中频熔炼金属硅,工业硅介绍
发布时间:2019/5/23 9:12:35 浏览量:
中频熔炼炉金属硅简介
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。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。
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:第一和第二的代号为铁和铝的百分比含量,第三和第四两位代表钙的含量。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%)既然金属硅可以影响到我们生活的方方面面,那么问题来了,金属硅是从哪儿来的呢?我们日常所看到的沙子就是金属硅的前身吗?在生产实践中,炉料中每增加1%的灰分,就多耗电能100度-120度,因此,要求碳素原料中的灰分含量愈少愈好。
2.3电极电极是化学用硅生产中主要的消耗材料之一。化学用硅冶炼用电极,一般采用石墨电极和碳素电极,目前国内主要采用石墨电极。
在硅冶炼炉中,电极就是心脏,是导电系统的重要组成部分。电流是通过电极输入炉内产生电弧,用于化学硅冶炼。对电极材料的要求:(1)导电性好、电阻率小,以减少电能损失。(2)熔点要高,热膨胀系数要小,不易变形;(3)高温时有足够的机械强度,杂质含量低。石墨电极的灰分含量低,导电性、耐热性和耐腐蚀性能都比较好,是化学用硅冶炼的最佳选择。
3、化学工业用硅的冶炼工艺
化学用硅的工艺流程包括炉料准备,电炉熔炼,硅的精制和浇铸,除去熔渣夹杂而进行的破碎。在炉料配制之前,所有原料都要进行必要的处理。硅石在颚式破碎机中破碎到块度不大于100mm,筛出小于5mm的碎块,并用水冲洗洁净。因为熔炉中碎块在炉膛上部熔融,从而降低了炉料的透气性,使生产过程难以进行。石油焦有较高的导电系数,要破碎到块度不大于10mm,又要控制石油焦的粉末量。因其在炉膛口上直接燃烧,会造成还原剂不足。化学用硅生产中,烟煤完全可以取代木炭,如湖南株洲精洗烟煤,固定炭达77.19%,挥发分为19.4%,灰分含量3.41%,Fe2O3含量0.22%,Al2O3含量0.99%,CaO含量0.17%。经生产实践,采用此种烟煤冶炼化学用硅是可行的。生产化学用硅用的木块和木片是用截材机和木片削片机加工的。炉料中碳质还原剂主要以石油焦和烟煤为主,木块和木片的用量要视炉况来决定。生产中不用木质,反而产品质量还更稳定。炉料的配比根据要求所生产的产品级别来定。石油焦和烟煤的配比按每批矿硅需要的碳量来确定。石油焦和烟煤的比例对炉料的工作电阻影响较大。炉料各组分经称量后,将炉料混合均匀,待捣炉后,将混合均匀的炉料集中加入炉内。保持一定的料面高度,加料均匀。
化学硅生产是连续不断进行的。炉内的状况也不是永恒不变的。化学硅生产在电炉内是以电能转换成热能,然后再用热能直接加热物料而产生化学反应的过程。所以炉内的电气特性是非常重要的,熔炼实行闭弧操作,保持高温炉,提高热效率,提高电炉利用率,在研究中使用容量为3200KVA和6300KVA金属硅炉各一台。熔炼采用一定时间的焖烧和定期集中加料的操作方法进行。正常情况下炉料难以自动下沉,一般需强制沉料。炉况容易波动,较难控制。因此,在生产中必须正确判断,及时处理。每4小时出一次炉,进行精练浇铸,破碎挑渣整理入库。
4、电炉操作化学硅熔炼是在埋弧状态下进行的。为生产出恒定均质的金属硅,需要实行最佳的炉子操作,在熔炼过程中。热量主要来源电能。所以在炉膛内电流的流径路线及各路线的电流量的分布对炉膛内各区的温度分布和整个熔炼过程的进行有重要的影响,要注意保持三相电能的负荷平衡,这样才能提高产量,保证质量,降低电耗。
4.1加料和捣炉要想使硅的熔炼炉达到优质高产的目的,除了要求良好的电炉参数,精良的原料,合理的配比之外,操作方法的好坏是十分重要的因素。合理的加料方法对料层结构,电极在炉内的稳定性和热能的充分利用,起着主导的作用。生产中,加料和捣炉是结合进行的。要根据熔炼过程的不同情况和特点,适时地完成加料、捣炉作业。为了保持炉内有良好的透气性,需要进行扎眼和捣炉。小捣炉根据炉况而进行,大捣炉一般每一个小时左右进行一次,捣炉要快要透,捣炉捣出的块料推向炉心,捣炉过程中不能边捣炉边加新料。一个电极区一个电极区进行捣炉的操作是不可取的,必须集中统一捣炉、统一加料,这样才能保持较高的熔炼温度。稳定炉子操作最重要的因素是保持料层中恒定的温度分布。如果炉膛温度分布受到[破坏,炉子操作会受严重干扰。生产中炉料的粒度和均匀程度,加料和出炉以及炉膛料面的处理都会影响电极运动。电极移动过大、过强的捣炉都会使炉子操作不稳定。
首先我们来看看金属硅的生产过程
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,优质的石英砂会直接用于生产高档的石英玻璃制品,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:
Si02 + 3 C -> SiC + 2 CO ........(1)
2SiO2 + SiC -> 3 SiO + CO ........(2)
SiO2 + 2 SiC -> 3 Si + 2 CO ........(3)
2SiO + O2 -> 2SiO2 ........(9)
(关于金属硅冶炼过程中发生的反应还有多种不同的解释,在此不再叙述,有兴趣的可以和我们沟通探讨,欢迎咨询西安蓝辉科技股份有限公司技术部)以下为西方比较流行的两种:
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。
最后,给大家涨知识啦,金属硅生产常用名词中英文对照如下所示:
原料及反应中间产物 raw materials
石英(硅石)Quartz
黑色材料Black materials
木屑 Wood chips
电极 Electrodes
添加剂Additives
碳化硅 Silicon carbide
一氧化硅 Silicon monooxide
二氧化碳 Carbon dioxide
一氧化碳 Carbon monooxide
炭 Carbon
硅微粉 Silica fume (microsilica)
低灰分煤 Low ash coal (LAC)
石油焦 Petroleum coke (pet coke)
半焦 Semi-coke
木炭 Charcoal
炉渣 Slag
原料混合物 MIX of Raw Materials
金属间合金 Intermetallic alloys
产品等级 Product grade
冶金级Metallurgy