光伏产业用切割钢

1 光伏产业用切割钢丝徐效谦，林庆义（东北特殊钢集团有限责任公司大连特殊钢丝有限公司，辽宁 大连 116105 ）摘要 系统地分析了光伏产业现状和发展趋势。介绍了我国切割钢丝市场概况和发展前景，以及国内外切割钢丝的性能要求和现行生产工艺流程。通过对切割钢丝用钢及盘条的化学成分、组织结构、性能指标、使用特性等进行综合分析，提出生产高质量切割钢丝用盘条应运用 超高强度钢生产技术； 微合金化技术； 超纯钢生产技术； 微细丝用钢生产技术等四项技术。改进切割钢丝使用性能可采用的工艺措施有 （ 1）选用冷加工强化方法； （ 2）选择合适牌号； （ 3）优化冶炼工艺； （ 4）完善连铸工艺； （ 5）改进盘条生产工艺； （ 6）强化对钢丝关键生产环节的工艺控制等。关键词光伏产业 晶硅片 切割钢丝 超高强度 断丝率太阳能光伏电池（以下简称光伏电池）是一种把光能直接转化为电能的装置，而从事太阳能光伏电池生产的企业总称为光伏产业。太阳能光伏电池分为单晶硅、多晶硅、非晶硅三种。从能量转换效率和使用寿命等综合性能分析，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅转换效率稍低单晶硅，但价格更便宜。按照应用需求，光伏电池经过一定的组合，达到额定输出功率和输出电压的一组光伏电池， 叫光伏组件 （图 1） 。 根据光伏电站大小和规模，光伏组件可组成各种大小不同的阵列。组件的安装架设十分方便，其背面安装有一个防水接线盒，通过它可以十分方便地与外电路连接，再配合上功率控制器等部件就组成了光伏发电装置。对每一个光伏发电装置，都要保证 20 年以上的使用寿命。光伏组件是采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、 高透光率钢化玻璃、 Tedlar（阳光跟踪面板） 、铝合金边框等材料，使用先进的真空层压工艺和脉冲焊接工艺制造，即使在最严酷的环境中也能保证使用寿命。 图 1 太阳能光伏组件光伏电池是光伏产业的主导产品，具有结构简单、使用方便的特点，无论地处多么偏远，无论基础设施如何简陋，只要有阳光就能安装和使用光伏电池。近 10 年来，光伏电池发展迅猛，全球光伏电池装机容量平均年增长率 48.5。即使 2008 年美国金融危机波及金球，也未能阻止光伏电池的迅猛发展，近 5年光伏电池装机容量平均年增长率高达 55.2。政府的推动是光伏产业飞速发展的主要原因。 美国是最早制订光伏发电发展规划的国家， 1997 年又提出 “ 百万屋顶 ” 计划，推进了光伏电池产业化的进程。日本 1992 年启动了 “ 新阳光计划 ” ，到 2003 年日本光伏组件生产占世界的 50，世界前 10 大厂商有 4 家在日本。 2004 年德国更新 可再生能源法 ， 规定了光伏发电的上网电价，有力地推动了光伏市场和产业的发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发，加速光伏电池产业在发展。 2009 年国家明确将光伏产业作为新能源产业予以支持后， 我国光伏产业发展动力更加强劲 1， 2010 年我国光伏产业在全球产业中所占份额已达 52。业内人士测算 2011 年全球光伏电池装机容量为 20.2 GW，估计 2012 年全球光伏电池装机容量为 25.0 GW，按 52的比例推算， 2011 年和2012 年我国生产的光伏电池装机容量约为 10.5 GW 和 13.0 GW 。2 1 国内光伏产业的现状与发展中国光伏产业发展报告指出， “ 得益于欧洲光伏市场的拉动，中国的光伏产业在 2004 年之后经历了快速发展的过程，连续 5 年的年增长率超过 100” 。我国光伏产业的现状是 “ 两头在外 ” ，高纯度多晶硅需要从国外进口，光伏组件和电池 96出口海外市场，其中欧洲市场占据了出口量的 80，美国市场占10，其他国家仅占 6。国内光伏电池市场目前仍处于启动中， 2011 年中国的装机量超过 1.6 GW ，同比上涨约 230，而过去几年，中国的装机量的增幅都在 100左右。目前太阳能光伏电池推广应用的主要障碍是价格相对昂贵，储能设施不过关，以及政策调控问题。我国光伏产业的发展并不是一帆风顺的，从 2004 年到 2011 年，我国光伏产业经历 “ 缓慢 快速 爆炸 停滞 ” 的新一轮循环。 2009 年 7 月国家三部委财政部、科技部、国家能源局联合印发了关于实施金太阳示范工程的通知 ，随后又公布了具体的金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法 ，决定采取财政补助、科技支持和市场拉动综合方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展。计划在 2～ 3 年内，采取财政补助方式支持不低于 500 兆瓦的光伏发电示范项目。国外市场，特别是欧洲市场强劲的需求成为巨大的推手，国内光伏产业实现了爆炸式的发展。到 2010 年，我国在海外上市的光伏企业已有 16 家，全球光伏电池组件及多晶硅产量前 10 强中我国占了 4 家。但是进入 2011 年下半年，光伏产业呈现 “ 自由落体 ” 式下滑， 欧洲受债务危机影响， 各国政府削减对光伏产业的补贴， 光伏市场萎缩，8 月我国光伏产品对德国和意大利的出口量，环比下降了 34和 62.6，年末欧洲市场陷入零增长状态；美国对中国光伏产品开展 “ 双反 ” （反倾销、反补贴）调查，更是雪上加霜，光伏产业 “ 爆炸式扩展 ” 带来的产能过剩显现出来 2010 年末，国内多晶硅产能利用率为 52.94，硅片硅锭产能利用率为 47.83，晶体硅电池产能利用率 40.48，太阳能薄膜电池产能利用率则仅为 20。 2011 年国家紧急修订外商投资产业指导目录 ， 将多晶硅从鼓励行列中 “ 摘除 ” ， 国内相关企业三分之一以上处于停产状态， 光伏企业集体进入 “ 寒冬 ” 。外需扩张受阻，为拉动内需，国家发改委发布了关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知 ，明确规定 2011 年 7 月 1 日前核准， 2011 年 12 月 31 日建成投产的项目，上网电价分别定为 1.15 元 /千瓦时和 1 元 /千瓦时， 给光伏产业带来新的希望。 好消息不断传来， 国家能源局近日再次向外界透露， 中国可再生能源发展 “ 十二五 ” 规划目标已由原来的 “ 到 2015 年太阳能发电将达到 10 GW 上调至 15 GW；国际光伏研究机构 “ 太阳能普资 ” ， 最近发布最新行业报告指出， 2012 年全球光伏需求市场预计将增长 6，欧洲市场的下滑将被其他地区 43的增长率弥补。光伏产业是由硅提纯、硅锭 /硅片生产、光伏电池制作、光伏电池组件制作、应用系统五个部分组成。业内人士认为，整个光伏产业的利润主要是集中在上游的晶体硅生产和晶硅片加工环节。多晶硅和单晶硅片光电转換效率高、 性能稳定、 使用寿命长， 是一种理想的光电转換元件， 目前光伏电池的太阳能面板 90以上均选用晶硅片制造。在蓬勃发展的光伏产业推动下，我国半导体制造技术不断提高，国产多晶硅片的光电转换效率已达 16，接近技术上的极限；单晶硅具有较高的技术壁垒，难以通过资本投入促进其快速发展，转化效率普遍为 17～ 19，有待进一步提高。晶硅棒规格越大，生产效率越高，国内生产的晶硅棒最大直径已达 400 mm，常用规格为 200～ 300 mm；晶硅棒的生产成本正在稳步下降。晶硅片是选用相应规格的晶硅棒切割成形的，上游产品价格昂贵的主要原因是晶硅片的加工成本居高难下，约占光伏电池3 总制造成本的 30以上。近年来光伏产业推广应用多线切割技术，为提高晶硅片质量和进一步降低晶硅片生产成本带来希望。储能设施不过关是指光伏电池无法连续供电，晴天必须将电能储存起来，保证阴天和夜间连续供电，但现用铅酸蓄电池存在充电时间长、能量转换率低、充放电次数有限和废旧电池容易对环境造成污染等不足，制约了光伏电池的推广应用。好在中国科学院大连物理化学研究所近年研制了一种大容量（ 100 kW ）的 “ 全钒液流储能电池 ” 样机，该电池充放电循环次数突破 1 万次，充电时间短、放电平稳、电解液安全性高、材料回收方便，不会对环境造成污染。全钒液流（钒离子硫酸电解液）储能电池的产业化开发，必将为太阳能光伏电池推广应用拓宽道路。加拿大 VRB Power Systems 公司提供的全钒液流储能电池结构原理如图 2 所示。 VRB-ESS 电池包括两个具有不同氧化状态钒离子的电解液存储罐， 中间用质子交换膜 （ PEM ）作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流。电池正负极反应均在液相中完成，充放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态，没有外界离子参与电化学反应，将输入的不稳定电能转换成稳定可靠的电能输出。图 2 VRB-ESS 电池结构原理全钒液流储能电池虽从技术上解决了电能储蓄问题， 但价格较高， 推广应用有待时日。 可借鉴美国 “ 百万屋顶 ” 计划，将光伏电池并入公共电网，每家屋顶白天发的电输入电网，此时电表倒转，电网等价收购住户电能，晚上电表正转，正常供电。光伏电池并网就是将太阳能组件产生的直流电经过逆变器，转换成符合公共电网要求的交流电，直接输入公共电网，由电网统一向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前发展易受地域限制。而分散式小型并网光伏发电，特别是光伏建筑一体化发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，应该是目前并网光伏发电的主流。我国三分之二的面积年日照量在 2 200 h 以上，年太阳辐射能量达 5 000 MJ/m 2，利用太阳能条件比较好的地区有西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、云南、广东、福建和海南等 2。充沛的资源、广阔的市场，还有锐意进取的企业家，再加上国家政策的扶持，我国光伏产业发展前景一片光明。2 晶硅片切割技术的进步2.1 晶硅片的传统切割方法晶硅片的传统加工方法是用高速旋转的金刚石砂轮进行外圆切割或内圆切割，如图 3 所示。外圆刀片刚性差， 刀口摆动难以控制， 为增强刀片刚度， 只能加厚刀片， 这样一来切割刀缝加宽， 材料浪费量加大，切割质量差，很难切出超薄晶硅片，因此，外圆切割很快被内圆切割取代。内圆切割具有优势 （ 1）切片4 精度高。直径 300 mm 晶片厚度差仅为 0.01 mm； （ 2）灵活的可调性。切片时可进行径向和厚度调整，特别适用于小批量，多规格加工。和外圆切割一样，内圆切割只能单片加工，也无法克服切口宽、材料浪费大、晶片表面损伤层厚和生产效率低的缺点。同时受圆锯片结构的限制，对于大直径（ Φ≥ 300 mm）和小厚度（ δ≤ 0.3 mm）晶硅片，内圆切割从产量到质量均无法滿足大型、快速、高精度、高效率、集成化的生产要求。a）外圆切割 b 内圆切割图 3 多晶硅和单晶硅片的切割2.2 多线切割多线切割是应集成化生产需求开发的一种高效切割技术，其原理如图 4 所示。1工字轮； 2张力控制轮； 3工字轮； 4切割液喷嘴； 5晶硅棒图 4 切割钢丝多线切割示意图把一根细长钢丝缠绕在工字轮上 1 和 3 上，两端收放线系统对钢丝施加一定的张力，中间装有若干个张力控制轮 2，用以控制钢丝的刚度。工字轮 1 和 3 有节奏地高速旋转，实现钢丝往复运动。设备配有切割液喷洒系统，切割液由表面活性剂（聚乙烯醇） 、碳化硅磨料和油基添加剂组成。切割时将切割液 4 喷洒到钢丝上， 切割进给机构匀速运动， 把晶硅棒 5 压向高速往返运动的钢丝， 切出一组符合要求的晶硅片。为节约晶硅材料，降低成本，光伏电池用硅片厚度已从原先的 0.33 mm 下降到 0.18～ 0.22 mm，这种趋势仍在继续，目前薄片达到 0.10～ 0.16 mm。切割时线速一般控制在 10～ 25 m/s。必须保证硅片一次切割成形，如果中间断丝需要退出硅棒进行二次切割，两次切割难免使硅片厚薄不均或形成台阶，而成为次品或废品，所以要严格控制单丝长度，防止中间断丝。多线切割的优势切割效率高，一批次可切割数千片，每小时可切割 2 000～ 13 000 cm 2 晶片；材料损5 耗少，仅为内圆切割的 60；可切割直径 300 mm 以上晶硅棒；可切割厚度小于 0.3 mm 的晶硅片；晶硅片表面损伤程度低等。但是多线切割也有其自身难以克服的缺点切片一次定形，中间无法调整厚度；多线切片风险大，成功率与切割线的质量密切相关， .一旦断线有可能造成整根硅棒报废等。 晶硅片切割目前处于多线切割和内圆切割同时并存，互为补充的格局，这两种切割方式同样适用于超硬材料和贵重宝石的切割。多线切割和内圆切割的特性比较见表 1。表 1 多线切割和内圆切割的特性比较 2项目 切割方式硅片表面特性破损深度/ μm生产效率/（ cm2 h）每次加工数量 /片切痕损失/ μm硅片最小厚度 / μm可加工硅棒直径 /mm 多线切割 研磨 丝痕 5～ 15 110～ 200 200～ 400 180～ 210 200 ≥ 300内圆切割 磨削 刀片磨痕 20～ 30 10～ 20 1 300～ 500 350 Max200 3 切割钢丝的基本性能和生产工艺流程切割线用超高强度钢丝简称切割钢丝，主要用于单晶硅、多晶硅和各类宝石的切割成形。钢丝规格为Φ 0.08～ 0.18 mm， 抗拉强度要求 3 200～ 4 000 MPa。 宝石切割用钢丝直径偏下限为 Φ 0.08～ 0.10 mm， 抗拉强度要求偏上限为 3 800～ 4 000 MPa； Φ 0.18 mm 钢丝主要用于硅棒的端部切齐，抗拉强度要求偏下限 3 200～ 3 500 MPa。半导体用单晶硅片和光伏电池用多晶硅片切割用钢丝常用规格为 Φ 0.12 mm 和 Φ 0.13 mm，是近年来需求量增长最快的品种。3.1 切割钢丝的基本性能切割钢丝必须具有高耐磨性能、良好的尺寸精度和足够的长度，性能指标要求如下1 抗拉强度。钢丝的耐磨性能与硬度和抗拉强度成正比，细钢丝无法测量硬度，通常用抗拉强度来考核耐磨性能。根据目前的技术水平，在保证足够柔韧性（ A50≥ 2）条件下，细钢丝的抗拉强度只能到 4 000 MPa 左右，所以切割钢丝的抗拉强度要求在 3 200～ 4 000 MPa ，比利时贝卡尔特对切割钢丝性能的要求见表 2。表 2 贝卡尔特切割钢丝的基本性能 1标称直径/mm工字轮中钢丝直径允许偏差 /μm椭圆度/μm线密度 / g km-1 破断力 / N标称抗拉强度 /MPa0.180 ≤ 3 ≤ 3 200 77～ 95 3 400 0.175 ≤ 3 ≤ 3 189 73～ 91 3 400 0.160 ≤ 3 ≤ 3 158 67～ 77 3 600 0.150 ≤ 3 ≤ 3 139 60～ 70 3 700 0.140 ≤ 3 ≤ 3 121 53～ 63 3 750 0.130 ≤ 3 ≤ 3 104 47～ 57 3 800 0.120 ≤ 3 ≤ 3 89 40～ 50 4 000 2 尺寸精度。 切割钢丝的尺寸精度与切片的尺寸精度及表面质量密切相关， 同一根切割钢丝除保证椭圆度小于 3 μm ，两头的直径偏差也不得大于 3 μm 。对强度这样高的钢丝要保如此高的尺寸精难度很大，涉及模具质量、拉拔道次减面率分配、表面镀层质量、润滑剂的选择、冷却状况等诸多工艺因素的调控水6 平。3 钢丝表面镀黄铜 Zn/Cu32/68 质量。黄铜主要用作拉拔预镀层，能携带更多液体润滑剂，保证多道次拉拔顺利进行，要求成品钢丝表面残留铜层致密， “ 不露白 ” ，以提高钢丝耐蚀性能，有利于携带切削液。4 切割钢丝长度。目前硅片规格有 125 mm 125 mm 和 156 mm 156 mm 两种，切割钢丝需要连续运行 7～ 8 h 才能完成切割，每个工字轮的钢丝必须足够长，一般要求每根钢丝长度要大于 300 km 、 450 km或 500 km ，至少不能小于 250 km，短于这个长度的钢丝只能报废。以 Φ 0.12 mm 钢丝为例每 km 质量仅为 0.088 7 kg ， 500 km 质量为 44.35 kg，即每轴钢丝质量要控制在 45 kg 左右 3。拉拔时是否断丝与钢材的化学成份、纯净度、气体含量，及非金属夹杂的成分、形态和分布状况有关，而且还与盘条的表面质量和显微组织结构，以及钢丝生产工艺流程和质量控制水平有关，即与钢丝生产全过程都有关联。通常用断丝率来考核钢材质量，世界先进水平钢丝的断丝率 ≤ 1.5。5 工字轮排绕。常用工字轮规格为 φ 255 mm φ 115 mm 320 mm ，要求钢丝密排层绕，不得有夹丝和重叠现象，确保高速、恒张力放线时不断丝。钢丝的残余应力要小，放线后的自然圈径一般在 150～ 200 mm，单圈钢丝放在光滑的平面上两端不得有明显的翘起。总之，钢丝的镀层质量、表面洁净度、平直度、工字轮排绕状况、抗拉强度的均匀性都是质量考核指标。3.2. 切割钢丝工艺流程切割钢丝的生产流程与帘线用钢丝相同，只是切割钢丝的规格范围比帘线用钢丝（ φ 0.15～ 0.38 mm）更小，对钢丝尺寸精度、抗拉强度均匀性要求更高，对表面洁净度和钢丝的平直度要求更严。切割钢丝半成品的生产流程与制绳钢丝和弹簧钢丝相同，成品需要先镀黄铜后拉拔，也有用直线式拉丝机先拉拔几道次， 然后再镀黄铜。 以 φ 5.5mm C92E 钢盘条拉拔 φ 0.12 mm 钢丝为例， 介绍切割钢丝生产工艺流程如下φ 5. 5 mm盘 条 → 表 面 处 理 涂 硼 砂 → 粗 拉 到 φ 3. 0 mm→ 铅铅 淬淬 火火 处处 理理 → 表表 面面 处处 理理 磷磷 化化 →中中 拉拉 到到 φ 1 45 mm→ 铅铅 淬淬 火火 处处 理理 → 电电 解解 酸酸 洗洗 → 冷冷 水水 冲冲 洗洗 → 碱碱 性性 镀镀 铜铜 → 热热 水水 冲冲 洗洗 → 酸酸 性性 镀镀 铜铜 →冷冷 水水 冲冲 洗洗 → 酸酸 性性 镀镀 锌锌 → 热热 水水 冲冲 洗洗 → 热热 扩扩 散散 → 磷磷 化化 → 热热 水水 冲冲 洗洗 → 湿湿 式式 拉拉 拔拔 到到 φ 0 12 mm→ 工工 字字轮轮 收收 线线 恒恒 张张 力力 → 真真 空空 封封 装装 。国内切割钢丝生产企业按设备配置情况可分为两类，一类全流程配置，从盘条一直生产出成品， 江苏兴达钢帘线 、河南恒星科技、湖北福星和贵州钢绳等均属该类企业。另一类只配置成品拉丝机，从帘线厂采购镀好铜的钢丝 （俗称 “ 黄线 ” ） ， 生产成品钢丝， 全成电机、 张家港苏闽等地方或私营企业多属这类企业。从生产工艺流程可以看出，切割钢丝的生产可分为 3 部分粗拉、中拉和成品拉拔。1 粗拉。将 φ 5.5 mm 盘条先进行表面处理，包括清除表面氧化皮、涂上合适的涂层、烘干后采用直进式拉丝机， 干式润滑剂， 用 7 个道次拉到 φ 3.0 mm。 目前国内多选机械除氧化皮、 在线清洗、 硼砂涂层、烘干、拉拔的工艺路线。该工序要点是表面氧化皮必须去除干净，拉拔过程中钢丝表面不应产生划伤。2 中拉。钢丝先进行铅淬火处理，此时要注意工艺控制，使钢丝显微组织细化，全部转变为索氏体，力学性能达到均匀一致 （抗拉强度同批差小于 30 MPa） 。 中拉用 10 个道次直接拉到成品前尺寸 φ 1.45 mm。因总道次压缩率加大，必须采用附着和润滑效果更好的磷化涂层。该工序首次对钢的显微组织进行调整，7 应配以检测和监控手段，加强对抗拉强度均匀性的监控。中拉过程中要对模具、润滑剂、拉丝机冷却系统进行严格控制，彻底改善钢丝表面质量。3 成品拉拔。拉拔成品前铅淬火处理的目的是对钢丝显微组织进行精细调整，获得片间距更小的索氏体组织（或托氏体、下贝氏体组织） ，严格地说应根据化学成分调节铅淬火工艺才能达到预期效果。电解酸洗和镀黄铜是为较高道次压缩率拉拔做准备，该工序是技术含量高，设备（包括扩散炉）配置水平起决定性作用的工序，不少企业宁可花大价钱也要引进国外先进设备是值得的。目前国内多采用两步法镀黄铜，先镀铜，后镀锌，再通过热扩散处理形成黄铜。热扩散处理时，最外层黄铜中的锌发生氧化，形成氧化锌薄膜，不利于湿式拉拔，必须用磷酸进行清洗，使之转化成磷化膜，暂且也称为磷化。电解酸洗之后，厂房环境对成品钢丝的质量影响越来越大，厂房应封闭，并进行防尘、恒温、防潮处理。除钢帘线生产企业外，钢丝绳和钢丝生产企业均无此设备，设计和使用时都需慎重考虑。成品钢丝使用钻石模、水性润滑剂在水箱式拉丝机中，用 30 道次从 φ 1.45 mm 直接拉拔到 φ 0.12 mm。切割钢丝用水箱式拉丝机的道次压缩率一般控制在 14.5、 13.8、 12.5左右，成品道次压缩率一般控制在 6左右 3。因为细丝不出量，生产厂的水箱式拉丝机数量庞大，往往有成百上千台。用水箱式拉丝机生产 φ 0.12 mm 切割钢丝的典型拉拔工艺流程 φ 1.45→ 1.36→ 1.22→ 1.10→ 0.98→ 0.88→ 0.78→ 0.70→ 0.63→ 0.57→ 0.52→ 0.475→ 0.435→ 0.40→ 0.368→ 0.34→ 0.315→ 0.292→ 0.27→ 0.25→ 0.233→0.216→ 0.20→ 0.187→ 0.175→ 0.163→ 0.152→ 0.142→ 0.133→ 0.124→ 0.12 mm。如果前 10 道次选用冷却性能良好的直进式拉丝机，采用干式润滑拉拔，然后再用水箱拉丝机拉拔成品，整个拉拔道次可适当减少，成品抗拉强度有所提高。典型拉拔工艺流程 φ 1.45→ 1.30→ 1.16→ 1.04→ 0.94→ 0.85→ 0.765→ 0.69→ 0.63 → 0.57→ 0.52→ 0.47→ 0.43→ 0.39→ 0.355→ 0.325→ 0.30→ 0.275→ 0.252→ 0.232→ 0.214→ 0.198→ 0.182→ 0.168→ 0.155→ 0.143→ 0.133→ 0.124→ 0.120 mm。比较两种工艺流程可以看出减少 2 个拉拔道次主要是依靠加大前面道次的压缩率实现的。通过减少拉拔道次来提高成品钢丝的抗拉强度，而又不明显降低钢丝韧性的工艺调整原则基本如此。4 钢帘线因为娇贵，称为制品中的 “ 皇后 ” ，而切割钢丝比钢帘线更娇贵，所以成品钢丝在清洗、复绕、封装（多选用真空封装）各工序不可掉以轻心。4 切割钢丝用盘条基本性能和生产工艺流程4.1 切割钢丝用盘条基本性能切割钢丝的断丝率很大程度上取决于盘条质量。优质高碳钢盘条首先要看化学成分控制水平，钢的纯净度和显微组织的均匀性。国内生产切割钢丝用盘条目前全部依赖进口，生产企业确认的优质盘条有日本神户制钢的 KSC82 、 KSC92E ，新日铁的 NSC85、 NSC90 ，德国和英国的 POSCO 的 POSCORD90 、POSCORD90E 等。日本神户和新日铁切割钢丝用盘条的牌号和化学成分见表 3。进口 C92E 盘条实物化学成分见表 4、物理性能见表 5、金相组织及夹杂见表 6。表 3 日本切割钢丝用盘条的牌号和化学成分牌号 生产企业元素质量分数 / C Si Mn P S Cr Ni Cu KSC82 神户制钢0.80 ～0.85 0.15 ～0.30 0.70 ～0.75 ≤ 0.020 ≤ 0.020 ≤ 0.05 ≤ 0.05 ≤ 0.058 KSC90 神户制钢0.88 ～0.93 0.15 ～0.30 0.70 ～0.75 ≤ 0.020 ≤ 0.020 ≤ 0.05 ≤ 0.05 ≤ 0.05KSC92E 神户制钢0.90 ～0.95 0.10 ～0.30 0.25 ～0.45 ≤ 0.020 ≤ 0.0150.15 ～0.30 ≤ 0.06 ≤ 0.09KSC97-UH 神户制钢0.95 ～0.99 0.10 ～0.25 0.30 ～0.42 ≤ 0.012 ≤ 0.0100.10 ～0.30 ≤ 0.05 ≤ 0.05NSC90 新日铁0.915 ～0.935 0.18 ～0.25 0.30 ～0.42 ≤ 0.012 ≤ 0.0100.15 ～0.30 ≤ 0.04 ≤ 0.04表 4 进口 C92E盘条化学成分 w/ C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe 0.908 0.180 0.290. 0.012 0.005 0.200 0.012 0.008 98.00 表 5 进口 C92E盘条物理性能直径 /mm 椭圆度 /mm 破断力 /kN 抗拉强度 /MPa 断面收缩率 / 伸长率 / 5.50 0.15 29.56 1 242 38.1 9.6 表 6 进口 C92E盘条金相组织金相组织 非金属夹杂物类别基体组织 偏析 / 级晶粒度 / 级 脱碳层深度 /mm A B C D 9.0 0.02 0.5 0 0.5 0.5 S 1.0 依据国外切割钢丝用优质盘条化学成分规范和实物性能检测结果，可对切割钢丝用优质盘条的基本性能作如下描述1 盘条用钢碳质量分数控制在 0.82～ 0.95；硅对钢丝深冷加工有不利影响，质量分数最好控制在0.25以下；锰是延缓钢丝索氏体化转变的元素，为保证在有限的控冷时间内完成索氏体转变，通常将锰质量分数控制在 0.35以下。2 拉拔断丝率与钢的纯净度正相关，优质盘条的各类非金属夹杂物应控制 0.5 级以下，即夹杂物的尺寸应小于 5 μm 。进口 C92E 盘条的 B 类夹杂物为 0，据此推论钢中氧质量分数应在 20 10-6 以下 .。 D 类夹杂物和 TiN 夹杂物也是细丝拉拔脆断主要影响因素，应对钢中 Al 和 Ti 含量严加限制，精炼期适当降低炉渣的碱度，可降低钢中 D 类夹杂物含量。3 钢中氮虽然能提高钢丝的冷加工强化系数，但对深冷加工非常不利，帘线用钢为保证在较大压缩率冷拉顺利，明确规定钢中氮质量分数应小于 40 10-6 ，切割钢丝用钢也应如此。4 钢中镍、 铜都是延缓钢丝索氏体化转变的元素， 应予以限制 , 实测 C92E 盘条中 Ni 和 Cu 含量均很低。5 实测 C92E 盘条的基体组织为 100索氏体，盘条抗拉强度为 1 242 MPa 也验证了测量的准确性。国产 82B 控轧控冷盘条的索氏体化率一般为 90， 92A 盘条的索氏体化率一般不会超过 93， 这也是国内外盘条的重要差距。4.2 切割钢丝用盘条生产工艺流程国内进口盘条的主要供应商有新日铁、神户制钢、撒斯特和康立斯。这些公司都以铁水为原料，转炉炼钢。新日铁和神户盘条生产工艺流程 炼 铁 → 铁 水 “ 三 脱 ” 处 理 → 钢钢 水水 初初 炼炼 转转 炉炉 → 炉炉 外外 精精 炼炼 → 连连 铸铸9 → 钢钢 坯坯 修修 磨磨 → 高 速 无 扭 转 轧 机 连 轧 → 盘 条 → 盐盐 浴浴 处处 理理 → 包包 装装 。。铁水 “ 三脱 ” 处理指脱硫、脱磷和脱硅处理。国内盘条轧后全部用斯太尔摩线进行控制冷却，以获得拉拔性能良好的索氏体组织，但受冷却条件限制，实际只能获得质量分数为 85～ 93的索氏体组织，其余为珠光体组织，而且索氏体组织的片间距差别很大，盘条力学性能的均匀性和可拉拔性明显下降 7。新日铁和神户制钢盘条轧后进行盐浴处理，获得 100的索氏体组织。这是国内钢厂无法弥补的差距。盐浴处理主要用于大规格（ φ 6.5～ 20 mm）盘条或钢丝的散卷浸入式处理。散卷浸入是将盘条或钢丝放在传送辊上，传送辊匀速运动盘卷自动散开，进入加热炉完成奥氏体化后，首先落入 1盐浴槽（温度500 ℃） ，紧接着进入 2恒温盐浴槽（温度 550 ℃）后，完成索氏体化转变，然后经清洗、收线。为保证900 ℃的盘条或钢丝落入盐浴槽时能保持外形，其盘条或钢丝的直径不能小于 6.5 mm。盐浴是热导率仅次于铅浴的索氏体化处理方式，为弥补导热能力的不足，盐浴的温度稍低于铅浴的温度。日本新日铁和君津制铁所联合开发的连续式盐浴炉如图 5 所示。1放线架； 2控溫炉； 3 1盐浴槽； 4 2盐浴槽； 5清洗槽；6放线裝置； 7盐液冷却器； 8盐浴补偿器； 9旋风收尘器；图 5 日本新日铁和君津制铁所联合开发的连续式盐浴炉5 切割钢丝和盘条生产发展动态5.1 切割钢丝生产发展动态切割钢丝的生产流程长，对尺寸和抗拉强度稳定性要求苛刻，生产技术难度大，生产线建设投资高，国内市场过去几年主要被贝卡尔特 Bekaert等外资企业垄断。江阴贝卡尔特公司凭借钢丝变形能力和钢丝镀膜两大核心技术控制市场， 钢丝质量稳定，拉拔断丝率在 1.5左右， 年产钢丝 3 万 t。 到 2010 年国内切割钢丝产能排前几位的外资企业还有常州凡登、常州得一、东京制钢在常州所设分厂、高丽钢线在青岛所设分厂。国内江苏兴达、河南恒星科技、绵阳全成电机、张家港苏闽等企业也都在努力开发切割钢丝市场。据工业线材联盟提供的统计资料， 2010 年国内切割钢丝的需求量为 6.84 万 t，其中国外企业产品使用量 6.16 万 t，国内企业产品使用量 6 800 t，仅占总需求量的 9.94。切割钢丝市场需求量的快速增长，引发了国内切割钢丝生产线的投资热。从生产工艺流程看，切割钢丝和钢帘线的流程几乎一致，前几年全国大上钢帘线，一度造成帘线产能过剩，所以钢帘线生产企业捷足先登，快速转向切割钢丝生产亚洲最大的钢帘线生产企业 江苏兴达钢帘线有限公司，几年前就投资切割钢丝生产线，年生产能力已超过 5 000 t， 2010 年已规划扩大生产规模。河南恒星科技股份有限公司2010 年 9 月投资新建的年产 5 000 t 切割钢丝生产线现已达产， 2012 年公司定向增发 3 500 万股，募集资风机10 金 7.24 亿元，计划切割钢丝产能新增 1.5 万 t。江苏维尔新材料股份有限公司是由无锡俊业投资有限公司、江阴澄星实业集团等 4 家合资新建的，该合资公司拟投资 3.5 亿元在江苏盱眙经济开发区兴建年产 1 万 t切割钢丝生产厂， 2010 年底先期投资 2 亿元，新厂占地 15 万 m2，新建厂房 4 万 m2，所有生产设备全部从行业中技术先进的德国、意大利、比利时和韩国等进口，包括意大利的 COSECO 电镀线、比利时的 FIB淬火炉和扩散炉、韩国的 STECO 水箱拉丝机、美国 INSTRON 拉力试验机、德国 ZEISS 金相显微境和扫描电镜、美国 Varian ICP、挪威 Conoptica 轮廓检测仪等。江苏宝钢精密钢丝一期工程， 2011 年 12 月在海门市海门港工贸工业区开工，厂区占地 20.7 万 m2，建成后年产切割钢丝 2 万 t、钢帘线 8 万 t。大都（焦作）新材料科技公司，拟投资 17.6 亿元，在焦作新材料产业园内新建年产 5 万 t 切割钢丝的新厂。江苏海德旺斯光伏新材料有限公司在张家港宿豫工业园区投资 2 亿元建厂， 2011 年 10 月底一期工程投产，年产黄铜线和切割钢丝 1 万 t。山东亿昌工贸有限公司在寿光新建切割钢丝生产厂，一期年产 1 200 t，二期扩建后年产切割钢丝 3 600 t。钢丝绳生产企业也积极投入切割钢丝生产线的建设湖北福星股份拟投资 1.3亿新建年产 3 000 t 切割钢丝生产线， 专业生产切割多晶硅片的钢丝； 据悉贵州钢丝绳和宁夏恒力钢丝绳厂也有筹划建设切割钢丝生产线的意向；一批地方企业和私有企业，在国家政策的支持下也滿怀信心地投入切割钢丝生产线的新建和扩建中邢台钢铁线材精制有限公司 2011 年 9 月在邢台经济开发区开工建厂，预计总投资 15.3 亿元，一期投资 3.5 亿元，主厂房建筑面积 4.5 万 m2，设备 258 台套，从意大利、德国和比利时进口，预计 2012 年 3 月一期工程竣工后年产切割钢丝 5 000 t，全部项目达产后将年产切割钢丝 2万 t。 新余邦威合金 2011 年新建年产 7 000 t 切割钢丝生产线； 绵阳全成机电投资将产能扩大到每年 3 000 t；眉山瑞显光伏一期先建 8 000 t/年的生产线， 2012 年再将产能扩大到 1.63 万 t/年；河津腾升帘线规划新建年产 5 000 t 切割钢丝生产线； 余姚鸿鑫台一期计划建 6 000 t/年的切割钢丝生产线。 专家估计国内企业 2011年切割钢丝实际产能将达到 8.4 万 t/年。 预计到 2012 年底国内切割钢丝产能将达到 17～ 20 万 t/年， 产能与需求量基本达到平衡。鉴于切割钢丝生产难度较大，原材料缺口仍将持续一个阶段，新建厂达产可能仍需一段时间，目前国内市场发展态势为外资企业和外国产品凭借质量优势，牢牢地占领市场。国内企业正在兴起，产品质量也在不断提高，正以价格优势向外企和进口产品发起冲击，力争替代前者。按国内现有技术水平， 生产 1 MW 光伏电池大概需要晶硅片 12 t 左右， 而每切割 1 t 晶硅片需要 0.7～0.8 t 切割钢丝， 可以推算出国内 2012 年切割钢丝的需求量约为 11.7 万 t。 从以上分析可以看出 国内切割钢丝的产能已大于市场实际需求，今后很长一段时间内应优化产业结构，淘汰落后产能，降低生产成本，提高产品质量。5.2 切割钢丝用盘条生产发展动态切割钢丝是晶硅切片必不可少的材料，其消耗仅次于硅材料，占硅片加工成本的 50，近两年国内切割钢丝的飞速发展，从产能看供需基本达到平衡，但是制造切割钢丝需要的高品质高碳钢盘条，国内产品质量尚无法满足切割钢丝生产要求，在很大程度上仍依赖进口。相对于火热的切割钢丝生产线建设，切割钢丝用盘条的开发就显得冷清得多，据悉目前只有宝钢试生产小批量切割钢丝用盘条，尽管用户觉得与神户盘条仍有差距（拉拔断丝率偏高） ，但尚能满足单丝长度大于 300 km 的要求。沙钢、青钢、武钢和兴澄钢厂也正在策划生产切割钢丝用盘条。鉴于切割钢丝用盘条研制落后的现状，国家有关部委已筹建了两个课题，促进切割钢丝的发展一个是由清华大学牵头的切割钢丝研究小组；一个是由北京科技大学牵头的切割钢丝用盘条国产化研究小组。11 国内钢铁工业经过近十年来的飞速发展，炼钢和盘条的设备装备水平已进入世界一流行列，世界最先进的冶金炉， 最先进的冶炼 -铸造工艺流程， 最先进的轧机中国全有。 生产不出合格的切割钢丝用盘条的原因大致有两点首先是切割钢丝的技术要求远高于一般钢种，很难找准全部切入点，列出全部技术要求。其次是如何将技术要求转化成工艺操作规程，对全过程实施有效控制，达到预期目标。要生产出高质量切割钢丝用盘条，必须综合运用以下几项技术才能达到预期目标 （ 1）超高强度钢生产技术； （ 2）微合金化技术； （ 3）超纯钢生产技术； （ 4）微细丝用钢生产技术。显而易见，要同时熟练地运用这些技术，从工艺装备水平和实际操作经验两方面看，特钢厂比普钢厂更有优势。6 提高切割钢丝质量的工艺设想综合运用 4 项技术，提高切割钢丝质量水平，建议从以下几个方面着手。6.1 强化方法钢的强化常用方法有固溶强化、细晶强化、相变强化、沉淀析出强化和冷加工强化。切割钢丝要求抗拉强度达到 4 000 MPa 时仍具有良好的柔韧性（ A 50≥ 2） ，显然，用淬火 - 回火处理（相变强化） ，在保证钢具有足够柔韧性的条件下，无法使钢的抗拉强度超过 3 000 MPa。固溶强化、细晶强化、沉淀析出强化等最多能使钢的抗拉强度提高 500 MPa 左右， 只能用作超高强度钢的辅助强化手段， 因此切割钢丝只能选用冷加工强化方法。冷加工强化钢丝抗拉强度超过 3 000 MPa 必须具备两个基本条件 （ 1）钢丝经热处理后的抗拉强度应超