防氧化物料切割方法及装置.pdf

本发明公开了一种防氧化物料切割方法及装置，本发明方法是将切割物料置于一封闭箱体内，对封闭箱体抽真空后再充入阻隔防氧化气体，通过置于箱体内的切割设备进行防氧化切割。所述阻隔防氧化气体为氮气或二氧化碳之一或其混合气体，气体浓度为80％～100％。本发明方法可排除或隔绝可封闭箱体内的氧化剂物质与被切割物料的接触，并通过冷却破坏氧化反应发生的温度条件，从而达到阻隔防氧化效果。适用于单晶硅、多晶硅等贵重物料的切割，便于切割屑回收。本发明装置结构简单、成本低廉、便于操作、手动及自动方式均可且防氧化效果显著。

1、  一种防氧化物料切割方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1.1)设定箱体内真空压力值；
(1.2)设定被切物料氧化最低温度和给定的安全裕量，计算防氧化温度阀值和滞回温度阀值，滞回温度阀值≤冷却温度≤防氧化温度阀值；
(1.3)设定箱体内阻隔防氧化气体的浓度和压力值；
(1.4)装入被切割物料后封闭该箱体；
(1.5)真空抽排气设备将箱体内的氧化剂物质排出，检测箱体内真空压力，若不符合设定要求，真空抽排气设备继续抽气，符合设定要求，真空抽排气设备关闭；
(1.6)充气设备通过箱体的开口充入阻隔防氧化气体，检测箱体内阻隔防氧化气体的压力和浓度，若不符合要求则继续充气，符合要求则封闭箱体，使箱体处于密封状态；
(1.7)检测被切物料在物料输送定位操作平台上的位置，若不符合要求则继续调整，符合要求则切割设备进行切割，冷却设备喷射冷却介质进行冷却，切割屑落入切割屑回收器，冷却介质经冷却介质回收器收集到冷却介质回收设备；
(1.8)对切割设备的刀口或其环境温度进行实时监测，若实测温度高于防氧化温度阀值则触发降温信号，冷却设备增大冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备减少进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；若实测温度低于滞回温度阀值则触发回调信号，冷却设备减少冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备增大进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；
(1.9)输出已完成切割的被切割物料。

2、  根据权利要求1所述的防氧化物料切割方法，其特征在于：阻隔防氧化气体为氮气或二氧化碳之一或其混合气体，气体浓度为80％～100％。

3、  根据权利要求1或2所述的防氧化物料切割方法，其特征在于：滞回温度阀值≤防氧化温度阀值≤被切物料氧化最低温度-给定的安全裕量。

4、  根据权利要求3所述的防氧化物料切割方法，其特征在于：滞回温度阀值≥被切物料氧化最低温度-2×给定的安全裕量。

5、  一种防氧化物料切割装置，其特征在于：由包括五个以上开口的可密闭箱体5、安装于箱体内的物料输送定位操作平台1、一台以上设置于箱体内的切割设备4、切割屑回收器12、箱体内压力和阻隔防氧化气体浓度传感器13、冷却介质喷嘴14以及与箱体连接的真空抽排气设备、充气设备、冷却设备、阻隔防氧化气体回收设备、冷却介质回收设备、操作控制系统组成；冷却介质回收设备的冷却介质回收器11和切割屑回收器12装在物料输送定位操作平台1的下方，切割屑回收器12置于箱体内切割设备的下方，压力浓度传感器13装在箱体5内右下角，冷却介质喷嘴14装在切割设备4的立柱上，在箱体5上设有观察窗2、冷却介质输入口3、真空抽排气兼阻隔防氧化气体回收口6、阻隔防氧化气体充气口7、进出料门9、冷却介质回收口10，冷却设备用管道经冷却介质输入口3与箱体内的冷却介质喷嘴14连接。

6、  根据权利要求5所述的防氧化物料切割装置，其特征在于：操作控制系统包括微电脑控制器、一个以上与微电脑的控制器数据线相连接设置于箱体内不同位置的传感器以及微电脑控制器相连接的控制面板。

7、  根据权利要求6所述的防氧化物料切割装置，其特征在于：传感器包括箱体内设有阻隔防氧化气体的压力浓度传感器、设置于切割设备上的刀口温度传感器和进刀深度传感器、设置于物料输送定位操作平台上物料位置传感器和设置于冷却设备上的介质喷射流量流速传感器。

8、  根据权利要求5、6或7所述的防氧化物料切割装置，其特征在于：箱体主体为多层嵌套并且多层不透气的箱体，可以在嵌套夹层之间充入阻隔防氧化气体。

9、  根据权利要求5、6或7所述的防氧化物料切割装置，其特征在于：切割设备包括切割工具及物料固定夹紧机构。

10、  根据权利要求5、6或7所述的防氧化物料切割装置，其特征在于：所述装置的阻隔防氧化气体回收设备包括收集机构、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通；冷却介质回收设备包括冷却介质回收器、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通；物料输送定位操作平台包括安装于箱体之内的物料传送机构及物料定位机构。

防氧化物料切割方法及装置
技术领域
本发明涉及一种物料切割方法，同时涉及一种物料切割装置，尤其涉及防氧化物料切割方法及装置。
背景技术
在物料切割过程中，切割工具与物料被切部位因摩擦发热而产生局部高温，使切屑与空气中的氧发生氧化反应而生成氧化物，如铁等金属切割屑就是金属氧化物。尽管有的采取了冷却措施，但多数是为了保护切割工具和物料，而不是保护切口和切割屑不被氧化。原因是，有的切割屑无回收价值，有的切割屑被氧化了也容易还原回收。而单晶硅、多晶硅等贵重物料在被切割过程中产生的切割屑，一旦被氧化就难于还原回收，或者回收成本特别高。据江西赛维LDK太阳能高科技有限公司资料记载，对于156*156的多晶硅块，每切一刀，将至少有56.7g的硅料损失，以每个硅锭(270kg)产16个硅块，每个硅块切3刀为例，每个硅锭将至少有2.72kg的硅粉损失；以每个硅锭产能11520W计算，2008年前9个月，LDK(多晶硅)产能1GW，因去头尾造成的硅料损失约为236吨，以目前硅原料价格3500元/KG计算，损失为8.26亿元；如果能成功回收这部分硅料，带来的经济效益是巨大的。然而，这些损失的硅料有50％在切割过程中被氧化成了SiO2，把3500元/Kg的硅粉变成了320元/T的石英砂，仅江西赛维LDK太阳能高科技有限公司硅料切割过程中被氧化造成的损失就达4.1亿元。因此需要寻找一种防氧化的切割方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种防氧化物料切割方法及装置。
本发明方法包括以下步骤：
1、设定箱体内真空压力值；
2、设定被切物料氧化最低温度和给定的安全裕量，计算防氧化温度阀值和滞回温度阀值，滞回温度阀值≤冷却温度≤防氧化温度阀值；
3、设定箱体内阻隔防氧化气体的浓度和压力值；
4、装入被切割物料后封闭该箱体；
5、真空抽排气设备将箱体内的氧化剂物质排出，检测箱体内真空压力，若不符合设定要求，真空抽排气设备继续抽气，符合设定要求，真空抽排气设备关闭；
6、充气设备通过箱体的开口充入阻隔防氧化气体，检测箱体内阻隔防氧化气体的压力和浓度，若不符合要求则继续充气，符合要求则封闭箱体，使箱体处于密封状态；
7、检测被切物料在物料输送定位操作平台上的位置，若不符合要求则继续调整，符合要求则切割设备进行切割，冷却设备喷射冷却介质进行冷却，切割屑落入切割屑回收器，冷却介质经冷却介质回收器收集到冷却介质回收设备；
8、对切割设备的刀口或其环境温度进行实时监测，若实测温度高于防氧化温度阀值则触发降温信号，冷却设备增大冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备减少进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；若实测温度低于滞回温度阀值则触发回调信号，冷却设备减少冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备增大进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；
9、输出已完成切割的被切割物料。
本发明方法所述阻隔防氧化气体为氮气或二氧化碳之一或其混合气体，气体浓度为80％～100％。
本发明方法所述滞回温度阀值≤防氧化温度阀值≤被切物料氧化最低温度-给定的安全裕量。滞回温度阀值≥被切物料氧化最低温度-2×给定的安全裕量。
本发明还提供了一种防氧化物料切割装置，由包括五个以上开口的可密闭箱体、安装于箱体内的物料输送定位操作平台、一台以上设置于箱体内的切割设备、切割屑回收器、冷却介质喷嘴以及与箱体连接的真空抽排气设备、充气设备、冷却设备、阻隔防氧化气体回收设备、冷却介质回收设备、操作控制系统组成；冷却介质回收设备的冷却介质回收器和切割屑回收器装在物料输送定位操作平台的下方，切割屑回收器置于箱体内切割设备的下方，压力浓度传感器装在箱体内右下角，冷却介质喷嘴装在切割设备的立柱上，在箱体上设有观察窗、冷却介质输入口、真空抽排气兼阻隔防氧化气体回收口、阻隔防氧化气体充气口、进出料门、冷却介质回收口，冷却设备用管道经冷却介质输入口与箱体内的冷却介质喷嘴连接。
本发明所述操作控制系统包括微电脑控制器、一个以上与微电脑的控制器数据线相连接设置于箱体内不同位置的传感器以及微电脑控制器相连接的控制面板。
本发明所述传感器包括箱体内设有阻隔防氧化气体的压力浓度传感器、设置于切割设备上的刀口温度传感器和进刀深度传感器、设置于物料输送定位操作平台上物料位置传感器和设置于冷却设备上的介质喷射流量流速传感器。
本发明所述箱体主体为多层嵌套并且多层不透气的箱体，可以在嵌套夹层之间充入阻隔防氧化气体。
本发明所述切割设备包括切割工具及物料固定夹紧机构。
本发明所述装置的阻隔防氧化气体回收设备包括收集机构、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通；冷却介质回收设备包括冷却介质回收器、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通；物料输送定位操作平台包括安装于箱体之内的物料传送机构及物料定位机构。
本发明方法可排除或隔绝可封闭箱体内的氧化剂物质与被切割物料的接触，并通过冷却破坏氧化反应发生的温度条件，从而达到阻隔防氧化效果。适用于单晶硅、多晶硅等贵重物料的切割，便于切割屑回收。仅多晶硅带锯硅粉回收一项，全国每年就可挽回损失近30亿元。本发明装置结构简单、成本低廉、便于操作、手动及自动方式均可且防氧化效果显著。
附图说明
图1为实施例1的切割装置原理结构示意图；
图2为实施例2的切割装置原理结构示意图；
图3为本发明操作控制系统控制原理框图。
具体实施方式
以下结合实施例并对照附图对本发明进行详细说明。
实施例1：
图1所示为单层箱体单台切割机的防氧化物料切割装置原理结构示意图。
参见图1，本实施例的防氧化物料切割装置由包括五个开口的可密闭箱体5、安装于箱体内的物料输送定位操作平台1、切割设备4、切割屑回收器12、设置于箱体内的压力浓度传感器13、冷却介质喷嘴14以及与箱体连接的真空抽排气设备、充气设备、冷却设备、阻隔防氧化气体回收设备、冷却介质回收设备及操作控制系统组成。
箱体5为一层构成的具有不透气性和可封闭性的结构，可用工程塑料、环氧树脂及金属等材料制成。冷却介质回收设备的冷却介质回收器11和切割屑回收器12装在物料输送定位操作平台1的下方，切割屑回收器12置于箱体内切割设备的下方。
用于测定箱体内压力及和阻隔防氧化气体浓度的压力浓度传感器13装在箱体5内右下角，冷却介质喷嘴14装在切割设备4的立柱上。在箱体5上设有观察窗2、冷却介质输入口3、真空抽排气兼阻隔防氧化气体回收口6、阻隔防氧化气体充气口7、进出料门9、冷却介质回收口10。冷却设备用管道经冷却介质输入口3与箱体内的冷却介质喷嘴14连接，真空抽排气设备和阻隔防氧化气体回收设备用管道经真空抽排气兼阻隔防氧化气体回收口6与箱体5连接，充气设备用管道经阻隔防氧化气体充气口7与箱体5连接，冷却介质回收设备用管道经冷却介质回收口10与冷却介质回收器11连接。操作控制系统，包括五个传感器、微电脑控制器及控制面板。操作控制系统用导线分别与切割设备4、抽真空设备、阻隔防氧化气体充气设备、冷却设备、阻隔防氧化气体回收设备及冷却介质回收设备的伺服电机等动力执行机构连接并形成电源回路和信号回路，用导线分别与设置于物料输送定位操作平台1上的物料位置传感器、设置于切割设备4上的进刀深度传感器、刀口温度传感器及设置于冷却设备的冷却介质喷射流量流速传感器、箱体内压力传感器及阻隔防氧化气体的浓度传感器13连接并形成电源回路和信号回路。
本发明方法的实施步骤是：
i.通过操作控制系统控制面板设定箱体内真空压力值，为-0.2*101325Pa；
ii.通过操作控制系统控制面板设定箱体内压力值和阻隔防氧化气体的浓度值，分别为80％-90％和101325Pa；
iii.通过操作控制系统设定被切物料氧化最低温度和给定的安全裕量，分别为1400℃和300℃，操作控制系统计算出防氧化温度阀值和滞回温度阀值；冷却温度为800-1100℃；
iv.装入被切割物料8，人工封闭该箱体的进出料门9；
v.操作控制系统触发启动信号，真空抽排气设备启动，经真空抽排气口6将箱体内的氧化剂物质排出。箱体内压力浓度传感器13检测真空压力，数据经操作控制系统运算处理，若不符合设定要求，真空抽排气设备继续抽气，符合设定要求，则操作控制系统触发关闭信号，真空抽排气设备关闭；
vi.操作控制系统启动阻隔防氧化气体充气设备，经阻隔防氧化气体充气口7充入阻隔防氧化气体。箱体内压力浓度传感器13检测箱体5内阻隔防氧化气体的压力和浓度，数据经操作控制系统运算处理，若不符合设定要求，阻隔防氧化气体充气设备继续充气，符合设定要求，则操作控制系统关闭阻隔防氧化气体充气设备；
vii.物料位置传感器检测被切物料8在物料输送定位操作平台1上的位置，数据经操作控制系统运算处理，若不符合要求则操作控制系统触发调整信号，物料输送定位操作平台继续调整，符合要求则操作控制系统触发启动运行信号，切割设备4进行切割，冷却设备经冷却介质输入口3和冷却介质喷嘴14喷射冷却介质进行冷却，切割屑收集到切割屑回收器12，冷却介质回收设备经冷却介质回收口10和冷却介质回收器11将冷却介质收集到回收设备；
viii.刀口温度传感器对切割设备4的刀口温度进行实时监测，数据经操作控制系统运算处理，若实测温度高于防氧化温度阀值则操作控制系统触发降温信号，冷却设备增大冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备4减少进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；若实测温度低于滞回温度阀值则操作控制系统触发回调信号，冷却设备减少冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备4增大进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；
ix.物料位置传感器检测被切物料8在物料输送定位操作平台1上的状态，数据经操作控制系统运算处理，被切断则操作控制系统触发物料输出信号，物料输送定位操作平台1将已完成切割的被切割物料经进出料门9输出；
x.不再切割则经操作控制系统触发关闭信号，阻隔防氧化气体回收设备将阻隔防氧化气体经真空抽排气口兼阻隔防氧化气体回收口6收集到回收设备，关闭全部设备，继续切割则重复步骤iv以后的步骤。
本发明实施例所述装置的切割设备4包括物料切割工具及物料固定夹紧机构，并安装在箱体5内。切割设备4的切割工具部分可以是刀、锯或磨片。箱体5内阻隔防氧化气体为氮气，气体浓度为80％～90％。所述冷却介质，为液化氮或压缩氮气。所述装置的阻隔防氧化气体回收设备包括收集机构、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通；冷却介质回收设备包括冷却介质回收器、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通；物料输送定位操作平台包括安装于箱体之内的物料传送机构及物料定位机构。
本发明实施例切割物料为多晶硅，所述的防氧化温度阀值≤被切物料氧化最低温度-给定的安全裕量，被切割物料能够发生氧化还原反应的最小温度可通过试验或查找资料获取，选择安全裕量既要确保安全又要降低成本，多晶硅的安全裕量为300℃。所述的滞回温度阀值≥被切物料氧化最低温度-2×给定的安全裕量，多晶硅的安全裕量为300C°。所述刀口温度传感器对温度的实时监测，通过热平衡或探测红外线光波的方式进行。
本发明方法可排除或隔绝氧化剂物质与被切割物料8的接触，并通过冷却破坏氧化反应发生的温度条件，从而达到阻隔防氧化效果。
本发明当刀口实测温度为多点监测时，取其最大值，箱体内的阻隔防氧化气体的压力可以是负压、常压或正压，本发明还可通过观测微电脑控制器进行手动操作。
实施例2
图2所示为双层箱体三切割机的防氧化物料切割装置原理结构示意图。切割物料为多晶硅。
该装置包括七个开口的可密闭箱体内层5和外层15、箱体内的物料输送定位操作平台1、三台置于可密闭的箱体5内切割设备4、冷却介质回收器11、置于箱体内切割设备的下方的切割屑回收器12、设置于箱体内的压力浓度传感器13、冷却介质喷嘴14以及与箱体连接的真空抽排气设备、充气设备、冷却设备、阻隔防氧化气体回收设备、冷却介质回收设备、操作控制系统组成。
本实施例所述装置的箱体由箱体内层5和箱体外层15双层构成，具有不透气性和可封闭性，可用工程塑料、环氧树脂及金属等材料制成，箱体内层5与箱体外层15之间的夹层充入阻隔防氧化气体，便于连续加工作业时保持箱体内层5内阻隔防氧化气体的压力和浓度。
本实施例在实施例1的基础上，在箱体外层15增设进料外门19、出料外门17，在箱体内层5增设出料内门16，在箱体上增设了阻隔防氧化气体回收口18，其它结构与实施例1相同。
本发明方法的实施步骤是：
i.通过操作控制系统设定箱体内真空压力值，为-0.2*101325Pa；
ii.通过操作控制系统设定箱体内压力值和阻隔防氧化气体的浓度值，分别为小于100％和101325Pa；
iii.通过操作控制系统设定被切物料氧化最低温度和给定的安全裕量，分别为1400℃和300℃，操作控制系统计算出防氧化温度阀值和滞回温度阀值，冷却温度为800-1100℃；
iv.物料位置传感器检测被切物料8在物料输送定位操作平台1上的位置，数据经操作控制系统运算处理，若被切割物料8已装入进料内门9，则操作控制系统触发关门信号，该箱体的进料内门9、进料外门19、出料外门17及出料内门16关闭；
v.操作控制系统触发启动信号，真空抽排气设备启动，经真空抽排气口6将箱体内的氧化剂物质排出。箱体内压力传感器检测真空压力，数据经操作控制系统运算处理，若不符合设定要求，真空抽排气设备继续抽气，符合设定要求，则操作控制系统触发关闭信号，真空抽排气设备关闭；
vi操作控制系统触发启动信号，阻隔防氧化气体充气设备启动，经阻隔防氧化气体充气口7充入阻隔防氧化气体。箱体内压力和阻隔防氧化气体的浓度传感器15检测箱体5内阻隔防氧化气体的压力和浓度，数据经操作控制系统运算处理，若不符合设定要求，阻隔防氧化气体充气设备继续充气，符合设定要求，则操作控制系统触发关闭信号，阻隔防氧化气体充气设备关闭；
vii.物料位置传感器检测被切物料8在物料输送定位操作平台1上的位置，数据经操作控制系统运算处理，若不符合要求则操作控制系统触发调整信号，物料输送定位操作平台继续调整，符合要求则操作控制系统触发启动运行信号，切割设备4进行切割，冷却设备经冷却介质输入口3和冷却介质喷嘴14，喷射冷却介质进行冷却，切割屑收集到切割屑回收器12，冷却介质回收设备经冷却介质回收口10和冷却介质回收器11将冷却介质收集到回收设备；
viii.刀口温度传感器对切割设备4的刀口温度进行实时监测，数据经操作控制系统运算处理，若实测温度高于防氧化温度阀值则操作控制系统触发降温信号，冷却设备增大冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备4减少进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；若实测温度低于滞回温度阀值则操作控制系统触发回调信号，冷却设备减少冷却介质的喷射速度或流量，或者切割设备4增大进刀深度，或者冷却介质的喷射速度、流量和进刀深度联合调整；
ix.物料位置传感器检测被切物料在物料输送定位操作平台上的状态，数据经操作控制系统运算处理，被切断则操作控制系统触发物料输出信号，出料外门17及出料内门18开启，物料输送定位操作平台将已完成切割的被切割物料经出料内门18及出料外门17输出；
x.不再切割则经操作控制系统触发关闭信号，阻隔防氧化气体回收设备将阻隔防氧化气体经阻隔防氧化气体回收口7收集到回收设备，关闭全部设备。继续切割则重复步骤i或iv以后的步骤。
本发明实施例所述装置的箱体内壳5和箱体外壳15各有七个开口，分别为阻隔防氧化气体充气口7、真空抽排气口6、阻隔防氧化气体回收口18、冷却介质输入口3、冷却介质回收口10、进料门9和19、出料门16和17。
箱体5内阻隔防氧化气体的压力可以是常压。箱体5内阻隔防氧化气体为二氧化碳或氩气，气体浓度为小于100％。
本发明实施例所述冷却介质，为干冰粉末、压缩二氧化碳气体、液化氩气或压缩氩气。冷却设备设有介质喷射流量流速传感器。
本发明实施例所述的防氧化温度阀值≤被切物料氧化最低温度-给定的安全裕量，被切割物料能够发生氧化还原反应的最小温度可通过试验或查找资料获取，选择安全裕量既要确保安全又要降低成本，多晶硅的安全裕量为300℃。滞回温度阀值≥被切物料氧化最低温度-2×给定的安全裕量，多晶硅的安全裕量为300℃。刀口温度传感器对温度的实时监测，通过热平衡或探测红外线光波的方式进行。阻隔防氧化气体回收设备包括收集机构、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通。冷却介质回收设备包括收集机构、分离机构、提纯机构及储存机构，通过管道与箱体连通。物料输送定位操作平台包括物料传送机构、物料定位机构及物料位置传感器，安装于箱体之内。
本发明方法可排除或隔绝氧化剂物质与被切割物料8的接触，并通过冷却破坏氧化反应发生的温度条件，从而达到阻隔防氧化效果。本发明实施例箱体夹层内充入阻隔防氧化气体，有利于连续加工作业时保持箱体内层的阻隔防氧化气体压力和浓度。
本发明方法和装置，对作业工具部分稍作修改，可用于贵重物料的车、刨、钻、磨等加工，属于本发明的保护范围。把箱体做成建筑物，只要排除或隔绝可封闭箱体内的氧化剂物质与被切割物料的接触，并通过冷却破坏氧化反应发生的温度条件就属于本发明的保护范围。用单纯抽真空防氧化切割方法也属于本发明的保护范围。