工业硅是怎样生产的？

工业硅是怎样生产的？

工业硅的生产方法有多种，据记载，人类最初制得单质硅是在1822年，是瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅获得的。但目前国内的大规模生产多采用碳还原法，该法的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂，石英砂是作为原料，而碳质材料是还原剂。其反应方程式为： 

工业硅生产的主要目的是将原料石英砂（SiO2）中的氧去掉，使之成为单质硅。因为碳对氧的亲和力是随温度升高而增大的，当温度超过1400℃时，碳对氧的亲和力就会大于硅，此时石英砂中的氧就会不断被炽热的碳夺走，而失脱氧的石英砂就会渐渐变成单质硅，也就是工业硅。 

其具体方法是：把碳电极插入由碳质还原剂和石英砂组成的炉料中，在1600～1800℃还原出硅（图1）。此法生产的工业硅纯度为98％～99％，其主要杂质有铁、铝、碳、硼、磷等，其中以铁含量最多，因此，人们通常把工业硅称为硅铁。此法的优点是简单、经济，生产能力大，适合工业化生产。 

图1　工业硅的生产 

在工业硅生产中，可用于还原剂的碳质材料有多种，木炭、焦炭、石油焦、烟煤和谷壳等都是很好的还原剂。 

木炭作为还原剂，它孔隙率大，电阻率大，还原能力强，灰分低，具有一定的块度。通过对木炭在生产工业硅过程中所起作用的机理分析可知，木炭除了作为还原剂外，同时因其具有一定的块度使炉料具有良好的透气性，保证了反应的顺利进行。因此，木炭是冶炼工业硅的最佳碳质还原剂。 

随着木炭资源的日益枯竭和国家保护森林资源力度的不断加大，如何寻求木炭的替代品，已成为硅工业企业生存和发展的当务之急。因此，在寻求木炭的替代品时，替代品必须具备木炭所具有的理化性质，烟煤电阻率大，还原能力接近于木炭，同时随着烟煤富选技术水平的提高，富选烟煤较大量用于工业硅生产已成为可能。但富选烟煤的粒度小，在选择烟煤替代木炭作为碳质还原剂时，还必须选择疏松剂来解决炉料疏松问题。 

有人选择资源丰富、来源广、粒度均匀、价廉的谷壳作为疏松剂，用石油焦、烟煤和谷壳的混合物作为木炭的替代品。结果生产的工业硅不仅质量符合标准要求，达GB 2881—91一级品标准，而且同以木炭作为还原剂相比，台时产量提高7.20％，降低电耗6.10％，生产成本降低5.63％，而化学级硅提高13.61％。 

工业硅的生产中所采用的石英砂原料多是用含硅较高的石英石粉碎而得（图2）。 

图2　石英石和工业硅 

（白色为石英石，黑色为工业硅） 

生产工业硅，除了碳还原法外，还有镁、铝等碱金属还原法。该法是以镁或铝作为还原剂，以石英砂为原料来生产工业硅。如果原料和还原剂的纯度都高，就能制得3～4个“9”的工业硅。 

除此以外，以钠、钾等碱金属及氢化钙来还原卤化硅及氟硅酸盐，如果原料和还原剂的纯度都高，也能制得较纯的工业硅。