелкие частицы карбида кремния. Эту фракцию возвращают назад в секцию фильтрования суспендирующей жидкости, полученной как верхний продукт батареи гидроциклонов.
Следует отметить, что на Фиг.1 все блоки, относящиеся к операциям, выполняемым без перемещения твердого вещества в многофункциональном аппарате по настоящему изобретению, подкрашены серым.
После фильтрования массу абразивных зерен промывают в горячей воде, приходящей из третьей секции системы, и регенерируют перегонкой смеси с ПЭГ и последующей конденсацией полученного пара. Также жидкость, полученную из промывания, возвращают назад в секцию фильтрования ПЭГ. Абразивные зерна, остающиеся в многофункциональном аппарате, затем обрабатывают в двух последующих фазах водным раствором гидроксида натрия или гидроксида калия, чтобы получить травление частиц кремния, и затем промывают водой, приходящей из внешней петли. Затем их обрабатывают в кислотном растворе щавелевой кислоты (или азотной, хлористо-водородной, серной или винной кислоты), чтобы получить травление частиц металла, еще адсорбированных на зернах, и затем промывают водой, приходящей из внешней петли. Жидкие потоки, полученные из этих операций щелочного и кислотного травлений, смешивают и отбрасывают как отходы солей, в то время как жидкий поток, полученный из промывания после щелочного травления, смешивают со свежим раствором гидроксида натрия или калия и используют для щелочного травления. Точно так же жидкий поток, полученный из промывания после кислотного травления, смешивают со свежим раствором щавелевой кислоты, дополненным серной/соляной кислотой и используют для кислотного травления.
Последняя фаза регенерации абразивных зерен многократного использования, еще выполняемая в том же самом аппарате, состоит из сушки очищенных зерен - операция может быть выполнена подачей горячего воздуха на слой зерен. Максимальное содержание влаги регенерируемых зерен не выше 0,05%, в то время как полный выход регенерируемых абразивных зерен в способе находится в интервале 85-95%.
Помимо уже отмеченного преимущества, заключающегося в отсутствии любого перемещения гранулированного материала из одного аппарата в другой для выполнения различных требующихся обработок, предложенный многофункциональный аппарат по настоящему изобретению также имеет преимущество в том, что функционирует под давлением, тем самым, предоставляя возможность работать даже при высоких рабочих температурах (до 180°C) в отсутствие кипения жидкости, подвергающейся обработке. Кроме того, он имеет расход воды, который составляет 1/10 расхода обычного непрерывного фильтра, это может также использоваться даже для очень мелких частиц абразивного материала без риска засорения осадка на фильтре, и, наконец, операции по очистке фильтра являются очень простыми по сравнению с теми, которые должны бы были использоваться, если бы те же самые операции выполнялись в нескольких сосудах.
Еще что касается Фиг.1, третья секция способа, предназначенная для регенерации суспендирующей жидкости и растворителя, включает - как уже отмечено и по альтернативному решению, показанному в этой фигуре - фильтрование верхнего продукта, приходящего из батареи гидроциклонов (то есть, с верха предохранительного гидроциклона батареи). Эта суспензия, в показанном примере, содержит мелкие частицы карбида кремния, так же как 95-98% мелких частиц металла и кремния в смеси ПЭГ и воды. Соотношение между водой и ПЭГ находится в интервале (1-5):1 и предпочтительно равно приблизительно 3:1. Как уже отмечено, эта суспензия также добавляется с некоторыми частями суспензии назад в систему из первых фаз секции обработки абразивных зерен.
Жидкость, полученную из фильтрования в количестве приблизительно 40-90% (предпочтительно 70-80%), возвращают назад - при добавлении любой добавочной воды - в батарею гидроциклонов после соответствующего нагревания, в то время как остающуюся жидкость подают в следующие фазы регенерации ПЭГ и воды.
Жидкость, которую соединяют с жидкой фракцией, содержащей 70-90% ПЭГ, присутствующего в отработанной суспензии, отделенной начальным центробежным сепаратором, сначала добавляют с раствором гидроксида натрия, чтобы подщелочить фильтрат до pH 9-10, и затем подвергают микрофильтрации. Это удаляет мелкий измельченный материал осажденного гидроксида железа. Затем суспензию нейтрализуют соляной или серной кислотой и подвергают перегонке. Из этой операции испаренная вода может быть рекуперирована конденсацией для повторного использования в горячем промывании абразивных зерен, регенерированных во второй секции аппарата.
Высококипящий компонент, остающийся как остаток перегонки, состоит из безводного ПЭГ, который должен быть профильтрован, чтобы удалить соль (хлорид/сульфат натрия), образующуюся в операции нейтрализации.
Альтернативная схема способа третьей секции по настоящему изобретению, то есть секции регенерации ПЭГ, показана на Фиг.2. Она показывает фазы, подобные фазам, показанным на Фиг.1 для первых двух секций, и отличается только для третьей секции. В этом случае жидкий поток, приходящий из микрофильтрации, к которому добавляют жидкую фракцию из начального центробежного сепаратора, не подщелачивают, но прямо подвергают микрофильтрации, которая удаляет мелкие металлические частицы (по существу железо). Дальнейшие следы растворенных металлов и других примесей удаляют пропусканием жидкого потока через слои ионообменных смол. Предпочтительно, вместо использования смешанных слоев, жидкий поток сначала пропускают через слой катионных смол, а затем через слой анионных смол.
В конце этой обработки жидкий поток исключительно состоит из двойной смеси ПЭГ и воды, из которой вода может быть рекуперирована испарением, оставляя ПЭГ, очищенный и полностью свободный от твердых частиц. Он может быть прямо подан в способ резания. Полный выход суспендирующей жидкости, означающий отношение ПЭГ, полученного как конечный продукт третьей секции описанного способа, к ПЭГ, входящему в отработанную абразивную суспензию, находится в интервале 85-95%.
Настоящее изобретение раскрыто с особенной ссылкой на некоторые специальные варианты, но следует понимать, что модификации и изменения могут быть сделаны специалистами в технологии, не отступая от области действия изобретения, как определено в приложенной формуле изобретения.