金属硅（工业硅）是怎样炼成的（一）

金属硅又称工业硅或结晶硅，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。其主要用途是作为非铁基合金的添加剂和生产半导体硅、有机硅的起始原料。

在我国,金属硅通常按其所含的铁、铝、钙三种主要杂质的含量来分类。按照金属硅中铁、铝、钙的百分比含量，金属硅可分为553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌号。（关于金属硅编号来源：第一和第二的代号为铁和铝的百分比含量，第三和第四两位代表钙的含量。例如553代表其中的铁铝钙的含量为5%、5%、3%；3303代表其中铁铝钙的含量为3%、3%、0.3%）

既然金属硅可以影响到我们生活的方方面面，那么问题来了，金属硅是从哪儿来的呢？我们日常所看到的沙子就是金属硅的前身吗？

首先我们来看看金属硅的生产过程

金属硅生产采用碳热法，即用硅石、碳质还原剂在矿热炉内进行冶炼的方法。这样制得的硅纯度为97%～98%，这样的硅一般可以用在冶金用途。如果要得到更高品级的硅，则需再将其精炼除去杂质，得到纯度为99.7%～99.8%的金属硅。

以石英砂为原料冶炼金属硅，包括石英砂制块、配制炉料和矿热炉冶炼几个步骤。

一般来说，优质的石英砂会直接用于生产高档的石英玻璃制品，甚至被加工成宝石级别的如水晶，碧玺等制品。等级稍差但储量较大，开采条件稍好，周围电力较为便宜的则适合生产金属硅。

目前，中国生产金属硅的碳热法的生产工艺路线：普遍采用的是以硅石为原料，石油焦、木炭、木片、低灰煤等为还原剂，在矿热电炉中高温熔炼，从硅石中还原出金属硅，其为无渣埋弧高温熔炼过程。

化学反应原理  

Chemistry reaction mechanism   

大家一般认为，冶炼金属硅是这样的一个反应：

SiO2 + C -> Si + CO2 ?

但是实际上涉及的反应和副反应至少10个：

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)

（关于金属硅冶炼过程中发生的反应还有多种不同的解释，在此不再叙述，有兴趣的可以和我们沟通探讨，欢迎给本订阅号留言）以下为西方比较流行的两种：

因此，虽然金属硅是从硅石中提炼出来的，但是并不是所有的硅石都适合制作金属硅。我们日常所见的普通用砂并不是金属硅的真正原料，而是上述所说的工业生产所用到的石英砂，并且经历了多步反应才完成从沙子到金属硅的蜕变。

最后，给大家涨知识啦，金属硅生产常用名词中英文对照如下所示：

原料及反应中间产物  raw materials

石英（硅石）Quartz

黑色材料Black materials

木屑 Wood chips

电极 Electrodes

添加剂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

炉渣 Slag

原料混合物 MIX of Raw Materials

金属间合金 Intermetallic alloys

产品等级 Product grade

冶金级Metallurgy

化学级Chemistry

（本文中部分内容来自欧洲金属硅专家Daniel Bajelot，于2013年金属硅大炉子生产技术培训班教材）
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