工業(yè)硅技術(shù)問答

1、工業(yè)硅技術(shù)問答工業(yè)硅技術(shù)問答1 1什么是硅和工業(yè)硅？什么是硅和工業(yè)硅？元素硅(Si)原來稱為矽，工業(yè)硅（也稱金屬硅或結(jié)晶硅）是指以含氧化硅的礦物和碳質(zhì)還原劑等為原料經(jīng)礦熱爐熔煉制得的含 Si97以上的產(chǎn)物。 “工業(yè)硅”之稱是我國于 1981 年 GB2881-81 國家標準公布時正式定名，其含意主要是指這種硅之純度是接近于 99%的工業(yè)純度，英文稱為金屬硅，俄文稱為結(jié)晶硅?，F(xiàn)在人工制得硅的純度，實際上已達到 99999999999。2.2.硅和工業(yè)硅有那些特性？硅和工業(yè)硅有那些特性？硅的主要物理性質(zhì)為硅的主要物理性質(zhì)為:密度(25)2329gcm3(純度999)，熔點 1413，沸點 3145

2、，平均比熱(0100)為729J(kgK)，熔化熱為 50.66kJmol，純度為 9941%的硅抗壓強度極限為 943kgfcm2。硅的化學(xué)性質(zhì)：硅在元素周期表中屬A 族，原子序數(shù)為14，原子量為 280855，化合價表現(xiàn)為四價或二價(四價化合物為穩(wěn)定型)。因晶體硅的每個硅原子與另外四個硅原子形成共價鍵，其 Si-Si 鍵長 235A，成為正四面體型結(jié)構(gòu)，與金剛石結(jié)構(gòu)相近，所以硅的硬度大，熔點、沸點高。硅不溶于任何濃度的酸中，但能溶于硝酸與氫氟酸的混合液中，與 1：l 濃度的混合稀酸發(fā)生如下反應(yīng)：Si+4HF+4HNO3=SiF4+4NO2+4H2O3Si+12HF+4HNO3=3SiF4+

3、4NO2+8H2O這個特性可用于硅的化學(xué)分析中，即先將試樣硅中的硅以氟化物形式揮發(fā)，而分析硅中殘留的鐵、鋁、鈣元素。硅能與堿反應(yīng)，生成硅酸鹽，同時放出氫氣，如：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2這是野外制氫的好辦法。硅與鹵族元素反應(yīng)，生成相應(yīng)化合物，如:Si2F2SiF4Si2Cl2SiCl4這是利用工業(yè)硅制取多晶硅的主要反應(yīng)之一。硅在高溫下能與氧化合，生成 SiO2或 SiO:2Si+O22SiO這是工業(yè)硅生產(chǎn)中，發(fā)生在電弧區(qū)的副反應(yīng)，可造成硅的揮發(fā)損失，降低冶煉中硅的實收率。固體 SiO 的密度為2.132.15g/cm 3。硅的其它化合物:硅與硫的化合物有:SiS、SiS2

4、，高溫下易揮發(fā)。硅可以與氫、氮化合生成 SiH4、SiH6和 Si2N3、Si3N4等化合物。硅幾乎能與所有非金屬生成化合物，如:Si+CSiCSiC 具有良好的耐磨、耐高溫性能。在工業(yè)上，SiC 是在電阻爐內(nèi)用硅石、石油焦、木屑等制得的，主要用做磨料、耐火材料和電熱元件。硅可與大多數(shù)熔融金屬互溶，并生成多種硅化物。硅的氧化物：硅的氧化物有 SiO 和 SiO2兩種。SiO2熔點為1720，沸點為 3500。工業(yè)硅的物理化學(xué)性質(zhì)工業(yè)硅的物理化學(xué)性質(zhì)工業(yè)硅除含有 97以上的硅外，還含有不同數(shù)量的其他元素，除了含有鐵、鋁、鈣等金屬元素的氧化物外，尚含有鈦、錳、鎳，鋅、鎂等金屬元素，約占工業(yè)硅的 0

5、.080.10%，含有氧、碳、硼、磷等非金屬雜質(zhì)，占工業(yè)硅的 0.20.3%。此外，硅錠中還含有其他一些夾雜物。一般情況下，工業(yè)硅中鐵、鋁、鈣外的各種雜質(zhì)總量約為工業(yè)硅的 0.5%，致使工業(yè)硅的物理化學(xué)性質(zhì)與元素硅略有不同，其特性值不是一個定數(shù)，而是一個范圍。如密度為 2324gcm3(20時)，熔點 1410左右，電阻率約為110-3cm(1700時)。多種雜質(zhì)元素及其化合物的存在和參與反應(yīng)，致使工業(yè)硅生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)機構(gòu)和生成物及相圖等更為復(fù)雜。3.3.工業(yè)硅有哪些用途？工業(yè)硅有哪些用途？工業(yè)硅現(xiàn)已廣泛用于配制合金、制取高純半導(dǎo)體材料和有機硅等方面。(1) 配制合金配制鋁基合金：鋁硅合金是鑄

6、造合金中品種最多、用量最大的合金。工業(yè)用鋁硅合金硅含量可達 25%。硅加入鋁合金后，可提高合金的強度，增大抗氧化和耐腐蝕能力，密度變小，熱膨脹系數(shù)小，鑄造性能好，合金鑄件具有高抗沖擊性和高壓下的致密性。配制銅基合金及其他合金：硅的銅基合金，如硅青銅，有良好的焊接性能，可作儲罐，沖擊時不易產(chǎn)生火花，可以 防爆。ZQSiD3青銅在海水或石油中有高的抗蝕性。制作冷軋硅鋼片：鋼中加入硅后，能大大改善鋼的磁性，增大導(dǎo)磁率，降低磁滯和渦流損失。含硅 4左右的硅鋼片，可用于制造變壓器和電機的鐵芯?，F(xiàn)在正向生產(chǎn)高硅含量的硅鋼發(fā)展，外國已能生產(chǎn)含硅 12、冷軋厚度 0.08mm 的硅鋼片。(2)制造高純半導(dǎo)體用

7、作半導(dǎo)體的材料種類很多，但最為通用的還是硅和鍺。硅的熔點高、熱穩(wěn)定性好(鍺元件的工作溫度低于 80，而硅元件的工作溫度可達 200)，且禁帶寬度大，資源豐富，硅的應(yīng)用已超過鍺。當(dāng)今在新的產(chǎn)業(yè)革命浪潮中，社會己進人信息化，用硅半導(dǎo)體制成的集成電路和大型集成電路，在工業(yè)發(fā)達國家已應(yīng)用于各個領(lǐng)域，被稱為“產(chǎn)業(yè)之米”，人們已把 20 世紀稱為“原子能和半導(dǎo)體世紀”。半導(dǎo)體硅的制取，一般分為兩個階段：工業(yè)硅先通過化學(xué)、物理方式提純制取高純多晶硅，再進一步提純多晶硅，并將晶體無序排列的多晶硅熔化拉制成單一方向結(jié)晶的單晶硅。單晶硅主要用作集成電路和電子元器件及太陽能電池等各方面。太陽能電池的研制是近年來隨著

8、新能源的開發(fā)興起的，近年來我國正在大力發(fā)展太陽能電池產(chǎn)業(yè)。(2) 制作有機硅工業(yè)硅用于有機硅的發(fā)展最快，應(yīng)用的領(lǐng)域也最廣，可合成的產(chǎn)品種類達 5000 多種，故被稱為“工業(yè)味精”。有機硅的制造可分為單體合成、水解、縮合三步。單體合成，以甲基單體為例，是用 200 目硅粉與氯化銅按 Cu：Si=15：85 混合，在 270300下通入 CH3Cl 而制得。生成 1kS 甲基單體耗用硅粉 046kg。合成的主要反應(yīng)為： Si 十 3CH3C1CH3SiCl2+C2H6此外還可生成(CH3)2SiCl2；(CH3)3SiCl。通常把CH3SiCl3、(CH3)2SiCl2，(CH3)3SiCl 分別

9、稱為 I 甲基、甲基、甲基單體。除甲基單體外，還有苯基單體，通式為(C6H5)nSiCl4n(n=1，2，3)。由這些單體可制成硅橡膠、硅樹脂、硅油。硅橡膠是由極純的甲基單體水解成極長的硅氧鍵，在-70奎 200范圍內(nèi)能保持彈性，可做高溫墊圈等。硅樹脂是由 1 甲基與 I 甲基單體水解縮合成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，用于生產(chǎn)絕緣漆、耐熱溫度達 180200，還可用于生產(chǎn)高溫涂料。此外，聚乙烯硅銅鈉等樹脂。涂在化工加熱蒸發(fā)結(jié)晶的換熱器上，可延緩結(jié)垢速度，提高熱交換效率。硅油是由甲基與置甲基單體水解縮合成的鏈狀分子結(jié)構(gòu)油狀物，其粘度受溫度影響很小，用于高級潤滑劑、上光劑、流體彈簧、介電液體等方面，還可加工成無

10、色透明的液體，噴在建筑物上防水。(4)制作耐高溫材料和其他材料制作氮化硅(Si3N4)。氮化硅是新型的耐熱、耐磨、耐腐材料。它是在氮氣氛下，將粒度小于 250 目的硅粉加熱到 12501400而制得：3Si 十 2N2=Si3N4制作涂面材料。將硅、碳化硅磨成 200 目粉末后與其他物質(zhì)混合，用 ZCDP-3 型金屬噴槍，噴到石墨電極表面，涂層厚0.51.0mm，這樣可提高電極氧化溫度，在相同使用條件下，電極凈耗降低 17。鋼件表面滲硅。鋼件在 10001200下的 SiCl4相中進行表面滲硅，滲硅過程的機理是：4Fe+3SiCl43Si+4FeCi3析出的硅形成 Si-Fe 擴散層覆蓋在鋼件

11、表面，可提高鋼件的抗腐性能。用于硅熱法冶煉高熔點工業(yè)硅或微碳工業(yè)硅。其機理是：MeO 十 SiSiO2+Me即硅還原某種金屬的金屬氧化物。多數(shù)工業(yè)硅用硅鐵做還原劑，如生產(chǎn)鉬鐵用 75SiFe，鈮鐵用 90SiFe，釩鐵用90SiFe。但少數(shù)合金，如含鎢 80的鎢鐵等需用工業(yè)硅做還原劑。把硅、二氧化硅與石灰石等混合，進行水熱反應(yīng)，可生成泡沫鋁的發(fā)泡劑。泡沫鋁耐火、耐熱性能高，易加工，是理想的裝飾材料。人們還研制出把硅、鋅和銅的再生物加工成混合物，摻人劇紡織品中，制成不沾附塵土和臟物的權(quán)料，這種衣料不需經(jīng)常洗滌，能經(jīng)久耐用。隨著國民經(jīng)濟和近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)硅的應(yīng)用領(lǐng)域和用量仍在不斷擴大。4.

12、4.我國工業(yè)硅產(chǎn)品的標準是什么？我國工業(yè)硅產(chǎn)品的標準是什么？ 不同國家的化學(xué)用硅，是根據(jù)實際需要按不同標準生產(chǎn)的。1961 年冶金工業(yè)部頒布了 YB94-60結(jié)晶硅分類及技術(shù)條件，1981 年經(jīng)國家標準總局批準，發(fā)布了 GB2881-81工業(yè)硅技術(shù)條件如下表：化學(xué)成分，%雜質(zhì)，不大于品質(zhì)代號SiFeAlCa雜質(zhì)總和甲Si-1A99.00.60.40.41.0一級乙Si-1B99.00.5-0.51.0二級Si-298.00.7-0.52.0三級Si-397.01.0-0.83.0我國國家技術(shù)監(jiān)督局 1991 年 10 月 5 日發(fā)布的 GB/T 288191工業(yè)硅技術(shù)條件，首次列出了我國的化學(xué)

13、用硅標準。1991 年修訂的工業(yè)硅化學(xué)成分如下表：我國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準管理委員會于2008 年 3 月 31 日發(fā)布的 GB/T 2881-2008工業(yè)硅標準（替代GB/T 2881-1991工業(yè)硅技術(shù)條件）。標準規(guī)定的工業(yè)硅化學(xué)成分如下表：化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）/%雜質(zhì)，不大于類別牌號Si，不小于FeAlCaSi-A99.600.200.100.01化學(xué)成分，%雜質(zhì)，不大于應(yīng)用范圍名稱牌號Si不小于FeAlCa雜質(zhì)總和A 級硅Si-A99.30.40.20.1B 級硅Si-B99.00.50.30.2化學(xué)用硅一級硅Si-198.50.6-0.3二級硅Si-298.00.7-0

14、.5三級硅Si-397.01.0-1.0冶金用硅Si-B99.200.200.200.02Si-C99.000.300.300.03化學(xué)用硅Si-D98.700.400.100.0599.600.20-0.0599.300.30-0.10冶金用硅99.300.50-0.20注 1：化學(xué)用硅指經(jīng)化學(xué)處理后用于制取有機硅等所用的工業(yè)硅，冶金用硅是指冶金方面用于配制鋁硅等各種合金所用的工業(yè)硅。注 2：硅含量以 100%減去雜質(zhì)含量總和來確定。注 3：分析結(jié)果的判定采用修約比較法，數(shù)值修約按 GB/T 8170 的規(guī)定進行，修約數(shù)位與表中所列極限值數(shù)位一致。注 4：如有特殊要求，供需雙方另行議定。5

15、5工業(yè)硅生產(chǎn)的任務(wù)是什么？工業(yè)硅生產(chǎn)的任務(wù)是什么？工業(yè)硅生產(chǎn)的基本任務(wù)就是把硅元素從硅石或氧化物中提取出來。理論上可以通過熱分解、還原劑還原和電解等方法生產(chǎn)。在這三種方法中，最后一種方法屬于濕法冶金范疇，在濕法冶金中予以討論。第一種方法在實際生產(chǎn)中會帶來很多困難，因為組成工業(yè)硅的各類元素與氧的親和力很大，除了少數(shù)元素的高價氧化物外，其他的氧化物都很穩(wěn)定，通常要在 2000以上才能分解，這樣高的溫度在實際生產(chǎn)中會帶來很多困難，因此目前沒有一種工業(yè)硅是用熱分解方法制取的。絕大多數(shù)工業(yè)硅都足通過第二種方法即用還原劑還原來制取。6 6工業(yè)硅生產(chǎn)方法的特點什么工業(yè)硅生產(chǎn)方法的特點什么? ? 工業(yè)硅生產(chǎn)采

16、用三相礦熱爐，用連續(xù)操作法進行生產(chǎn)。所謂連續(xù)操作法，就是隨著爐料經(jīng)受高溫后，不斷地反應(yīng)和熔化，使料面相應(yīng)地下降；同時不斷地補加新爐料，爐膛中的爐料始終保持飽滿狀態(tài)。根據(jù)爐內(nèi)熔煉積存的硅量定期地放出。在整個冶煉過程中，電極插入爐料內(nèi)較深，不露電弧，故熱量損失少，爐溫高。由于工業(yè)硅冶煉的這些特點，整個冶煉過程不分階段，這種方法叫連續(xù)操作法。使用礦熱爐生產(chǎn)工業(yè)硅采用連續(xù)加料方法，根據(jù)電極有效相電壓和爐膛的電流密度保持爐料層距爐底的高度。采用該種方法生產(chǎn)工業(yè)硅能夠降低電耗和提高硅從原料中的回收率。7.7.什么是硅的電熱熔煉法及其優(yōu)點？什么是硅的電熱熔煉法及其優(yōu)點？電熱法特點：以電流電弧作為高溫?zé)嵩?，?/p>

17、時還有電流通過爐料時產(chǎn)生的電阻熱和還原劑潛熱，因而能量集中，形成高溫反應(yīng)區(qū)，特別適合一些高熔點或難還原氧化物的還原熔煉。電熱法同其他冶煉方法相比還有優(yōu)點：熔煉加熱過程主要是由取決于輸入電壓和電流的電爐容量決定的，過程易于管理、調(diào)整和控制。就加熱過程而言，與爐內(nèi)氣體的形式和組成無關(guān)，不受燃料質(zhì)量和種類等外部因素的影響。用碳還原氧化物可產(chǎn)生高發(fā)熱量的氣體，如能有效回收之，可用做熱源或其他目的。特別有效的是缺乏固體、液體燃料而有豐富水電的地區(qū)。電熱法同生產(chǎn)鋁等電解法比，具有單位產(chǎn)能投資少，單體設(shè)備生產(chǎn)率高，不需變交流為直流電的整流裝置等優(yōu)點。8.8.碳熱還原有什么特點？碳熱還原有什么特點？用碳還原氧

18、化硅，形成的氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物碳的氧化物可連續(xù)從反應(yīng)區(qū)排出，有利于還原反應(yīng)向制得金屬的方向進行。 碳還原氧化物的能力隨溫度的升高而增強，各種金屬氧化物，在一定條件下幾乎都能被碳還原。碳質(zhì)原料（石油焦、低灰分煙煤、木炭、瀝青焦等）來源較廣泛，價格較便宜。用碳還原氧化硅，可產(chǎn)生碳化硅，如處理不當(dāng)，可造成金屬損失，給熔煉過程造成困難。在高溫下隨著碳熱還原過程的進行，還要吸收大量的熱 。9.9. 工業(yè)硅爐的是怎么分類的？工業(yè)硅爐的是怎么分類的？工業(yè)硅爐一般根據(jù)礦熱爐的設(shè)備特點分以下幾種類型：按電極相數(shù)分為單相單電極、三相三電極和三相六電極電爐；按煙罩或爐蓋設(shè)置形式可分為高煙罩及矮煙罩敞口式電爐、矮煙罩半封閉

19、式電爐和全封閉式電爐；按爐體可分為固定式和旋轉(zhuǎn)式電爐。我國大多數(shù)采用矮煙罩半封閉式固定式電爐，少數(shù)采用全封閉式旋轉(zhuǎn)電爐。工業(yè)硅爐大小是根據(jù)礦熱爐變壓器容量大小而定的，可分為小型電爐（2000kVA）、中型電爐（20009000 kVA）和大型電爐（9000 kVA）。目前我國大多數(shù)容量為 630012500 kVA，也有少數(shù)的 1650025500 kVA，最大容量為 39000 kVA，而南非已于 70 年代建成 48000 kVA 容量的工業(yè)硅爐。10.10.工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝流程是什么？工業(yè)硅的生產(chǎn)工藝流程是什么？硅石 木炭 石油焦 煤或木塊原破碎 篩分 （3mm） 破碎磁選 破碎磁選 料

20、水洗 棄掉準篩分 （8mm）備 棄掉 （20150mm) (3100mm)（030mm) 合格料（煤20mm)合格料 合格料 合格料 木塊（50150mm) 配 稱量 稱量 稱量 稱量 料配料熔水電 電爐熔煉煉電極 出爐氧氣 液體硅精 取樣分析定級煉 鑄錠 清整抬包渣產(chǎn) 固體硅破碎品 挑渣 破篩分碎合格粒度硅塊（6100mm） 包 稱量包裝 裝 入庫第第 2 2 章章工業(yè)硅冶煉原理工業(yè)硅冶煉原理1111用還原劑還原法制取工業(yè)硅的反應(yīng)通式是什么？用還原劑還原法制取工業(yè)硅的反應(yīng)通式是什么？通常用還原劑還原法制取工業(yè)硅反應(yīng)的通式為： yAmOx +nxB=myA+xBnOy式中 AmOx-礦石中含合

21、金元素的氧化物； B所用的還原劑； A提取的合金元素； RnOy還原劑被氧化后生成的氧化物。這個式子意味著，還原劑 B 對氧的親和力大于被還原的金屬對氧的親和力，這就是金屬氧化物還原的熱力學(xué)條件。這個式子也規(guī)定了還原劑的條件是：作為還原劑，它對氧的親和力必須大于被還原金屬對氧的親和力。1212反應(yīng)熱效應(yīng)的意義是什么？反應(yīng)熱效應(yīng)的意義是什么？反應(yīng)的熱效應(yīng)是一個重要的熱力學(xué)函數(shù)。當(dāng)物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)和物理變化時，放出和吸收的熱叫這個過程的熱效應(yīng)，熱效應(yīng)用 H 表示。熱效應(yīng)在冶金中得到了廣泛的應(yīng)用，例如在工業(yè)硅生產(chǎn)中，使用的主要物質(zhì)和爐內(nèi)各相的主要成分是互相聯(lián)系的，彼此進行著物質(zhì)、熱量和能量的交換，因

22、此用熱效應(yīng)研究和分析反應(yīng)進行的可能性和金屬氧化物可還原性的順序，對工業(yè)硅的生產(chǎn)具有重要的意義。1313反應(yīng)的標準吉布斯自由能變化反應(yīng)的標準吉布斯自由能變化GG的意義是什么？的意義是什么？反應(yīng)的標準吉布斯自由能變化G是一個重要的熱力學(xué)函數(shù)，用它可以判斷過程自動進行的方向，在工業(yè)硅生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。可以創(chuàng)造條件使反應(yīng)沿著預(yù)期的方向進行，達到預(yù)期的目的。欲使反應(yīng)向冶煉需要的方向進行，即向生成物 A 的方向進行，則反應(yīng)的標準吉布斯自由能變化必須是負值，即 G0。反應(yīng)的標準吉布斯自由能變化G可以根據(jù)標準生成吉布斯自由能數(shù)據(jù)計算得到，即： G-nj-niG（生成物）G（反應(yīng)物）1414氧化物的穩(wěn)定性有

23、哪些表示方法？氧化物的穩(wěn)定性有哪些表示方法？在火法冶金和濕法冶金中研究人員對氧化物的穩(wěn)定性進行了廣泛的研究。氧化物的穩(wěn)定性可用氧化物分解壓大小表示。在一定溫度下，分解壓越小，該氧化物越穩(wěn)定，越不易分解和被還原；相反，分解壓越大，該氧化物越不穩(wěn)定，易分解和被還原。例如，氧化物 CaO、Cr2O3、SiO2、Al2O3，在 1600時它們的分解壓分別為=5. 83010-19 Pa，=1. 57010-7Pa，COO2p522OCrOp=2. 16610-11 Pa，=2. 73010-15 Pa，因此它們的22SiOOp322OAlOp穩(wěn)定性由大到小的次序為：CaO，A12O3，SiO2，Cr2

24、03。氧化物的穩(wěn)定性也可用標準生成自由能表示，即 1mol 氧與某單質(zhì)化合的生成自由能負值越大，則該氧化物就越穩(wěn)定。1515化學(xué)反應(yīng)速率的意義是什么？化學(xué)反應(yīng)速率的意義是什么？我們研究了反應(yīng)的自由能變化 G和平衡常數(shù) K，它們分別表示反應(yīng)進行的方向和限度，這是兩個重要的熱力學(xué)函數(shù)。然而熱力學(xué)只能給我們指明反應(yīng)的可能性，而反應(yīng)的實現(xiàn)則需要考慮反應(yīng)速率等動力學(xué)因素，因此我們要簡單研究一下反應(yīng)速率?；瘜W(xué)反應(yīng)速率通常用一個參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度隨時間的變化速率表示，化學(xué)反應(yīng)速率的通式為： nkcdtdc式中c反應(yīng)物的濃度； n反應(yīng)的級數(shù)； k反應(yīng)速率常數(shù)，與溫度、壓力、擴散速度、相界面大小等因素有關(guān)。式

25、中，負號“”表示反應(yīng)物濃度逐漸減少的方向。當(dāng)用反應(yīng)物表示濃度時，前面為負號；當(dāng)用生成物表示濃度時，前面不加負號。影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素很多，化學(xué)反應(yīng)速率除與物質(zhì)的本性有關(guān)外，還與催化劑種類、濃度、壓力、溫度、擴散速度和相界面大小等因素有關(guān)。例如擴散速度大，相界面大反應(yīng)速度就快，為了擴大相界面，選用的還原劑粒度要適當(dāng)小些；同時采用各種手段進行攪拌，以增大相界面積擴散速度；而溫度越高，熔體的流動性就越好。工業(yè)硅生產(chǎn)主要是熔體與還原劑的反應(yīng)，要獲得流動性良好的熔體必須將熔渣過熱到一定溫度，實際生產(chǎn)時冶煉溫度通常比熔渣的熔點高 100200。16.16.工業(yè)硅冶煉的基本原理是什么工業(yè)硅冶煉的基本原理是

26、什么? ?冶煉工業(yè)硅主要原料是硅石，硅石中含二氧化硅約 99%。二氧化硅很穩(wěn)定硅和氧之間的親和力很強，不易分離。生產(chǎn)上為了把氧從二氧化硅分離除去，采用在礦熱爐內(nèi)高溫條件下，以炭質(zhì)還原劑中的碳奪取二氧化硅中的氧。而且溫度越高，碳奪取氧的能力隨之增強，這是因為在高溫條件下，碳對氧的結(jié)合力比硅對氧的結(jié)合力大?？梢姼邷貢r有了碳，二氧化硅就不穩(wěn)定了，這時二氧化硅中的氧和碳進行反應(yīng)，生成氣態(tài)的一氧化碳，通過料層從爐口逸出。二氧化硅中的氧被碳奪走后，剩下的硅形成工業(yè)硅。二氧化硅與碳作用其反應(yīng)式如下：SiO22C=Si2CO上式是吸熱反應(yīng)，從反應(yīng)式中可知，為了加速反應(yīng)的進行，應(yīng)把電極往爐料中插的深些，以提高爐

27、溫，擴大坩堝區(qū)，同時應(yīng)增加料面的透氣性，使一氧化碳氣體盡快逸出。如采取扎透氣眼、搗爐等措施，均有利于二氧化硅與碳的反應(yīng)加速進行，使工業(yè)硅較快地生成。從化學(xué)反應(yīng)上說一般認為，氧化物中的氧被其他物質(zhì)奪去的反應(yīng)，叫還原反應(yīng)。奪取氧的物質(zhì)，叫還原劑如石油焦等。依上述工業(yè)硅冶煉原理是還原過程。反應(yīng)過程中，硅石內(nèi)的二氧化硅絕大部分被碳還原之外，其他雜質(zhì)和還原劑帶入的灰分，如 (Fe2O3)、三氧化二鋁(A1203)和氧化鈣(CaO)等也被碳還原，其中三氧化二鐵絕大部分被還原。各反應(yīng)式如下：Fe2O3+3C=2Fe+3COAl2O3+3C=2A1+3COCaO+C=CaCO各反應(yīng)中生成的一氧化碳氣體，從爐口

28、逸出，其他生成物如鐵、鋁和鈣等進入工業(yè)硅中，因此，要求原料中的雜質(zhì)盡量少，以保證工業(yè)硅的質(zhì)量。在冶煉過程中有少部分的二氧化硅，三氧二化鋁和氧化鈣等未被還原，而形成爐渣。爐渣成分約含SiO23040%；Al2O34560%；CaO1020%。此種爐渣熔點約為16001700。渣量大時，消耗電量增加，同時過粘的爐渣，不易從爐內(nèi)排除，引起爐況惡化。故要采用較好的原料，以減少渣量，降低單位電耗。正常情況下，渣量控制在不大于工業(yè)硅量的百分之五為宜，以上是工業(yè)硅冶煉基本原理，工業(yè)硅冶煉的基本反應(yīng)是：SiO2+2C=Si2CO實際爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)比這復(fù)雜。實驗證明氧化物的還原，是由高價氧化物逐步還原成低價氧化物。二氧化硅的還原，在高溫情況下，首先被還原成一氧化硅(SiO),而后再被還原成硅(Si),其順序是 SiO2SiOSi17.17.一氧化硅在冶煉反應(yīng)中的作用是什么一氧化硅在冶煉反應(yīng)中的作用是什么? ?冶煉工業(yè)硅，在 17001800時，將發(fā)生如下反應(yīng)：SiO2C=SiOCO也就是說二氧化硅首先被碳還原成一氧化硅，然后再被還原成硅，其反應(yīng)式如下:SiOC=SiCO被還原出來的硅，部分的將和二氧化硅作用，又產(chǎn)生一氧化硅，其反應(yīng)式如下：SiO2Si=2SiO從上述的三個反應(yīng)式中，可以看到