刘斌
包头铝业有限公司 内蒙古自治区包头市 014046
摘要：本文围绕工业硅冶炼的相关问题进行了探讨，论述了冶炼工业硅的原料要求和主要设备，提出了工业硅产品质量提升的策略，供相关人士参考。
关键词：工业硅、质量提升、策略
1引言
工业硅是一种重要的工业原料，主要应用于光伏、合金以及有机硅等行业中，它是制造多晶硅材料的主要原料，还可用于硅酮、硅烷和硅油等有机硅产品的生产。在合金行业中，它主要是以添加剂的形式来提高机体金属的性能。随着我国经济的快速发展，近年来市场对工业硅的需求量不断增加，而另一方面整个市场的产能也在逐年攀升，为保持企业优良的竞争力，优化和提升工业硅产品的质量是一条十分有效的路径。本文结合自身经验，谈一下对工业硅产品质量的一些看法和思路，给读者一些参考。
2冶炼工业硅的原料及设备
（一）硅石
工业硅冶炼对硅石的整体要求是杂质含量少，吸水率低，机械强度大以及足够的热稳定性。化学成分需满足：SiO2≥99.55% ， Al2O3≤0.20%，Fe2O3≤0.10%，CaO ≤0.15%。硅石的稳定性要足够好，否则生产过程中料面上部受热会很快破裂，造成炉料粘结，使料层透气性降低，引发刺火现象以及SiO2粉尘的增加，使生产能耗增加且导致产量下降。硅石的吸水率要低，否则原料里含有的大量水分在蒸发过程中会耗费能量，增加用电成本。较大的机械强度可以使硅石在搬运、碰撞的过程中不易碎裂，维持一定大小的粒度，使炉子正常运行。硅石的粒度要适中，不能太大，否则会影响料层与还原剂的接触面积，影响到反应速度，同时粒度也不能过小，否则会不易清洗使杂质增多，同时太小粒度的硅石耐火性能降低，料面粘度增大，会影响到透气性，也会影响到反应速度，使产量下降。因此，硅石粒度在2～8mm之间为宜，且在此粒径范围内的含量应高于95%。此外，硅石原料中还要注意避免含有对生产有害的物质，比如三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁含量过高会使炉料烧结，影响炉况运行，同时影响到产品的最终质量；含铝量过高的工业硅对多晶硅的生产十分不利；含三氧化二磷和氧化钛较高的工业硅对下游产品生产的催化剂有害等等。
（二）还原剂
工业硅冶炼的还原剂以碳质还原剂为主。碳质还原剂的固定碳含量要较高，有效降低还原剂的使用量和由还原剂所带入到炉内的杂质含量。碳质还原剂的灰分要低，否则会使电炉渣量增加，影响炉况运行且增加能耗。碳质还原剂中的碳元素除了以固定碳的形式存在之外，还有一部分是以碳氢化合物的形式存在，这部分挥发份不做过分限制，以适中为宜。碳质还原剂的水分含量波动会极大的影响到炉况的运行，因此要尽量保证碳质还原剂的水分含量小于6%且含量稳定。在冶炼过程汇总，碳质还原剂的电阻会极大地影响电极插入的深度，电阻率越大，电极插入越深，可以扩大坩埚区，进而减少热量损失，提高生产能力，因此在选择时尽量选用电阻率大的碳质还原剂。此外，碳质还原剂的粒度组成要适中，粒度过大时反应接触面积小影响反应效率；粒度过小时，碳吹损及烧损严重容易造成缺碳状态，使料面烧结，透气性变差，同样对生产不利。目前，应用普遍的碳质还原剂是木炭，实际生产中，考虑到木炭的价格、固定碳含量和机械强度等因素，通常将其与高纯度的石油焦或低灰分煤配合来进行冶炼生产。而低灰分煤和半焦等碳质还原剂由于机械强度较差，通常不单独使用，可以配合玉米芯或甘蔗渣等物料来提高炉料的整体透气性。
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（三）电极
工业硅冶炼用电极材料不仅要具备较好的导电性，减少电能损耗，同时还要具备较高的熔点，在使用过程中不易变形，此外，还要有一定的机械强度且含量较低的杂质。目前工业生产中的电极主要有两类，一类是石墨电极，另一类是碳素电极。石墨电极的规格一般在600mm以内，因此在小电炉上使用较多。碳素电极是以低灰分的无烟煤、石墨碎粒、冶金焦、石油焦以及沥青焦为原料，添加粘结剂沥青和焦油，在一定温度下搅拌压制最后缓慢焙烧制得的一种电极。该种电极直径较大，炉内弧带宽且弧线稳定，因此可有效提升熔炼的效率，得到越来越普遍的应用。
（四）设备
工业硅电炉是冶炼工业硅的主要设备，随着我国工业硅产业的不断发展壮大，很多大型的工业硅生产链也不断涌现。目前较为先进的工业硅矿热炉大多采用矮烟罩全封闭型，矿热电炉的单台容量基本在25000KVA以上，同时在工艺设备上也越来越着重自动化和智能化。
3工业硅产品质量的提升策略
（一）物料投入
配料过程要注意还原剂的使用比例，保证配比正确，料面松软且通气性好。在炉料配好且均匀混合后分批依此入炉。一般来说，配碳量与硅的回收率呈现碳平衡的关系，即当配碳量过剩时，硅的回收率将降低，生产的碳化硅将积存在炉底；而在碳量不足的时候，氧化硅不能被有效吸收，造成二氧化硅的过剩。生产过程中，碳和硅石的分子比以2:1为宜。在物料入炉后，经过沉料捣炉和推熟料后，要迅速将炉料集中在炉心三角区域和电极的周围，同时使料面有一定高度，料层有一定厚度。如果炉心沉料不好，则很可能是炉心物料太重或中心圆偏大，因此可在炉心加入轻料来改善炉况。如果炉心沉料太快或者炉心刺火，则很可能是中心圆偏小，此时可对炉心加入终了来改善炉况。待新料加完后开始焖烧，一般持续时间以80～100分钟为宜。
（二）捣炉
在加料后，经过一段时间的焖烧，很容易在料面形成结渣现象，影响到炉料的透气性。为了改善透气性，调节炉内电流分布，应采取适时捣炉的操作，帮助气体外逸，操作时间一般在加料后半小时左右进行。在沉料超过90分钟时，要进行彻底捣炉。先用捣炉机从锥体的外缘开始将料壳向下轻压，然后利用捣炉机将锥体下脚捣松，物料捣松后直接堆在杠杆压塌的料壳上，将其中的大块粘料推向坩埚区，排出死料。由于沉料时会使预热区外露，因此极容易损失大量的热能，因此捣炉操作要尽快快速完成。
（三）配电
调节电极的埋入深度是调节炉况的最佳手段。如果电路二次电压过大，电弧过长，则硅的挥发损失将加大，刺火严重，损失大量的热能，因此碳素电极的二次电流不宜过大。调节电炉工作的电压主要从两个方面入手，一个是短网结构，要保证较高的电效率，一般要达到0.85；另一个是炉况，主要是炉体设备和操作因素，要尽可能地稳定冶炼过程中的工作电阻并使其趋近于最佳值，通常为保障料面温度达到600℃应适当提高电压。
4结语
在工业硅的生产实践中，不仅要做到严格的原料选择，同时还要优化物料配比，严格生产工艺的操作管理，提高工作人员的技能和水平，使工业硅产品的质量得到保障。
参考文献:
[1]工业硅冶炼中煤基炭做还原剂的工艺要求探讨，张并立，《有色矿冶》，2015（10）
[2]硅冶炼中还原剂改进与电炉容量扩大研究，陈科彤，卢国洪，包崇军，等，《云南冶金》，2013,42（4）
论文作者:刘斌
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/15
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