[科普中國(guó)]-硅熔煉

硅熔煉(silicon smelting)是指用碳質(zhì)還原劑還原硅礦石產(chǎn)出元素硅的過(guò)程。硅的工業(yè)產(chǎn)品有精制工業(yè)硅、多晶硅、單晶硅三種。硅熔煉一般是指粗硅的生產(chǎn)。硅熔煉在電弧爐中進(jìn)行，因以電弧作為高溫?zé)嵩?，故稱電熱法煉硅。硅熔煉主要包括爐料準(zhǔn)備、熔煉、出硅三大環(huán)節(jié)。

簡(jiǎn)介硅熔煉(silicon smelting)是指用碳質(zhì)還原劑還原硅礦石產(chǎn)出元素硅的過(guò)程。硅的工業(yè)產(chǎn)品有精制工業(yè)硅、多晶硅、單晶硅三種。硅熔煉一般是指粗硅的生產(chǎn)。硅熔煉在電弧爐中進(jìn)行，因以電弧作為高溫?zé)嵩?，故稱電熱法煉硅。硅熔煉主要包括爐料準(zhǔn)備、熔煉、出硅三大環(huán)節(jié)1。

工業(yè)硅熔煉過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理工業(yè)硅在工業(yè)硅爐中熔煉而得，系無(wú)渣埋弧高溫熔煉過(guò)程。原料為硅石，石油焦，木塊，低灰煤等為還原劑，經(jīng)高溫熔煉，硅逐漸從硅石中還原出來(lái)2。

原理硅礦石的主體成分為SiO2。用碳質(zhì)還原硅石生產(chǎn)工業(yè)硅的化學(xué)反應(yīng)為：

SiO+2C=Si+2CO

但反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理很復(fù)雜。已有很多人對(duì)用碳還原SiO2生產(chǎn)元素硅的機(jī)理進(jìn)行過(guò)研究，但研究者的意見(jiàn)尚不一致，其中具代表性的有拉思反應(yīng)機(jī)理、凱利反應(yīng)機(jī)理、拿哥莫利一馬林斯蓋反應(yīng)機(jī)理等。

1.拉思反應(yīng)機(jī)理

德國(guó)拉思(Gero Bath )等人認(rèn)為，二氧化硅的碳還原過(guò)程可概括為SiC的形成、SiC的分解和SiO的冷凝三大階段。當(dāng)爐料溫度達(dá)到1770K以上時(shí)，SiO2與碳反應(yīng)生成SiC。

2.凱利反應(yīng)機(jī)理

美國(guó)凱利(W. M. ICcli)通過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為，當(dāng)煉硅爐內(nèi)爐料中的碳下落時(shí)。與上升的SiO氣體相遇，發(fā)生生成SiC的反應(yīng)。

3.拿哥莫利-馬林斯蓋反應(yīng)機(jī)理

加拿大拿哥典利( M.Nagamvri)和馬林斯蓋(I. Malinsky)等對(duì)Si-C-O三元系進(jìn)行過(guò)深入的研究，把Si、SiC、SiO2、SiO四個(gè)凝聚相的體系稱為“穩(wěn)定系”或“穩(wěn)定區(qū)”3。

爐料準(zhǔn)備將化學(xué)組成符合要求的硅石破碎到規(guī)定的粒度，并與碳還原劑按比例混合均勻。碳還原劑有木炭、油焦和煙煤，它們的質(zhì)量也要達(dá)到規(guī)定要求。

電極是消耗材料。硅熔煉用電極有石墨電極、碳素電極和自焙電極。中國(guó)均使用石墨電極。其物理化學(xué)性能要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3。

熔煉硅熔煉在埋弧式電爐中進(jìn)行，是個(gè)爐料從爐缸上部不斷熔融向爐膛內(nèi)下沉進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)過(guò)程。

配制好的爐料經(jīng)下料管和流槽從爐上料倉(cāng)加入爐內(nèi)，或由人用鐵鍬把護(hù)料加入爐內(nèi)。向爐內(nèi)加料時(shí)，要注意保持爐缸上部規(guī)定的料面水平。電極以適當(dāng)?shù)纳疃嚷袢霠t料中。在熔煉過(guò)程中，由于料面被高沮燒結(jié)，不能順利地沉降到爐膛的反應(yīng)帶內(nèi)，需用搗爐機(jī)刺破并翻開(kāi)料面的燒結(jié)殼，強(qiáng)制爐料下沉。電極經(jīng)高溫?zé)龘p及參與化學(xué)反應(yīng)而不斷消耗，為使電極在爐內(nèi)保持一定的長(zhǎng)度，必須定期下移和接長(zhǎng)電極。當(dāng)爐內(nèi)出現(xiàn)逆況時(shí)，一般采用調(diào)整配料比和電氣參數(shù)的辦法進(jìn)行處理1。

煉硅爐全稱礦石還原電弧爐，又稱礦熱爐，簡(jiǎn)稱硅爐。煉硅爐按其電氣接線和電極的相數(shù)可分為單相單電極、單相雙電極、三相三電極和三相六電極等幾種類(lèi)型。在中國(guó)除個(gè)別工廠采用單相雙電極硅爐外，大都采用三相三電極煉硅爐。

煉硅爐主要由供電系統(tǒng)、電極、水冷系統(tǒng)、集氣排煙系統(tǒng)，下料系統(tǒng)和爐體等部分組成2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)