工业硅生产工艺探讨范文

硅作为自然界最丰富的元素之一有着广泛的引用，其中工业硅的主要用途是生产有机硅、制取半导体材料多晶硅以及其他特殊用途的合金等。近年来随着太阳能光伏行业的不断发展壮大，工业硅的需求量也日益剧增。从20世纪40年代末建成第一座工业硅电炉以来，经过半个多世纪的发展，全球工业硅的年产能已达400万吨以上，而我国工业硅产能达到100万吨以上，从而使得我国成为世界上工业硅的主要生产和出口大国。工业硅随着应用的领域不同而产品质量各异，本文从工业硅的分类及生产工艺上进行介绍，通过对生产工艺的剖析，提出节能降耗的措施，为工业硅的发展提供一些指导性意见。

1工业硅的分类及现状

工业硅的分类通常按工业硅成分中所含铁、铝、钙三种主要杂质的含量来进行分类，目前工业硅市场上主要规格及分类如下表1所示：从表1中的分类可以看出，工业硅种类繁多，在实际应用中根据应用领域的不同而选用的规格型号也各有差异，下表2列出了近五年来工业硅在不同领域的消耗量。从表2中可以看出，近年来工业硅的需求消耗量在逐年增多，但是工业硅在各个领域的变化也各异，尤其是在多晶硅用硅上，由于2011年后，全球多晶硅进入冰冻期，大部分多晶硅企业停产检修，导致多晶硅用硅量逐年下降，而有机硅和铝合金用硅市场一直在稳定中增长，用量也相对比较稳定。

2工业硅的生产工艺介绍

工业硅生产工艺是以硅石为硅源以碳质材料作为还原剂经过清洗干燥后，将硅石和碳质还原剂送入矿热反应炉在2000℃左右的高温下，经还原制得硅，再将它溶化后重结晶，用酸除去杂质，得到金属硅。其碳还原氧化硅的反应，通常用以下总反应式表示。但是中心反应区及其附近因为温度的不同原料所参与的化学反应有所区别。原料在矿热反应中心区域及其附近区域的反应分别为。碳质还原剂的选择原则是：固定碳高，灰分低，化学活性好。通常是采用低灰分的石油焦或沥青焦作还原剂。但是，由于这两种焦炭电阻率小，反应能力差，因而必须配用灰分低，电阻率大和反应能力强的木炭（或木块）代替部分石油焦。为使炉料烧结，还应配入部分低灰分烟煤。对几种碳质还原剂的要求如表3所示。生产中按SiO2+2C=Si+2CO来配碳。在操作中碳的配入比较难以掌握，配碳量应当在理论配碳量（C/O=0.75）的基本原则下随机控制，一般在理论配碳量不大的范围内波动。生产实践证明，木炭、石油焦和烟煤的比率各位1/3的固定碳配入效果较好。通过上述生产的金属硅大部分为块状，若以硅块为原料进行破碎细化，一般采用球磨法、辊磨法、冲旋法可以生产工业硅粉，成品粒度通过工艺调节可以控制在30-425目范围内。工业硅的生产工艺流程简图如下图1所示。

3工业硅生产的耗能分析和节能讨论

从上面的工业硅生产工艺流程可以看出，工业硅的生产流程相对简单，但是其能源消耗相对较大，平均电耗高达13000kwh/t。下面将从工业硅生产的原料、设备及工艺上分析影响工业硅生产能耗的主要因素，对降低企业工业硅生产能耗有一定的指导作用。

3.1原料工业硅生产的原料主要有硅石及还原剂；而原料影响工业生产能耗的主要因素有如下几点：

3.1.1硅石的洁净度：杂质含量越高，炉口料面明显发粘，炉口透气性不好，料面温度升高且发红，热量损失达，从而电耗升高；因此硅石的精选和水洗是减少硅石带入杂质，节能降耗的主要措施之一。

3.1.2硅石的热稳定性和抗爆性：加入电炉的硅石要有足够的热稳定和良好的抗爆性。否则会因为受热很快破裂且表面迅速剥落，导致电炉透气性变差，电炉上部炉料粘结，热量损失增大，电耗升高，因此选用时要考虑此现象。

3.1.3硅石的粒度：粒度过小，使得炉料透气性差，粒度过大未反应的硅石沉入炉底或进入硅溶液中造成渣量增多，使得电耗升高，因此需要控制硅石的粒径范围在50-120mm。

3.1.4还原剂的反应性：碳的还原能力与工业硅冶炼的电耗有着密切的关系，为了降低能耗，必须要求碳质还原剂有较高的反应性。

3.1.5还原剂灰分含量：控制还原剂的灰分主要是控灰分中的氧化物进入熔渣增加了渣量和电耗，因此还原剂的纯度要高而且灰分要低。

3.1.6还原剂的比电阻：还原剂在电炉中是电流通过炉料的主要导体，电流一定时，还原剂的比电阻越大电炉可以使用较高的二次电压以提高电炉的电效率，因此要选用比电阻较大的木炭作为还原剂是降低能耗的方法之一。

3.2设备从设备的内在结果及尺寸以及配套的电器方面进行工业硅生产能耗的分析及节能措施如下：

3.2.1炉膛尺寸：只有采用合理的炉膛尺寸才能有效的降低工业硅的生产能耗，如果炉膛直径过大，炉底功率密度减小，炉子散热表面增大，因而热损失增加；炉膛直径过小会使电极-炉料-炉衬回路电流增加，不利于电极深插，增加电耗。

3.2.2变压器接线：选用合适的变压器接线方式是降低能耗的方法之一，目前工业硅生产所用的电炉设备，还是将电流表接在变压器的一次侧来控制电极升降。

3.2.3电炉容量：从国内外统计数据看，5MVA以上的电炉其电耗一般在12000-14000kwh的范围内，小型电炉因为功率密度低，热损失占比例大而且电耗高，一般在14000-16000kwh之间，因此，要采用大容量炉型来降低工业硅的生产能耗。

3.3工艺及操作

在工业硅的生产工艺及炉型操作中，应该从以下几个方面来进行工业硅的节能降耗：

3.3.1减少热停：由于工业硅炉型功率较大，热停一次需要更长的供电时间才能恢复到供电前系统所处状态，因此需要加强电极的维护，防止各种电机事故发生，以减少热停次数和时间。

3.3.2热穿器的使用：好的出炉口，人工开启不需要使用烧穿器，但是在实际出硅水过程中有时为提高温度，保持硅水通道的畅通用电烧眼时必须的。因此要注意保持良好的出硅水口，缩短电烧时间。

3.3.3炉筒布料要均匀：还原剂在炉内分布要均匀，避免加料造成缺碳或局部碳过剩使还原不够充分。因此电极四周布料要呈平顶性，高出200-300mm。

3.3.4下料要平稳：根据炉料熔化速率及时下料，避免炉内因缺料炮火或下料过多使炉内温度降低电极上抬，从而增加能耗。

3.3.5正确的捣炉：采取及时正确的捣炉操作对于改善料层透气性，减少炮火塌料及热损失是非常重要的。

4结语

从工业硅的生产工艺过程看，虽然生产流程简单，但是节能降耗点不少，我们对新上工业硅生产企业或已大批量生产工业硅的企业，从以下几个方面提出节能措施：

4.1选用较好的硅源矿石作为工业硅的原料，并采用灰分低、活性高的碳质还原剂进行生产；

4.2设计过程中，尽量选用最先进的热电炉进行加工生产；

4.3从工艺操作上进行优化，减少热停及在布料过程中均匀性，能够及时的进行捣炉等操作；

4.4选择合适的生产工艺流程，注重在实践中节能。

作者：郑红梅 张升学 石何武 单位：中国恩菲工程技术有限公司