金属硅的炼硅工艺
下面介绍金属硅的冶炼工艺和流程。
1，生产化工用硅的必要性
我国金属硅(硅含量主要为98.5%)的生产最初主要是冶金硅，化学金属硅(硅含量主要为99.85%)的生产主要从90年代中期开始发展，我国化学硅的产量和出口快速增长。从1999到2001，中国对日本出口的化工硅分别达到2.2万吨、3万吨和4万吨。2001年，中国对日本出口的化工硅占日本进口化工硅的40%以上。中国已经开始加入生产和供应化学硅的国家行列，生产化学硅的企业越来越多。自2002年上海广济硅材料有限公司全面公开碳热还原熔炼工艺以来，2002-2004年间，我国金属硅年产量从65438+万吨迅速增长到1.2万吨。因此，国家发展和改革委员会实施了全面制裁。2006年金属硅实际产量回落至70万吨。2006年，仅上海广济硅材料有限公司大武硅厂一家，就在新疆边陲成功建成万吨金属硅厂——晶鑫厂。其他公司已经建立了新的硅工厂。化学硅是指用于生产硅和多晶硅的金属硅。在世界范围内，冶金硅的消耗量超过了化学硅。但随着科学技术的不断发展，化学硅已广泛应用于有机硅和半导体生产，广泛用于生产有机硅单体和聚合物硅油、硅橡胶和有机硅树脂，作为建筑防腐防水剂。它们具有独特的性能，如耐高温、电绝缘、抗辐射和防水。用于电气、航空、机械、化工、医药、国防、建筑等部门。作为集成电路的核心，95%以上的电子元器件由半导体硅制成，半导体是当代信息产业的支柱。“信息高速公路”广泛使用的光缆中的光纤也是金属硅制成的。美国和欧盟的化学硅消费量已占金属硅总消费量的一半以上。作为高科技领域和重要的基础产业，化学硅已得到广泛应用，其消费量趋于稳定增长。在国际市场正常情况下，每吨化学硅的价格比冶金硅高300-400美元。因此，必须大力发展化学硅的生产，不仅要满足出口和国内需求，还要提高金属硅企业的经济效益和产品质量。
2.化工硅生产的原料在化工硅的生产中，原料是良好运行的前提。应时岩用作生产化学金属硅的原料，低灰分碳质材料用作还原剂。电炉法生产化学硅的原料主要有二氧化硅和碳素原料。碳素原料以石油焦为主，配以优质无烟煤或木炭，也可掺入一些以增加炉料的比电阻。要求原料具有必要的纯度和良好的反应能力，以符合产品规格；还原剂具有不同的反应能力，以便与石英石充分反应；炉料成分不同，粒度不同，通过适当的配合，炉料电炉可以产生良好的影响。
2.1.硅质矿物冶炼金属硅的过程是无渣的，化硅冶炼对二氧化硅的选择是严格的，不仅要求杂质少，而且要求机械强度高，有足够的热稳定性和合适的粒度组成。二氧化硅最适合用于化学硅熔化。二氧化硅的天然形式要么作为独立的应时矿物存在，要么作为几乎完全由二氧化硅-二氧化硅或二氧化硅形式的砂岩组成的岩石存在。用于生产化学硅的含氧化硅矿物中的杂质和粘附物被完全还原，有的被还原，有的以化合物的形式进入产品硅或在冶炼过程中生成熔渣。这不仅增加了能耗，降低了产品质量，而且给冶炼过程带来困难。因此，化学炼硅所用的含氧化硅矿物的化学成分要求严格。要求SiO2大于99%，Fe2O3小于0.15%，Al2O3不大于0.2%，CaO不大于0.1%，杂质总量不大于0.6%。所用的二氧化硅必须用水清洗，熔化前表面必须干净。
进入熔炉的二氧化硅需要一定的粒度。二氧化硅的粒度是熔炼中一个重要的工艺因素。二氧化硅合适的粒度受多种因素影响，如二氧化硅的种类、电炉、容量、操作条件、还原剂的种类和粒度等，根据具体冶炼条件确定。一般来说，6300KVA三相电炉(1983在大武硅厂完成)要求二氧化硅粒度为8-100mm，3200KVA三相电炉要求二氧化硅粒度为8-80mm，中间粒度成分比例较大。当粒度过大时，未反应的二氧化硅由于不能适应捣固炉的粘结剂和反应速度，容易进入液态硅中，导致渣量增加，出钢困难，硅的回收率降低，能耗增加，甚至炉底上涨，影响正常生产。如果粒径过小，可以增加还原剂的接触面，有利于还原反应，但反应过程中产生的气体不能顺利排出，会减慢反应速度。颗粒尺寸太小。带入的杂质又会增加，影响产品质量。一般情况下，小于5mm的二氧化硅不应用于生产。
2.2碳质还原剂化学硅冶炼中使用的主要还原剂有石油焦、烟煤和木炭。为了增加炉料的电阻率和化学活性，还配以气煤焦、硅焦、兰炭、半焦、低温焦和木块。在碳质还原剂的化学成分中，应主要考虑固定碳、灰分、挥发分和水。一般要求固定碳高，所需还原剂总量减少，使灰带来的杂质少，渣量相应减少，降低电耗，降低化硅中杂质含量。碳质还原剂具有较高的电阻率和孔隙率。电荷的电阻率主要取决于含碳还原剂。碳质还原剂电阻率高，化学活性好，硅回收率高。
石油焦是生产金属硅所用还原剂中灰分最低的，灰分0.17-0.6%，固定碳90-95%，挥发分不超过3.5%-13%。石油焦灰分低，在化硅冶炼中用作还原剂，有利于提高产品质量。但由于石油焦电阻率低，反应性差，高温下容易石墨化。当用量过大时，炉况难以控制，造成不烧结，火烧严重，电耗高，出钢困难。
木碳比电阻高，反应能力强，杂质含量低，是工业化学熔硅的理想还原剂。但是，不同的木材，不同的方法制成的木炭的性质也有很大的不同。去皮木炭的灰分通常比带皮木炭低二分之一到三分之一，树皮对木炭的灰分影响很大。木炭的主要成分是碳，灰分含量相对较低，一般小于10%。高电阻率和良好的化学活性。多年的生产实践证明，木炭是满足冶炼化学硅需要的重要碳质原料，但木炭来源有限，不能再使用木炭还原剂。
从国外的情况来看，大多数国家已经不使用木炭了。国内许多厂家在寻求和使用木炭替代品方面也做了大量工作。实践证明，就反应能力和比电阻而言，烟煤是除木炭之外的理想还原剂。
烟煤的特点是阻力大，反应能力强，通过洗选得到低灰烟煤。灰分可达3%左右，Fe2O3含量可达0.2-0.3%，Al2O3含量小于1%。我国还原剂烟煤的灰分在3%以上，而国外还原剂烟煤的灰分在1%左右。苏联对烟煤进行化学分选，可以得到氧化铁含量小于0.1%的精煤。烟煤代炭冶炼工艺专利由上海广济硅材料有限公司和鄂尔多斯电力冶炼有限责任公司拥有..木块的作用是增加料层的阻力，木块的多少对炉况有影响。木块量过大，料层疏松，炉况变差，电耗上升。由于燃点和含碳量低，木块实际上被用作还原剂。
炭素原料中的杂质主要是灰分，都是由氧化物组成的。在化工生产中，灰中的氧化物也被还原，既消耗电能又消耗碳，还原后的杂质仍混入硅液中，降低了硅的强度。在生产实践中，炉料中每增加1%的灰分，将消耗100 -120度电。所以要求炭素原料中灰分含量越少越好。
2.3电极电极是生产工业硅的主要消耗材料之一。化学硅冶炼一般采用石墨电极和碳电极。目前，国内主要使用石墨电极。
在硅熔炼炉中，电极是心脏，是导电系统的重要组成部分。电流通过电极输入熔炉产生电弧，用于化学硅冶炼。对电极材料的要求:(1)良好的导电性和低电阻率以减少功率损耗。(2)熔点要高，热膨胀系数要小，不易变形；(3)在高温下具有足够的机械强度，杂质含量低。石墨电极因其灰分低、导电性好、耐热、耐腐蚀而成为化学硅冶炼的最佳选择。
3.化学工业用硅的冶炼工艺
化学硅的工艺流程包括炉料准备、电炉熔炼、硅精炼和浇铸、除渣和破碎。在配料之前，所有的原材料都应进行必要的处理。在颚式破碎机中将二氧化硅破碎至不超过100mm的尺寸，筛出小于5mm的碎片并用水清洗。由于炉内碎片在炉上部熔化，炉料透气性降低，生产过程困难。石油焦具有较高的导电性，应将其粉碎至不大于10mm的粒度，并控制石油焦的粉末量。因为直接在炉口上燃烧，会造成还原剂不足。
在化工硅生产中，烟煤完全可以替代木炭，如湖南株洲精洗烟煤，固定炭达到77.19%，挥发分19.4%，灰分3.41%，Fe2O3含量0.22%，Al2O3含量0.99%，CaO含量0.17%。通过生产实践，用这种烟煤冶炼工业硅是可行的。
用来生产化学硅的木块和木片是用木工刀具和木片加工的。炉料中的碳质还原剂主要是石油焦和烟煤，木块和木屑的量取决于炉况。生产中不使用木材，但产品质量更稳定。收费比例取决于所需的产品水平。石油焦和烟煤的比例根据每批矿石硅所需的碳量确定。石油焦与烟煤的配比对炉料的工作电阻有很大影响。
称取炉料各组分后，混合均匀，捣炉后，将混合均匀的炉料集中加入炉内。保持一定的料位高度，均匀给料。
化学硅生产是连续的。熔炉中的条件不是永恒的。化学硅生产是在电炉中将电能转化为热能，然后用热能直接加热物料，使之发生化学反应的过程。因此，炉内的电气特性非常重要。为了维护高温炉，提高电炉的热效率和利用率，本研究采用了容量为3200KVA和6300KVA的金属硅炉。熔炼是通过一定时间的焖烧，每隔一段时间集中投料进行的。一般情况下，包袱很难自动下沉，一般需要强制下沉。炉况容易波动，难以控制。所以在生产中一定要正确判断，及时处理。每4小时出炉一次，精炼浇铸，破碎捡渣入库。
4.电炉操作化学硅冶炼是在埋弧状态下进行的。为了生产稳定和均匀的金属硅，必须实施最佳的熔炉操作。热量的主要来源是电能。因此，电流在炉内的流动路径以及电流在各路径上的分布对炉内各区域的温度分布以及整个冶炼过程有着重要的影响。应注意保持三相电能的负荷平衡，以提高产量，保证质量，降低电耗。
4.1装料捣打炉要实现硅熔炼炉优质高产的目标，除了良好的电炉参数、优良的原料、合理的配比外，操作方法的好坏是一个非常重要的因素。合理的加料方式对料层的结构、电极在炉内的稳定性以及热能的充分利用起着主导作用。在生产中，装料和捣固结合在一起。根据冶炼过程的不同条件和特点，装料和捣固作业应及时完成。为了保持炉内良好的透气性，需要打孔捣炉。小型捣固炉根据炉况进行，大型捣固炉一般每小时左右进行一次。捣固炉即将穿透，捣固炉捣固的砖块被推向炉心。捣炉时不允许添加新材料。不建议在一个电极区和一个电极区盖章炉。有必要在炉子的中心均匀地冲压，以保持较高的熔化温度。稳定炉子操作的最重要因素是保持材料层中恒定的温度分布。如果炉内温度分布被破坏，炉子的运行将受到严重干扰。炉料的粒度和均匀性、装料和出料、炉料表面的处理都会影响生产中的电极运动。电极移动过大和强捣固炉子会使炉子运行不稳定。
4.2闭弧操作
关弧操作是将电极适当埋入炉料中，利用半熔化的炉料作为电阻，在电极和熔化的炉料之间产生电弧。要想收弧，首先要考虑进给方式。饲喂方法包括一次饲喂法、分次饲喂法和多次饲喂法。除了一次性进给法是开弧操作外，其他方法都可以实现闭弧操作。在工业硅生产中，我们采用分阶段加料的方法，料层结构稳定，电耗低，炉龄长。操作中要处理好几个问题:首先，要选择合适的电参数，使电极能以合适的深度插入材料层；二要想办法控制负担的具体阻力；第三，炉料粒度对硅的冶炼有重要影响，粒度过大或过小都对炉况不利。闭弧操作的优点是:①炉内料层结构能形成完整体系，炉料依次下沉；(2)不暴露弧光，大大减少物料表面的辐射热损失，保持较高的炉温，提高热效率，从而增加产量，提高产品质量，降低电耗。(3)电极消耗平衡稳定，避免漏断事故。(4)物料表面温度相对较低，使物料表面的设备受到的热腐蚀较少，延长了设备的使用寿命，提高了电炉设备的利用率。⑤粉尘少可以为炉面操作提供更好的操作环境。无论炉子大小，只要采取适当的措施，都可以关闭电弧，获得理想的生产效果。
4.3配电技术电弧炉是利用电弧产生的热量进行加热的装置。在化学硅冶炼过程中，物理化学变化与电气系统密切相关。配电运行质量对冶炼效率有非常重要的影响。电弧主要存在于电端，电弧的冲击力推动空腔，使材料的腿部展开，形成灯泡状。在冶炼过程中，电炉电参数的控制是通过配电来完成的。一般来说，就是控制电极的埋深。浅埋电极一般说明还原剂过剩，电极附近形成火孔，电弧声大，出硅温度低，量少，耗电高。埋入式电极，如果炉料中还原剂太少，电极将处于较低的位置。因为炉料的电阻随着炉料中碳的减少而增加，所以电流负载减少，电极消耗增加，生产率降低。在生产中，电极的埋深根据现场操作来确定。调节电极埋深就是改变炉料的电阻值，这是调节炉况的最好手段。电炉二次电压超过一定值，电极会损坏，硅的挥发损失增加，炉上部过热，热损失增加。二次电流受电极允许电流密度的限制，不能随意增加。
电流与电压之比是熔炉操作中的一个重要因素。电流电压比太小，电极下不去，开弧生产操作困难。电流电压比太大，电极插入炉料太深，生产不够理想。在生产中，只有找到合适的电流电压比，工作电流稳定，物料平衡，电极升降，才能达到最佳的生产效果。调节工作电压是调节炉子生产率的重要手段。炉子的工作电压取决于两个方面:一方面，短网结构要求电气效率高，功率因数合适。另一方面是炉况，包括炉型结构和生产操作。工作电阻的阻值在冶炼中至关重要，且容易变化，应尽量使其稳定并接近最佳值。一般来说，为了保证正常的材料表面温度，要提高电压。正常材料表面温度在600℃左右，使用符合规格的原料，电荷粒径大，电阻小，支路电流大，电极不易击穿。