关于工业硅冶炼工艺及冶炼原理方面的一些知识

工业硅的用途、牌号及生产方法

工业硅也称金属硅或结晶硅，是重要的工业材料，广泛用于冶金、化工、机械、电器、航空、船舶、能源等领域。

工业硅主要用作冶金产品的合金剂、脱氧剂、还原剂及化工原料，如可作为有色合金的添加剂，起到提高基体金属强度、硬度和耐磨性，改善基体的铸造性能和焊接性能的作用，作为脱氧剂使用以降低有色合金的氧含量。在硅钢生产中工业硅可用作合金剂。作为氧化锰、氧化钒、氧化钙、氧化镁等氧化物的还原剂。作为生产有机硅、硅橡胶、晶体硅等的化工原料。其中用于铝合金添加剂的工业硅总产量的70%以上。

工业硅的牌号及化学成分列于下表中。

表1为GB/T2881-2008规定的工业硅牌号和化学成分，表2为GB/T2881-2014最新规定的工业硅牌号和化学成分表。

表1  GB/T2881-2008规定的工业硅牌号和化学成分

表2  GB/T 2881-2014新规定的工业硅牌号和化学成分表

工业硅在三相或单相矿热炉内进行冶炼，大都采用敞口矿热炉，也有采用半封闭旋转炉的，炉衬由炭砖砌筑。由于工业硅对含铁量要求严格，不宜采用有铁壳的自焙电极，应使用石墨或炭素电极。工业硅生产用原料

冶炼工业硅的原料主要有硅石和碳质还原剂。

1、硅石

对硅石的要求是：SiO2>99.0%,A1203<0.3%，Fe203<0.05%,CaO<0.2%，MgO<0.15%;粒度为25~80mm。硅石要有一定的抗爆性和热稳定性。抗爆性差的硅石会导致矿热炉透气性变差，炉子上部炉料黏结，不利于冶炼正常进行。抗爆性用抗爆率的大小表示，其测定是称量一定量的硅石，在1500℃温度下入炉加热、恒温15min，出炉冷却至常温，筛分大于20mm的硅石重量与爆炸前硅石重量之比的百分数，即为抗爆率。工业硅生产用硅石要求结晶水含量不超过0.5%,剧烈膨胀的开始温度不低于1150℃。

2、碳质还原剂

工业硅生产中使用的碳质还原剂有木炭、石油焦、褐煤、烟煤、兰炭和木块。碳质还原剂应固定碳高，灰分低，化学活性好。通常采用低灰分的石油焦或沥青焦作还原剂，并搭配采用灰分低、电阻率大和反应能力强的木炭(或木块)。为使炉料烧结，还应配入部分低灰分烟煤。

对几种碳质还原剂的要求见表3。

表3 碳质还原剂成分粒度要求表工业硅冶炼原理

在工业硅的生产中，一般认为硅被还原的反应式为：

实际生产中硅的还原比较复杂。炉料入炉后不断下降，受上升炉气的作用，炉料温度不断升高，上升的SiO有下列反应：

此产物大部分沉积在还原剂的孔隙中，有些逸出炉外。炉料继续下降，当炉料降到温度在1773K以上的区域时，有下列反应：

当温度再升高时发生反应：

在电极下发生反应：

炉料在下降的过程中有反应：

在工业硅冶炼过程中，应严格保持炉料中C与Si02的分子比等于2,这样在冶炼过程中就不出现剩余SiC和SiO2,可保证冶炼过程有高的硅产出率。

工业硅冶炼工艺

工业硅生产工艺流程如图1所示。

图1 工业硅生产工艺流程

配料。炉料配比应根据化学成分、粒度、含水量、炉况经计算及经验而定。各种还原剂按一定比例搭配，木炭用量控制在不少于纯碳量的1/4,烟煤和褐煤用量不超过1/4,配料时要注意根据原料变化及时调整配料。要注意原料的清洁，清除异物，防止杂物混入料内。称量必须准确。

冶炼操作。按配料要求配好料，运到炉前，木块单独堆放。配料称料次序为：木炭、石油焦、硅石。采用焖烧、定期集中加料和彻底沉料的操作。当炉内炉料焖烧到一定时间后，应用捣炉机捣料促使烧结的炉料下沉，捣炉完毕后，集中加入新料，加料时可先加木块，再将混勻的炉料迅速加于电极周围及炉心地区，料面要加成平顶锥体，新料加完后,进行焖烧。每班沉料约5~6次，约l小时沉料一次，每次所加新料量约l小时用量。

出炉及浇注。出炉前先将流槽清理干净，在锭模底部垫上一块炭砖，锭模内刷石灰或石墨粉浆，上面放些碎工业硅块，以保护锭模。出炉时间根据矿热炉容量、生产条件、管理水平等确定，一般大炉子2h出炉一次。开眼用石墨棒烧穿器，出炉过程15min左右。每次出炉后，应用捣炉机或人工进行捣炉。

停炉操作。停炉前应出尽合金，在料批中适当增加木块配入量，若停炉超过8h，应在停炉前适当降低料面。为保持炉子温度，停炉前先捣松料面加入木块，加入量视停炉时间长短而定，一般加50~100kg,停炉时间长，还可加一定量的木炭或石油焦保温。

炉况判断及调节。实际生产中，影响炉况最主要的因素是还原剂用量。炉况的变化通常反映在电极插入深度、电流稳定程度、炉子表面冒火情况及产品质量波动情况等方面。

炉况正常的标志：电极深而稳地插入炉料，电流电压稳定，炉内电弧声响低而稳;料面冒火区域广而均匀，炉料透气性好，料面松软而有一定的烧结性，各处炉料烧空程度相差不大，焖烧时间稳定，基本上无“刺火”、塌料现象;出炉时，炉眼好开，流量开始较大，然后均匀变小，产品产量和质量稳定。