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金屬硅(工業硅)是怎樣煉成的?
來源:  時間:2021-10-9 14:40:41

金屬硅又稱工業硅或結晶硅,通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得。其主要用途是作為非鐵基合金的添加劑和生產半導體硅、有機硅的起始原料。

在我國,金屬硅通常按其所含的鐵、鋁、鈣三種主要雜質的含量來分類。按照金屬硅中鐵、鋁、鈣的百分比含量,金屬硅可分為553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌號。(關于金屬硅編號來源:一和二的代號為鐵和鋁的百分比含量,第三和第四兩位代表鈣的含量。例如553代表其中的鐵鋁鈣的含量為5%、5%、3%;3303代表其中鐵鋁鈣的含量為3%、3%、0.3%)


既然金屬硅可以影響到我們生活的方方面面,那么問題來了,金屬硅是從哪兒來的呢?我們日常所看到的沙子就是金屬硅的前身嗎?

首先我們來看看金屬硅的生產過程

金屬硅生產采用碳熱法,即用硅石、碳質還原劑在礦熱爐內進行冶煉的方法。這樣制得的硅純度為97%~98%,這樣的硅一般可以用在冶金用途。如果要得到更高品級的硅,則需再將其精煉除去雜質,得到純度為99.7%~99.8%的金屬硅。

以石英砂為原料冶煉金屬硅,包括石英砂制塊、配制爐料和礦熱爐冶煉幾個步驟。

一般來說,高品質的石英砂會直接用于生產高檔的石英玻璃制品,甚至被加工成寶石級別的如水晶,碧璽等制品。等級稍差但儲量較大,開采條件稍好,周圍電力較為便宜的則適合生產金屬硅。

目前,中國生產金屬硅的碳熱法的生產工藝路線:普遍采用的是以硅石為原料,石油焦、木炭、木片、低灰煤等為還原劑,在礦熱電爐中高溫熔煉,從硅石中還原出金屬硅,其為無渣埋弧高溫熔煉過程。

化學反應原理

Chemistry reaction mechanism

大家一般認為,冶煉金屬硅是這樣的一個反應:

SiO2 + C -> Si + CO2 ?

但是實際上涉及的反應和副反應至少10個:

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)

(關于金屬硅冶煉過程中發生的反應還有多種不同的解釋,在此不再敘述,有興趣的可以和我們溝通探討,歡迎給本訂閱號留言)以下為西方比較流行的兩種:

因此,雖然金屬硅是從硅石中提煉出來的,但是并不是所有的硅石都適合制作金屬硅。我們日常所見的普通用砂并不是金屬硅的真正原料,而是上述所說的工業生產所用到的石英砂,并且經歷了多步反應才完成從沙子到金屬硅的蛻變。

給大家漲知識啦,金屬硅生產常用名詞中英文對照如下所示:

原料及反應中間產物 raw materials

石英(硅石)Quartz

黑色材料Black materials

木屑 Wood chips

電極 Electrodes

添加劑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

爐渣 Slag

原料混合物 MIX of Raw Materials

金屬間合金 Intermetallic alloys

產品等級 Product grade

冶金級Metallurgy

化學級Chemistry

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