工业硅的冶炼工艺声波识别
---昌宁立得硅业有限责任公司艾发斌
一、工业硅冶炼的原料
冶炼工业硅的原料主要有硅石、碳质还原剂。由于对工业硅中铝、钙、铁含量限制严格，对原料的要求也特别严格。 硅石中SiO2>99.0%，Al2O3<0.3%，Fe2O3<0.15%，CaO<0.2%，MgO<0.15%；粒度为15～80mm。
选择碳质还原剂的原则是：固定碳高，灰分低，化学活性好。通常是采用低灰分的石油焦或沥青焦作还原剂。但是，由于这两种焦炭电阻率小，反应能力差，因而必须配用灰分低，电阻率大和反应能力强的木炭（或木块）代替部分石油焦。为使炉料烧结，还应配入部分低灰分烟煤。必须指出，过多或全部用木炭，不但会提高产品成本，而且还会使炉况紊乱，如因料面烧结差而引起刺火塌料、难以形成高温反应区、炉底易开成SiC层、出铁困难等。 对几种碳质还原剂的要求如表1-1所示。
表1-1 碳质还原剂成分粒度要求
名称挥发分/%灰分/%固定碳/%粒度/mm
木炭25～30 〈2 65～75 3～100 木块〈3 〈150 石油焦12～16 〈0.5 82～86 0～13
烟煤〈30 <8 0～13 此外，碳质还原剂含水量要低且稳定，不能含其他杂物。
二、工业硅冶炼基本原理
SiO+2C=Si+2CO
这是硅冶炼主反应的表达式，也是一般计算和控制正常熔炼依据的基础。但就碳还原氧化硅的整个反应过程来说，却有着复杂的反应机构。 A·Γ·沃多普亚诺夫(Bодопьянов)等指出，碳还原氧化硅是通过气相实现的。二氧化硅在变为气上时，分解出一氧化碳和分子氧，在惰性气氛中在非接触相互作用条件下，氧化硅和碳之间产生如下反应：
氧化硅的表面分解：
2SiO2=2SiO+O2
碳的表层与氧化硅分解产物相互作用：
SiO+2C=SiC+CO结晶器铜管
O2+2C=2CO
иoсo库勒科夫 (Kyлков)认为游离碳的存在能保证由SiO2把硅还原成碳化硅，但在温度低于1400℃时反应速度不大。如果系统温度不超过1620±30℃，在碳量不过剩时，全部碳都可以转变为碳化硅。
ыoсo赫鲁谢夫(Xpущев)还指出，在碳与氧化硅的反应过程中，存在着如下明显的次序性：一氧化氮合成酶
其中，是按SiO2=SiO+反应形成的氧。这些过程中，SiO2的分解、SiC的形成和破坏是两个重要的中间过程，还原剂对氧对SiO 的反应能力愈强，愈能加速下列反应：
O+C=CO
SiO+2C=SiC+CO
因而愈能促进SiO2的分解。
气泡包装膜
A．C．米库林斯基(Микулинский)提出了在熔炼硅的实际过程中电炉内不同区域的反应(见表1-2)。
表1-2 炉内不同区域发生的反应
区域 反应
上部
↑CO ↑SiO ↓C ↓SiO 2
SiO+2C=SiC+CO 中部
↑CO ↑SiO ↓SiO 2↓SiC SiO+SiC=2Si+CO
SiO 2+CO=SiO+CO CO+C=2CO SiO 2+C=2SiC 下部
↑CO ↑SiO ↓SiO 2↓SiC
2SiO 2=2SiO+O 2 SiC+O 2=SiO+CO
Go 拉思(Rath)等人认为，在硅的熔炼过程中形成中间产物SiO 和SiC 具有重要意义，并根据温度和反应过程的不同，把电炉内整个反应过程划分为如下几个区域：
(1)低温反应区(1100℃以下)。高温反应区的气体从料面逸出时，气体中残留的SiO 与空气中的氧接触，发生如下反应：
在1100℃以下SiO 不稳定，还可能发生如下过程： 2SiO=SiO 2+Si (3-2)
但在还原剂活性表面上，优生发生下列反应：
SiO+2C=SiC+CO (3-3)玻璃房
(2)生成SiC的区域(1100～1800℃)。反应3-3从1100℃开始已能较强烈地进行，到1537℃以后，能自发进行以下反应：SiO2+3C=SiC+2CO (3-4)
(3)生成熔体硅的区域(1400℃以上)。在1410℃左右纯硅熔化(如能生成熔点更低的Fe-Si合金)，超过纯硅熔点后，SiO与碳的反应强烈，生成硅：
SiO+C=Si+CO (3-5)
从1650℃起，下列反应向右进行：
SiO2+2C=Si+2CO (3-6)
(4)分解区域(1800℃以上)。在1827℃以上下列反应向右进行
SiO2+2SiC=3Si+2CO (3-7)
在更高的温度下，由于SiC与SiO起反应而分解，生成硅和一氧化碳。
纱窗角码(5) SiO蒸发区(2000℃以上)。从1750℃起，下列反应向右进行：
SiO2+C=SiO+CO (3-8)
此外，在较高温度下，反应3-2从右向左进行，生成SiO。当电极下面的反应区超过SiO的蒸发点(2160℃)之后，生成SiO的反应进一步加强，此时SiO以气态随同CO一起逸出，当上升的气体穿过过沪缸上部的料层时，SiO首先以气态、以后以微小的冷凝物形态参加上述的有关反应。
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