我國金剛石繩鋸和線鋸工具快速發展

鄭 超

(中國有色桂林礦產地質研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

1 發展態勢

近年來，我國金剛石繩鋸企業，大力發展規模化生產，產量和產值大幅度提高，粗略估計，2018年全國繩鋸產量達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三大生產企業，單是天石源一家年產量就達170萬米，年產值達3.4億元。此外，繩鋸產品質量大大提高，生產的產品除礦山開采需要的大直徑繩鋸之外，大量生產的是供多組鋸切割板材所需的7.2、6.2mm小直徑串珠繩鋸。更為可喜的是國內多家企業利用我國機械制造的優勢，向世界二十多個國家出口石材礦山開采繩鋸機和部分大型組鋸機。估計繩鋸機出口至少3500臺，這是我國超硬材料行業最為成功的設備出口，雖然不算是“大國重器”，但作為我國戰略性新興產業中一個名不見經傳的金剛石繩鋸行業，在短短的二十幾年間，不但在我國的經濟發展中發揮重要作用，還為“一帶一路”沿線國家的石材礦山開采和經濟發展做出了卓越的貢獻。[1]圖1所示為天石源公司的出口繩鋸機和多線組鋸機整裝待發。圖2為桂林特邦公司出口的繩鋸機。

最近幾年，金剛石線鋸產業更是迅猛發展，由于國內光伏行業對上千臺進口的游離式切割機改造成功，獲得技術上突破，在單晶硅和多晶硅的切片、截斷和開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，仍然供不應求，從而促使線鋸行業迅猛發展，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線鋸生產大家，年產量超1000萬千米以上，最大達2500萬千米，一躍而為世界線鋸生產大國。而且，在線徑方面正在研制超細的0.06mm線鋸用于硅晶的切片加工，進一步節省了材料消耗，降低了成本，促進了光伏產品平價上網。有關部門宣布2019第一批光伏發電平價上網項目名單已定，其中，光伏發電平價項目14.78GW，有大約4.8GW預計在2019年內投產并網，自此光伏平價上網時代正式開啟，這是光伏企業大量應用金剛石線技術致使晶片加工成本大幅度降低的結果。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基地，計劃投資1億元，建設100條生產線，年產值2億元。可想而知，今后市場競爭將很激烈，每米線價己經降到幾角錢。2019年5月，有關部門在南京聯合舉辦了2019中國金剛石線切產業鏈研討會，盛況空前，足見國家和社會對金剛石線技術發展的關注度大大提高。

圖1 天石源公司出口繩鋸機和多線組鋸機整裝待發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Fig.2 Rope saw exported by Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

2014年中國科學院福建物構所最先使用TXJ-1000型環形金剛石線切割機用于大型KDP激光晶體的切割加工，切割效率比帶鋸機提高5倍，切面平整，不崩邊，為國防軍工作出一定貢獻，至今，仍在正常生產使用。2016年天瑞線鋸科技公司的線鋸截斷機開始批量投入國內市場，至2019年年中有100多臺設備分布在江蘇、內蒙、甘肅、新疆等十幾個省市的光伏企業生產使用，充分顯示線速度快，40～60m/s，切割效率高，設備結構簡單等優勢，深受用戶青睞。目前公司仍在不斷開發研制各種不同結構的線鋸機用于其它半導體晶體、藍寶石、靶材、功能陶瓷和寶玉石等更多市場的切割應用。

2 提高金剛石繩鋸自動化智能化生產水平

金剛石繩鋸生產工藝過程十分復雜，其中如裝模拆模工序純系手工操作，勞動強度大，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，他們的設計思路只是將冶金粉末和金剛石混合后壓制成環狀胎體，而我們卻想連珠芯放在一起冷壓成型。與工程師們一起，經過十多年的艱苦努力，反復修改，靠自主創新制造出一批又一批全自動串珠冷壓機，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臺設備，只要將料倒滿，就等著接壓制好的串珠裝盤，以轉到下一道工序，就連壓制過程超標的串珠也能自動檢揀出來，而且該機適于各種不同大小結構串珠，連最小的6.2mm串珠也能生產。桂林特邦超硬材料公司的串珠自動化生產線也達到了相當高水平,可以日產10萬粒。國內繩鋸生產企業通過堅持不懈地努力,使我國串珠生產躍上世界先進水平。圖3所示為天石源公司串珠自動化生產車間。圖4所示為桂林特邦超硬材料公司的串珠自動化和燒結車間。

圖3 天石源公司串珠自動化生產車間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車間Fig.4 Bead automation and sintering workshop of Guilin Tebon Superhard Material Co.Ltd

串珠燒結工序中的裝模和拆模勞動強度大，效率低，天石源公司技術人員經多年反復試驗修改，基本上實現了在模框上自動裝碳模和串珠并壓緊。下一步將實現輸送帶或機械手送模框進入爐子燒結，取出后由輸送帶送往冷卻并拆模。近期將完成燒結工序的自動化智能化技術改造創新。其它如繩鋸的產量大，相應的注塑注膠工序的生產量也非常大，因此從規模化設備的改進和工藝技術的創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備，則生產能力才能躍上先進水平。總之，國內金剛石繩鋸生產企業在規模化自動化生產水平上均有很大進步，但是仍有不足，有待繼續努力，攀登高峰，向超硬材料工具強國邁進。

3 金剛石線切割設備國產化

隨著中國光伏產業迅速崛起，國外幾家多線切割設備廠家的生產能力遠遠不能滿足中國硅片加工需求，于是國內很多設備制造企業紛紛開始研制太陽能硅晶片的切割設備。最早投入多線切割機開發的應該是上海日進公司，該公司引進日本技術，推出類似 MWM442D的樣機，切割試驗結果良好，幾經改進，已批量推向市場，該公司同時還生產截斷機和開方機等晶體切割設備，圖5所示即為該公司在上海光伏展會展示的開方機。國內陸續推出多線切片機的廠家還有上海漢虹、電子集團45所、蘭州瑞德、無錫開源、大連連城、北京京聯發、湖南宇晶和青島高測等。青島高測除切片機、截斷機之外，還推出自主創新的單晶硅臥式開方機，深受歡迎，占領了一大半單晶硅開方市場。

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

最近幾年，雖然大部分進口的游離式線切割機經改造之后，采用國產金剛石線進行硅晶的切片生產。但是經幾年的零部件消耗，設備不堪重負，無法正常運轉，仍需依靠國產多片切機和開方機予以替代，才能保證光伏產品上游切割工序生產的正常進行。湖南宇晶研制多線切割機經過幾年的實驗和改進后，在國內已經銷售了幾十臺多線切割機，取得了長足的進步，該公司也在開發適應太陽能硅片切割的多線切割機。總之，近期我國金剛石線切割設備的國產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Fig.6 GC-700 Multi-wire Silicon Chipper of Qingdao High-speed Measurement Company

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

4 環形金剛石線的獨特優勢

相比于金剛石長線鋸，環形金剛石線鋸具有獨特優勢，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，往復切割，線速度受到一定限制，并且機構復雜，同步控制系統、排線系統設計難度大，造價高。相對而言，環線切割機結構簡單，切割線單向運動，線速度可達40～60m/s，切割效率高，性價比高，十分適合國內光伏行業上游硅晶截斷開方加工廠和半導體晶片代工廠使用。中國的能源革命中，太陽能利用是重中之重，而在當前的激烈競爭中，降低加工成本是關鍵，是當前光伏產品平價上網的重要手段。桂林礦產地質研究院和福州天瑞線鋸科技公司從事環形金剛石線及其切割機的開發研究，更大范圍地服務于IC行業單晶硅切割加工和太陽能電池用多晶硅單晶硅的截斷和開方加工等方面。福州天瑞公司經過多年對環形金剛石線鋸技術的探索和經驗積淀，在2014年研制成功TXJ-1000型KDP晶體切割機基礎上，2016年重點轉向單晶硅多晶硅截斷機和開方機的研制，第一臺PTM200多晶硅截斷機于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，陸續投放市場的還有PTM350/3多晶硅三工位截斷機、MTM250單晶硅截斷機、MCM300單晶硅籽晶切割機、MCM400單晶硅靶材切割機和單晶硅臥式開方機，等等。[4]圖8所示為桂林特邦公司環形金剛石線鋸機。

圖7 PTM200截斷機Fig.7 PTM200 truncator

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

綜上所述，我國的環形金剛石線技術日趨成熟，開始成功地應用于人工晶體、太陽能光伏晶體、半導體單晶硅的切割加工，跨入該項技術的世界先進行列，并引領在光伏制造上游加工鏈中的廣泛應用，進一步提高了產業的加工水平。事實說明，除了多片切割之外的其它切割工序均可采用環形金剛石線切割機。今后，還有更多的切割設備有待去開發研制。環形金剛石線鋸技術的成功應用也是我國超硬材料工具行業開發出的一項創新成果，相信今后會有更大的拓展空間。

5 建議

(1)協會領導應組織一個協調交流會，取長補短，開發設計出一整套更加先進，更為完善的金剛石繩鋸自動化生產線，讓全行業共享，并組織海外建廠。

(2)協會應組織制定礦山開采繩鋸機和多組鋸機標準，統一規格和性能參數，以及出廠檢驗標準，不斷提高產品質量，創造中國名牌。

(3)國產金剛石線多片切割機的性能和制造質量與國外先進設備還有相當大的差距，協會應組織全國的技術力量，努力攻關。

部分數據未能核實，敬請諒解。