金属硅是怎样炼成的（四-五）

一、金属硅生产过程中重要的副产物—硅微粉

硅微粉(CAS 69012-64-2， EINECS 273-761-1，英文名fumed silica) 是二氧化硅的一种无定型（非结晶）多晶形物。一般来讲，每生产1吨金属硅可副产0.3-0.5吨硅微粉。

硅微粉有时会与气相白炭黑混淆（CAS 112945-52-5, EINECS 231-545-4，英文名silica fume)。硅微粉平均粒径150纳米，比水泥颗粒小100倍，比表面积为15~30平方米/克，而气相白炭黑的原生颗粒粒径只有约5~7纳米，比表面积则高达150~300平方米/克。

硅微粉主要应用领域是作为高性能混凝土的增强填料，特别是提高其综合强度、粘结强度和耐磨性。添加硅微粉后还能降低氯离子对混凝土的渗透性，防止混凝土中的钢筋被腐蚀。此外，硅微粉也大量的应用于陶瓷和耐火材料等领域。

减少硅微粉的产生可以直接降低还原剂和电力的消耗，从而降低成本。一般通过优化生产工艺及物料配比可以实现。

提高硅微粉回收率和产品品质，可以增加企业效益。

二、金属硅生产过程中的余热回收

金属硅的生产是通过电弧放电提供瞬间高温将二氧化硅融化，再以碳或石墨使之还原，因此金属硅的生产是高能耗的，大量电能最终转化为热能，这部分热能是否能回收对成本的影响是巨大的。

当前我国金属硅冶炼仍有不少企业通过人工配料，采用炉膛敞开式的电弧炉来冶炼金属硅。在电弧炉进行的还原反应过程中，有大量的热能通过辐射和对流的方式从炉膛敞开处直接散失到了周围大气中；另外，冶炼反应产物CO等可燃气体也通过自然引流的方式从冶炼炉的烟囱直接排入到大气中，其携带的化学能也未能得到有效利用。

下图为挪威Nork Energi的一个典型的余热回收工艺能量平衡图，根据他们的模型，金属硅装置中的电耗中只有25-30%可以被回收。

目前来看，国内对于余热回收方面仍然有较大的差距。国内也有企业在上马余热回收装置，利用余热发电或回收蒸汽，但总体来说仍处于摸索阶段。这也是国内企业所面临的主要挑战之一。下图为典型的余热回收装置图。

三、副产物回收以及余热回收的意义

做好余热和硅微粉回收的经济意义重大，假设有A,B两家企业产品规格、装置、原料、管理完全相同，A回收了20%的余热并发电自用，同时回收了0.3t/t的硅微粉并将其在市场出售，B则完全不回收余热，且硅微粉产生量估计为0.5t/t金属硅（根据原料核算）且完全未回收。

则在现有条件下，A每吨金属硅产品实现的效益要比B高出2500~3000元左右，相当于利润提高了约20个百分点。（以上计算未考虑率折旧及财务成本，管理成本）

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

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金属硅生产过程中的危险性分析

硅粉的物化性质

标识	中文名	硅粉		分子式	Si	危险性类别	第4.1类易燃固体
	别名	无定型硅粉		分子量	28.09	危险货物编号	41510
	英文名	Silicon		UN号	1346	CAS号	7440-21-3
理化性质	外观与性状	黑褐色无定形非金属粉末或硬而有光泽的晶体				溶解性	不溶于水，不溶于盐酸、硝酸，溶于氢氟酸、碱液。
	熔点	1410℃	沸点		2355℃	燃烧热	889.5kJ/mol
	相对密度 （空气=1）	无资料	相对密度 （水=1）		2.3（20℃）	饱和蒸汽压	0.13kPa（1724℃）
燃爆危险与消防	燃烧性	易燃	引燃温度		雾状约775℃	火灾危险性类别	乙类
	爆炸下限	160g/m3	闪点		无意义	燃烧分解产物	氧化硅
	危险特性	与碳酸碱、钙、氯、氟等剧烈反应。粉尘遇火焰或与氧化剂接触发生反应，有中等程度危险性。
	灭火方法	采用干粉、干砂灭火。禁止用水、二氧化碳灭火。
	健康危害	本品对人体无毒。高浓度吸入引起呼吸道轻度刺激，进入眼内作为异物有刺激性。LD50: 3160mg/kg(大鼠口径)
	防护措施	工程控制：密闭操作，局部通风。 呼吸系统防护：一般不需要特殊防护，建议特殊情况下，佩戴自吸过滤式防毒面具。 眼睛防护：一般不需要特殊防护，高浓度接触时可戴安全防护眼镜。 身体防护：穿一般作业防护服。 手防护：戴一般作业防护手套。 其它：工作服、帽等要定期清洗。工作完毕，淋浴更衣。保持良好卫生习惯。
急救与应急	急救措施	吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道畅通。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 食入：饮足量温水，催吐。就医。
	应急处理	隔离泄漏污染区，限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿一般作业工作服。小量泄漏：避免扬尘，用洁净的铲子收集于干燥、洁净、有盖的容器中。大量泄漏：用水润湿，然后转移回收。

金属硅的危险特性及常见处理

燃爆危险与消防	燃烧性	易燃	引燃温度	雾状约775℃	火灾危险性类别	乙类
	爆炸下限	160g/m3	闪点	无意义	燃烧分解产物	氧化硅
	危险特性	与碳酸碱、钙、氯、氟等剧烈反应。粉尘遇火焰或与氧化剂接触发生反应，有中等程度危险性。
	灭火方法	采用干粉、干砂灭火。禁止用水、二氧化碳灭火。
	健康危害	本品对人体无毒。高浓度吸入引起呼吸道轻度刺激，进入眼内作为异物有刺激性。LD50: 3160mg/kg(大鼠口径)
	防护措施	工程控制：密闭操作，局部通风。 呼吸系统防护：一般不需要特殊防护，建议特殊情况下，佩戴自吸过滤式防毒面具。 眼睛防护：一般不需要特殊防护，高浓度接触时可戴安全防护眼镜。 身体防护：穿一般作业防护服。 手防护：戴一般作业防护手套。 其它：工作服、帽等要定期清洗。工作完毕，淋浴更衣。保持良好卫生习惯。
急救与应急	急救措施	吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道畅通。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。 食入：饮足量温水，催吐。就医。
	应急处理	隔离泄漏污染区，限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴防尘面具（全面罩），穿一般作业工作服。小量泄漏：避免扬尘，用洁净的铲子收集于干燥、洁净、有盖的容器中。大量泄漏：用水润湿，然后转移回收。

生产过程中主要安全风险

金属硅生产过程中容易出现问题的环节

1. Eruption of process gas and water vapor from the reduction furnace

还原炉的工艺气体和水蒸气爆发

2. Water vapor explosion due to water trapped inside hot metal

热金属硅里面的水而发生水蒸气爆炸

3. Explosion in the granulation Process造粒工艺发生爆炸

4. Dust explosions 粉尘爆炸

5. Skin burning from hot metal or hot gas 被热金属或热气体灼伤皮肤

为了防范安全事故以及最大程度的减少事故的危害性，我们需要做到如下几点：

1、Supervising all water courses to detect size and place for leakages 监督所有水源，测定泄漏的规模和位置

2、Development of furnace equipment with improved standard versus water leakages 用改进标准开发炉设备应对水泄漏

3、Establish limits for water leakages with huge safety margin 以巨大的安全边际建立水泄漏限制措施

4、Water courses may be closed in safe distance from the silicon furnace 在炉子的安全距离内关闭水源

5、Comprehensive training for operators and engineers 对操作工和工程师进行综合培训

6、Realistic training in emergency situation 在应急场合进行实际培训

7、The knowledge built into standard operation procedures (EBS)知道积累标准操作步骤（EBS)

8、OPEN INTERNAL AND EXTERNAL INFORMATION公开内部和外部信息

近些年来，金属硅生产的安全事故屡见不鲜，对人类生命以及周围环境都造成了无可挽回的损害。因此企业方对于安全生产以及事故预警处理等的培训尤为重要。

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