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金属硅(工业硅)是怎样炼成的

更新时间:2021-11-08

金属硅又称工业硅或结晶硅,通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。金属硅是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品,主成分硅元素的含量在98%左右(近年来,含Si量99.99%的也包含在金属硅内),其余杂质为铁、铝、钙等。其主要用途是作为非铁基合金的添加剂和生产半导体硅、有机硅的起始原料。


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在我国,金属硅通常按其所含的铁、铝、钙三种主要杂质的含量来分类。按照金属硅中铁、铝、钙的百分比含量,金属硅可分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌号。(关于金属硅编号来源:第1和第2的代号为铁和铝的百分比含量,第3和第4两位代表钙的含量。例如553代表其中的铁铝钙的含量为5%、5%、3%;3303代表其中铁铝钙的含量为3%、3%、0.3%)


金属硅生产采用碳热法,即用硅石、碳质还原剂在矿热炉内进行冶炼的方法。这样制得的硅纯度为97%~98%,这样的硅一般可以用在冶金用途。如果要得到更高品级的硅,则需再将其精炼除去杂质,得到纯度为99.7%~99.8%的金属硅。


以石英砂为原料冶炼金属硅,包括石英砂制块、配制炉料和矿热炉冶炼几个步骤。


一般来说,优l质的石英砂会直接用于生产高l档的石英玻璃制品,甚至被加工成宝石级别的如水晶,碧玺等制品。等级稍差但储量较大,开采条件稍好,周围电力较为便宜的则适合生产金属硅。


目前,中国生产金属硅的碳热法的生产工艺路线:普遍采用的是以硅石为原料,石油焦、木炭、木片、低灰煤等为还原剂,在矿热电炉中高温熔炼,从硅石中还原出金属硅,其为无渣埋弧高温熔炼过程。



化学反应原理

Chemistry reaction mechanism


大家一般认为,冶炼金属硅是这样的一个反应:

SiO2 + C -> Si + CO2 ?


但是实际上涉及的反应和副反应至少10个:

SiO2 + 3 C -> SiC + 2 CO ........(1)

2SiO2 + SiC -> 3 SiO + CO ........(2)

SiO2 + 2 SiC -> 3 Si + 2 CO ........(3)

2SiO + O2 -> 2SiO2 ........(9)



因此,虽然金属硅是从硅石中提炼出来的,但是并不是所有的硅石都适合制作金属硅。我们日常所见的普通用砂并不是金属硅的真正原料,而是上述所说的工业生产所用到的石英砂,并且经历了多步反应才完成从沙子到金属硅的蜕变。

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