[科普中國(guó)]-硅精煉

硅精煉(refining of silicon)是指除去粗硅中的雜質(zhì)，產(chǎn)出精制工業(yè)硅的過(guò)程。硅產(chǎn)品有精制工業(yè)硅、多晶硅和單晶硅。精制工業(yè)硅的純度一般為97%~99%。硅熔煉原料中的Al2O3、Fe2O3、CaO等在熔煉過(guò)程中未能全部還原，它們與SiO2形成熔渣，這種熔渣大多呈單一積聚體形式在出硅時(shí)與液硅分離，小部分呈細(xì)小顆粒混雜于液硅中形成粗硅的雜質(zhì)。被還原的金屬鈣、鋁、鐵等幾乎全部進(jìn)入液硅中，成為粗硅產(chǎn)品中的主要雜質(zhì)。硅熔煉產(chǎn)出的粗硅因雜質(zhì)含量過(guò)高往往不能滿足用戶要求，需通過(guò)精煉來(lái)提高它的純度。硅精煉主要有通氣法精煉和熔劑精煉等方法。

簡(jiǎn)介硅精煉(refining of silicon)是指除去粗硅中的雜質(zhì)，產(chǎn)出精制工業(yè)硅的過(guò)程。硅產(chǎn)品有精制工業(yè)硅、多晶硅和單晶硅。精制工業(yè)硅的純度一般為97%~99%。硅熔煉原料中的Al2O3、Fe2O3、CaO等在熔煉過(guò)程中未能全部還原，它們與SiO2形成熔渣，這種熔渣大多呈單一積聚體形式在出硅時(shí)與液硅分離，小部分呈細(xì)小顆粒混雜于液硅中形成粗硅的雜質(zhì)。被還原的金屬鈣、鋁、鐵等幾乎全部進(jìn)入液硅中，成為粗硅產(chǎn)品中的主要雜質(zhì)。硅熔煉產(chǎn)出的粗硅因雜質(zhì)含量過(guò)高往往不能滿足用戶要求，需通過(guò)精煉來(lái)提高它的純度。硅精煉主要有通氣法精煉和熔劑精煉等方法1。

通氣法精煉通氣法精煉又分通氯氣精煉和通惰性氣體精煉。

1.通氯氣精練

這是工業(yè)上普遍采用的硅精煉方法。這種方法除鈣效果最好，也有較明顯的除鋁效果。鉻、銅和錳的平均脫除率為20%-50%，磷為10%，硼為40%，除鐵、鎳、鈦和釩的效果極微。

通入的氯氣通過(guò)物理和化學(xué)兩方面的作用來(lái)除去粗硅中的雜質(zhì)，起物理作用的是氯氣通入液硅后，使硅中微小的熔渣顆粒在新相氣泡的作用下更易聚集成大的顆粒，借助熔渣的密度與液硅的不同和液硅分離。起化學(xué)作用的是氯氣與液硅中的某些雜質(zhì)發(fā)生氯化反應(yīng)生成相應(yīng)的氯化物，生成的這些氯化物一部分呈氣態(tài)逸出與液硅分離，一部分通過(guò)與液硅的密度差而與液硅分離。在硅精煉的條件下，硅中的金屬鈣和鈣的氧化物，都極易與氯氣反應(yīng)生成氯化物而被除去。硅中的金屬鋁容易與氯氣反應(yīng)而除去。但Al2O3則只有在有游離碳存在的條件下才能與氛氣反應(yīng)被除去，一但熔體中的游離碳有限，而雜質(zhì)鋁又有相當(dāng)數(shù)量以Al2O3形式存在，所以通氯氣精煉除鋁雜質(zhì)的效果一般。硅中的雜質(zhì)鐵，大都以金屬狀態(tài)存在，鐵的氯化物穩(wěn)定性和硅的氯化物穩(wěn)定性相近，由于硅的活性大，鐵不易與氯氣發(fā)生反應(yīng)，因而除鐵雜質(zhì)的效果極微。

精煉的級(jí)氣壓力一般控制在0.25MPa，氯氣流量為1000L/h，通氯氣精煉20-40min。生產(chǎn)每噸硅消耗氯氣10-20kg。在一般情況下，通氯氣精煉法可以使硅中的鈣雜質(zhì)降到0.10%以下。在原料經(jīng)過(guò)精心挑選和操作制度合理的條件下，通氯氣精煉法可制得用于煉制冷軋硅鋼的特級(jí)硅。

2.通惰性氣體精煉

往液硅中通入惰性氣體或在情性氣體的熱氣流中滴入液硅的硅精煉方法。這種精煉方法是利用雜質(zhì)鋁、鈣等與硅在相同溫度下蒸氣壓的差異，人為地制造強(qiáng)制氣化條件，通過(guò)控制合適的溫度，使蒸氣壓比硅大的鈣、鋁等氣化，而達(dá)到脫除的目的。所用惰性氣體一般是氮?dú)饣驓鍤?。

熔劑精煉加入的熔劑起降低粗硅中熔渣的熔點(diǎn)、密度和粘度的作用。熔渣密度降低后，其對(duì)液硅的粘附力也隨之下降，熔渣熔點(diǎn)和粘度的降低，都更有利于熔渣和液硅的分離。所用的熔劑可以由蘇打灰、白云石、硅石、生石灰和蛇紋石或碎玻瑞等配成。熔劑的用量一般為精制工業(yè)硅的10%-20%。熔劑精煉可在工頻爐內(nèi)或中頻爐內(nèi)進(jìn)行，所得精制工業(yè)硅純度一般在99%以上3。

其他精煉法精煉工業(yè)硅的方法也有采用靜置法、重熔法和酸洗法。靜置法是通過(guò)熔渣與液硅的密度差等物理特性達(dá)到熔渣與液硅的分離。為保持硅液的溫度，需采用加熱的沉降設(shè)備。重熔法是對(duì)固體工業(yè)硅產(chǎn)品進(jìn)行二次重熔，結(jié)合其他方法進(jìn)行精制。此法除鈣雜質(zhì)效果明顯。但由于此法存在二次能耗，工業(yè)上很少采用。酸洗法是對(duì)固體硅進(jìn)行精煉提純的一種方法，中國(guó)極少采用1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)