“金屬硅”，又稱結(jié)晶硅或工業(yè)硅，是上世紀(jì)六十年代中期出現(xiàn)的一個(gè)商品名稱。它的出現(xiàn)與半導(dǎo)體行業(yè)的興起有關(guān)。國(guó)際通用作法是把商品硅分成金屬硅和半導(dǎo)體硅。金屬硅是由石英和焦炭在電熱爐內(nèi)冶煉成的產(chǎn)品，主成分硅元素的含量在98%左右（含硅量99.99%的也包含在金屬硅內(nèi)），其余雜質(zhì)為鐵、鋁、鈣等。因其用途不同而劃分為多種規(guī)格，其主要用途是作為非鐵基合金的添加劑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1985年全世界共消耗金屬硅約50萬(wàn)噸，其中用于鋁合金的金屬硅約占60%，用于有機(jī)硅的不足30%，用于半導(dǎo)體的約占3%，其余用于鋼鐵冶煉及精密陶瓷等。

金屬硅的性質(zhì)

硅是半金屬之一,舊稱“矽”。熔點(diǎn)為1420℃，密度為2.34克每立方厘米。質(zhì)硬而脆。在常溫下不溶于酸，易溶于堿。金屬硅的性質(zhì)與鍺、鉛、錫相近，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。硅在地殼中資源極為豐富，僅次于氧，占地殼總重的四分之一還多，以二氧化硅或硅酸鹽形式存在。最純的硅礦物是石英或硅石。硅有兩種同素異形體：一種為暗棕色無(wú)定形粉末，性質(zhì)活潑，在空氣中能燃燒；另一種為性質(zhì)穩(wěn)定的晶體（晶態(tài)硅）。一般硅石和石英用于玻璃和其它建材，優(yōu)質(zhì)的石英用于制作合金、金屬和單晶。

金屬硅的分類

金屬硅的分類通常按金屬硅成分所含的鐵、鋁、鈣三種主要雜質(zhì)的含量來(lái)分類。按照金屬硅中鐵、鋁、鈣的含量，可把金屬硅分為553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌號(hào)。
工業(yè)上，金屬硅通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得。這樣制得的硅純度為97~98%，叫做金屬硅。再將它融化后重結(jié)晶，用酸除去雜質(zhì)，得到純度為99.7~99.8%的金屬硅。金屬硅成分主要是硅，因此和硅具有相類似的性質(zhì)。

金屬硅的用途

硅大量用于冶煉成硅鐵合金作鋼鐵工業(yè)中合金元素，在很多種金屬冶煉中作還原劑。硅還是鋁合金中的良好組元，絕大多數(shù)鑄造鋁合金都含有硅。硅是電子工業(yè)超純硅的原料，超純半導(dǎo)體單晶硅做的電子器件具有體積小、重量輕、可靠性好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。摻有特定微量雜質(zhì)的硅單晶制成的大功率晶體管、整流器及太陽(yáng)能電池，比用鍺單晶制成的好。此外，碳化硅可作磨料，高純氧化硅制作的石英管是高純金屬冶煉及照明燈具的重要材料。微孔硅鈣保溫材料微孔硅鈣保溫材料是一種優(yōu)良的保溫材料。它具有熱容量小、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、不燃燒、無(wú)毒無(wú)味、可切割、運(yùn)輸方便等特點(diǎn)，可廣泛用于冶金、電力、化工、船舶等各種熱力設(shè)備及管道上。特種硅鈣材料可用作催化劑載體，在石油煉制、汽車尾氣凈化等多方面廣泛應(yīng)用。

金屬硅的冶煉工藝

金屬硅冶煉屬于高耗能生產(chǎn)，我國(guó)的金屬硅生產(chǎn)已由來(lái)已久，隨著國(guó)家能源政策的收緊和節(jié)能減排的開(kāi)展，以及對(duì)新能源的提倡，金屬硅冶煉已經(jīng)成為初級(jí)的產(chǎn)品和工藝，很多國(guó)內(nèi)新興的能源企業(yè)建設(shè)了金屬硅，多晶硅，單晶硅，太陽(yáng)能電池等一系列的循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈條，未來(lái)幾年勢(shì)必會(huì)影響我國(guó)整個(gè)能源領(lǐng)域的發(fā)展和新能源的應(yīng)用。

下面是金屬硅的冶煉工藝及流程：
1、 生產(chǎn)化學(xué)工業(yè)用硅的必要性
我國(guó)生產(chǎn)的金屬硅（硅含量主要是98.5%），原來(lái)主要是冶金用硅，化學(xué)用金屬硅（硅含量主要是99.85%）的生產(chǎn)主要是從90年代中期以來(lái)有所發(fā)展，我國(guó)化學(xué)用硅的產(chǎn)量和出口量增長(zhǎng)較快?；瘜W(xué)用硅是指用于有機(jī)硅和多晶硅生產(chǎn)的金屬硅。從世界范圍來(lái)看，冶金用硅的消費(fèi)量多于化學(xué)用硅的消費(fèi)量，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)用硅用于有機(jī)硅和半導(dǎo)體生產(chǎn)等領(lǐng)域不斷拓寬，廣泛用于生產(chǎn)有機(jī)硅單體和聚合物硅油，硅橡膠、硅樹(shù)脂建筑物防腐、防水劑等，它們具有耐高溫、電絕緣、耐輻射、防水等獨(dú)特性能。用于電氣、航空、機(jī)械、化工、醫(yī)藥、國(guó)防、建筑等部門(mén)。作為集成電路核心的電子元器件，95%以上是用半導(dǎo)體硅制成的，半導(dǎo)體是當(dāng)代信息工業(yè)的支柱。“信息高速公路”中大量應(yīng)用的光纖電纜中的光纖，也是以金屬硅為原料生產(chǎn)的?；瘜W(xué)用硅作為高新技術(shù)領(lǐng)域和重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其消費(fèi)量是趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)的。
2、化學(xué)用硅生產(chǎn)原料在化學(xué)用硅生產(chǎn)上，原料是實(shí)現(xiàn)良好作業(yè)的先決條件。用石英的巖石作生產(chǎn)化學(xué)金屬硅的原料，低灰分的含碳材料作還原劑。電爐法生產(chǎn)化學(xué)用硅的原料主要有硅石和碳素原料。對(duì)原料要求具有必要的純度，有良好的反應(yīng)能力，以便達(dá)到產(chǎn)品的規(guī)格；還原劑具有不同的反應(yīng)能力，以便能與石英石發(fā)生充分反應(yīng)；爐料具有不同的成分，并且既有不同的粒度，以便通過(guò)適當(dāng)?shù)呐浜?，使?fàn)t料電爐發(fā)生良好的影響。
2.1、氧化硅礦物冶煉金屬硅的過(guò)程是無(wú)渣過(guò)程，化學(xué)硅冶煉對(duì)硅石的選用較嚴(yán)格，不僅雜質(zhì)含量要少，還要求有高的機(jī)械強(qiáng)度、足夠的熱穩(wěn)定性，適宜的粒度組成?；瘜W(xué)用硅熔煉最好采用硅石。對(duì)化學(xué)用硅冶煉所用的含氧化硅礦物的化學(xué)組成要求嚴(yán)格，所用硅石在熔煉前必須進(jìn)行水洗，表面清潔。入爐的硅石要求有一定的粒度。硅石的粒度是冶煉的一個(gè)重要工藝因素。硅石適宜粒度受硅石種類、電爐、容量、操作狀況以及還原劑的種類和粒度等多種因素影響，要根據(jù)具體的冶煉條件來(lái)決定。
2.2碳質(zhì)還原劑化學(xué)硅冶煉所用的主要還原劑有石油焦、煙煤、木炭。為增大爐料的電阻率，增加化學(xué)活性，也有搭配氣煤焦，硅石焦、藍(lán)炭、半焦、低溫焦、木塊的。在碳質(zhì)還原劑化學(xué)成分中，主要應(yīng)考慮固定碳、灰分、揮發(fā)分和水分。
2.3電極電極是化學(xué)用硅生產(chǎn)中主要的消耗材料之一?；瘜W(xué)用硅冶煉用電極，一般采用石墨電極和碳素電極，國(guó)內(nèi)主要采用石墨電極。在硅冶煉爐中，電極就是心臟，是導(dǎo)電系統(tǒng)的重要組成部分。電流是通過(guò)電極輸入爐內(nèi)產(chǎn)生電弧，用于化學(xué)硅冶煉。石墨電極的灰分含量低，導(dǎo)電性、耐熱性和耐腐蝕性能都比較好，是化學(xué)用硅冶煉的最佳選擇。
3、化學(xué)工業(yè)用硅的冶煉工藝
化學(xué)用硅的工藝流程包括爐料準(zhǔn)備，電爐熔煉，硅的精制和澆鑄，除去熔渣夾雜而進(jìn)行的破碎。在爐料配制之前，所有原料都要進(jìn)行必要的處理。生產(chǎn)化學(xué)用硅用的木塊和木片是用截材機(jī)和木片削片機(jī)加工的。爐料中碳質(zhì)還原劑主要以石油焦和煙煤為主，木塊和木片的用量要視爐況來(lái)決定。生產(chǎn)中不用木質(zhì)，反而產(chǎn)品質(zhì)量還更穩(wěn)定。爐料的配比根據(jù)要求所生產(chǎn)的產(chǎn)品級(jí)別來(lái)定。化學(xué)硅生產(chǎn)是連續(xù)不斷進(jìn)行的。爐內(nèi)的狀況也不是永恒不變的?；瘜W(xué)硅生產(chǎn)在電爐內(nèi)是以電能轉(zhuǎn)換成熱能，然后再用熱能直接加熱物料而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。
4、電爐操作化學(xué)硅熔煉是在埋弧狀態(tài)下進(jìn)行的。為生產(chǎn)出恒定均質(zhì)的金屬硅，在熔煉過(guò)程中，需要實(shí)行最佳的爐子操作。熱量主要來(lái)源電能。
4.1加料和搗爐要想使硅的熔煉爐達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的，除了要求良好的電爐參數(shù)，精良的原料，合理的配比之外，操作方法的好壞是十分重要的因素。合理的加料方法對(duì)料層結(jié)構(gòu)，電極在爐內(nèi)的穩(wěn)定性和熱能的充分利用，起著主導(dǎo)的作用。
4.2閉弧操作
閉弧操作是將電極適當(dāng)?shù)芈袢霠t料中，以半熔融爐料為阻抗體，在電極和熔融爐料之間產(chǎn)生電弧。要想做到閉弧操作，首先就要考慮投料方法。投料方法有一次投料法、分次投料法、多次投料法。除一次投料法是明弧操作外，其他方法都可以做到閉弧操作?；瘜W(xué)硅生產(chǎn)中，我們采用分次投料法，料層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電耗低，爐齡長(zhǎng)。爐子無(wú)論大小，只要采取適當(dāng)措施，都可以做到閉弧操作，獲得理想的生產(chǎn)效果。
4.3配電技術(shù)電弧爐是用電弧發(fā)生的熱來(lái)進(jìn)行加熱的裝置。在化學(xué)硅冶煉過(guò)程中，物理化學(xué)變化與電氣制度有著緊密的聯(lián)系。配電操作的好壞，對(duì)冶煉效率有十分重要的影響。電弧主要存在電末端，空腔受電弧沖擊推力的作用，把物料腿開(kāi)，形成燈泡形。熔煉過(guò)程中，電爐電氣參數(shù)的控制是由配電工作完成的。一般情況下就是控制電極的埋入深度。電流電壓的比值，是爐前操作的重要因素。生產(chǎn)中，只有找到適當(dāng)?shù)碾娏麟妷罕葧r(shí)，工作電流穩(wěn)定，物料均衡和電極即使升降，才能取得最好的生產(chǎn)成果。調(diào)整工作電壓是調(diào)整爐子的生產(chǎn)率的重要手段。

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