化学用金属硅的冶炼工艺

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      化学用硅的工艺流程包括炉料准备，电炉熔炼，硅的精制和浇铸，除去熔渣夹杂而进行的破碎。在炉料配制之前，所有原料都要进行必要的处理。硅石在颚式破碎机中破碎到块度不大于100mm，筛出小于5mm的碎块,并用水冲洗洁净。因为熔炉中碎块在炉膛上部熔融，从而降低了炉料的透气性，使生产过程难以进行。石油焦有较高的导电系数，要破碎到块度不大于10mm，又要控制石油焦的粉末量。因其在炉膛口上直接燃烧，会造成还原剂不足。
    化学用硅生产中，烟煤完全可以取代木炭，如湖南株洲精洗烟煤，固定炭达77.19%，挥发分为19.4%，灰分含量3.41%，Fe2O3含量0.22%，Al2O3含量0.99%，CaO含量0.17%。经生产实践，采用此种烟煤冶炼化学用硅是可行的。
    生产化学用硅用的木块和木片是用截材机和木片削片机加工的。炉料中碳质还原剂主要以石油焦和烟煤为主，木块和木片的用量要视炉况来决定。生产中不用木质，反而产品质量还更稳定。炉料的配比根据要求所生产的产品级别来定。石油焦和烟煤的配比按每批矿硅需要的碳量来确定。石油焦和烟煤的比例对炉料的工作电阻影响较大。
    炉料各组分经称量后，将炉料混合均匀，待捣炉后，将混合均匀的炉料集中加入炉内。保持一定的料面高度，加料均匀。
    化学硅生产是连续不断进行的。炉内的状况也不是永恒不变的。化学硅生产在电炉内是以电能转换成热能，然后再用热能直接加热物料而产生化学反应的过程。所以炉内的电气特性是非常重要的，熔炼实行闭弧操作，保持高温炉，提高热效率，提高电炉利用率，在研究中使用容量为3200KVA和6300KVA金属硅炉各一台。熔炼采用一定时间的焖烧和定期集中加料的操作方法进行。正常情况下炉料难以自动下沉，一般需强制沉料。炉况容易波动，较难控制。因此，在生产中必须正确判断，及时处理。每4小时出一次炉，进行精练浇铸，破碎挑渣整理入库。
    电炉操作化学硅熔炼是在埋弧状态下进行的。为生产出恒定均质的金属硅，需要实行最佳的炉子操作，在熔炼过程中。热量主要来源电能。所以在炉膛内电流的流径路线及各路线的电流量的分布对炉膛内各区的温度分布和整个熔炼过程的进行有重要的影响，要注意保持三相电能的负荷平衡，这样才能提高产量，保证质量，降低电耗。
    （1）加料和捣炉要想使硅的熔炼炉达到优质高产的目的，除了要求良好的电炉参数，精良的原料，合理的配比之外，操作方法的好坏是十分重要的因素。合理的加料方法对料层结构，电极在炉内的稳定性和热能的充分利用，起着主导的作用。生产中，加料和捣炉是结合进行的。要根据熔炼过程的不同情况和特点，适时地完成加料、捣炉作业。为了保持炉内有良好的透气性，需要进行扎眼和捣炉。小捣炉根据炉况而进行，大捣炉一般每一个小时左右进行一次，捣炉要快要透，捣炉捣出的块料推向炉心，捣炉过程中不能边捣炉边加新料。一个电极区一个电极区进行捣炉的操作是不可取的，必须集中统一捣炉、统一加料，这样才能保持较高的熔炼温度。稳定炉子操作最重要的因素是保持料层中恒定的温度分布。如果炉膛温度分布受到[破坏，炉子操作会受严重干扰。生产中炉料的粒度和均匀程度，加料和出炉以及炉膛料面的处理都会影响电极运动。电极移动过大、过强的捣炉都会使炉子操作不稳定。
    （2）闭弧操作
    闭弧操作是将电极适当地埋入炉料中，以半熔融炉料为阻抗体，在电极和熔融炉料之间产生电弧。要想做到闭弧操作，首先就要考虑投料方法。投料方法有一次投料法、分次投料法、多次投料法。除一次投料法是明弧操作外，其他方法都可以做到闭弧操作。化学硅生产中，我们采用分次投料法，料层结构稳定，电耗低，炉龄长。操作中要处理好几个问题：一是要选择好适合的电气参数，使电极能有适当深度地插入料层；二是要想办法控制好炉料的比电阻；三是炉料粒度对硅的冶炼有重要影响，粒度过大和过小对炉况都不利。闭弧操作的优点是：①炉内料层结构能形成一个完整的体系，炉料依次下沉；②弧光不外露，料面上辐射热损失大大减少，保持高炉温，热效率提高，从而增加产量、提高产品质量和降低电耗。③能使电极消耗量达到平衡稳定，避免发生惦记折断事故。④料面的温度比较低，使料面上的设备受到的热腐蚀较轻，延长了设备的寿命，提高电炉设备的利用率。⑤粉尘较少，可使炉面操作有一个较好的操作环境。炉子无论大小，只要采取适当措施，都可以做到闭弧操作，获得理想的生产效果。
    （3）配电技术电弧炉是用电弧发生的热来进行加热的装置。在化学硅冶炼过程中，物理化学变化与电气制度有着紧密的联系。配电操作的好坏，对冶炼效率有十分重要的影响。电弧主要存在电末端，空腔受电弧冲击推力的作用，把物料腿开，形成灯泡形。熔炼过程中，电炉电气参数的控制是由配电工作完成的。一般情况下就是控制电极的埋入深度。浅埋电极，一般表明还原剂过剩，电极附近形成火眼，电弧声响亮，出炉硅温度低，数量少、电耗高。深埋电极，如果炉料中还原剂过少，电极将处于较低位置。因为炉料电阻随着炉料中碳的减少而增大，电阻增大使电流负荷下降，电极消耗增加，生产率降低。生产中，电极的埋入深度根据现场操作来确定。调节电极埋入深度就是改变炉料的电阻值，这是调节炉况的最佳手段。当电炉二次电压超过一定值后，电极会受损坏，硅的挥发损失增多，炉膛上部过热，热损失增大。二次电流，受电极允许电流密度的限制，也不能随意增大。
    电流电压的比值，是炉前操作的重要因素。电流电压比过小，电极下不去，明弧生产难操作。电流电压比过大，电极插入炉料过深，生产不够十分理想。生产中，只有找到适当的电流电压比时，工作电流稳定，物料均衡和电极即使升降，才能取得最好的生产成果。调整工作电压是调整炉子的生产率的重要手段。炉子工作电压取决于两个方面：一方面是短网结构，要求电效率要高，功率因素应适当。另一方面是炉况，包括炉体结构和生产操作情况，熔炼中工作电阻的阻值很关键，它易变动，应努力使其稳定并趋近最佳值。一般情况，为保证正常的料面温度，提高电压。包这个正常的料面温度在600°C左右。使用符合规格的原材料，炉料粒度大，电阻就小，支路电流大，电极不易深入。

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    金属硅（我国也称工业硅）是20世纪60年代中期出现的一个商品名称。它的出现与半导体行业的兴起有关。目前，国际通用作法是把商品硅分成金属硅和半导体硅。金属硅是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98%左右（近年来，含Si量99.99%的也包含在金属硅内），其余杂质为铁、铝、钙等。半导体硅用于制作半导体器件的高纯度金属硅，以多晶、单晶形态出售，前者价廉，后者价昂。因其用途不同而划分为多种规格。据统计，1985年全世界共消耗金属硅约50万吨，其中用于铝合金的金属硅约占60%，用于有机硅的不足30%，用于半导体的约占3%，其余用于钢铁冶炼及精密陶瓷等。