矽熔煉(silicon smelting)是指用碳質還原劑還原矽礦石產出元素矽的過程。矽的工業產品有精製工業矽、多晶矽、單晶矽三種。矽熔煉一般是指粗矽的生產。矽熔煉在電弧爐中進行，因以電弧作為高溫熱源，故稱電熱法煉矽。矽熔煉主要包括爐料準備、熔煉、出矽三大環節。
基本介紹
- 中文名：矽熔煉
- 外文名：silicon smelting
- 學科：有色金屬
- 領域：能源
- 目的：產出元素矽
- 工業產品：精製工業矽、多晶矽、單晶矽
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工業矽熔煉過程的反應機理
工業矽在工業矽爐中熔煉而得，系無渣埋弧高溫熔煉過程。原料為矽石，石油焦，木塊，低灰煤等為還原劑，經高溫熔煉，矽逐漸從矽石中還原出來。
原理
矽礦石的主體成分為SiO2。用碳質還原矽石生產工業矽的化學反應為：
SiO+2C=Si+2CO
但反應過程的機理很複雜。已有很多人對用碳還原SiO2生產元素矽的機理進行過研究，但研究者的意見尚不一致，其中具代表性的有拉思反應機理、凱利反應機理、拿哥莫利一馬林斯蓋反應機理等。
1.拉思反應機理
德國拉思(Gero Bath )等人認為，二氧化矽的碳還原過程可概括為SiC的形成、SiC的分解和SiO的冷凝三大階段。當爐料溫度達到1770K以上時，SiO2與碳反應生成SiC。
2.凱利反應機理
美國凱利(W. M. ICcli)通過試驗研究認為，當煉矽爐內爐料中的碳下落時。與上升的SiO氣體相遇，發生生成SiC的反應。
3.拿哥莫利-馬林斯蓋反應機理
加拿大拿哥典利( M.Nagamvri)和馬林斯蓋(I. Malinsky)等對Si-C-O三元系進行過深入的研究，把Si、SiC、SiO2、SiO四個凝聚相的體系稱為“穩定系”或“穩定區”。
爐料準備
將化學組成符合要求的矽石破碎到規定的粒度，並與碳還原劑按比例混合均勻。碳還原劑有木炭、油焦和煙煤，它們的質量也要達到規定要求。
電極是消耗材料。矽熔煉用電極有石墨電極、碳素電極和自焙電極。中國均使用石墨電極。其物理化學性能要符合國家標準。
熔煉
矽熔煉在埋弧式電爐中進行，是個爐料從爐缸上部不斷熔融向爐膛內下沉進行化學反應的連續過程。
配製好的爐料經下料管和流槽從爐上料倉加入爐內，或由人用鐵鍬把護料加入爐內。向爐內加料時，要注意保持爐缸上部規定的料面水平。電極以適當的深度埋入爐料中。在熔煉過程中，由於料面被高沮燒結，不能順利地沉降到爐膛的反應帶內，需用搗爐機刺破並翻開料面的燒結殼，強制爐料下沉。電極經高溫燒損及參與化學反應而不斷消耗，為使電極在爐內保持一定的長度，必須定期下移和接長電極。當爐內出現逆況時，一般採用調整配料比和電氣參數的辦法進行處理。
煉矽爐
全稱礦石還原電弧爐，又稱礦熱爐，簡稱矽爐。煉矽爐按其電氣接線和電極的相數可分為單相單電極、單相雙電極、三相三電極和三相六電極等幾種類型。在中國除個別工廠採用單相雙電極矽爐外，大都採用三相三電極煉矽爐。
煉矽爐主要由供電系統、電極、水冷系統、集氣排煙系統，下料系統和爐體等部分組成。
