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一文看懂工业硅及多晶硅

发布日期:2022-04-29 15:23:35 作者:超级管理员 点击:398

  1、硅的性质

  硅是自然界中分布最广的元素之一,地壳中约含26.3%,仅次于氧元素,是介于金属和非金属之间的半金属。硅晶体结构决定了硅的物理化学性质,硅具有与金刚石相似的正四面体稳定结构,硅原子之间通过共价键连接,因此硅具有硬度大,熔沸点高等性质。

  硅在常温下很不活泼,是一种表面呈银灰色金属光泽的绝缘体,不溶于盐酸和硝酸中,仅可溶于硝酸和氢氟酸的混合溶液与碱液。然而在高温熔融状态下,硅导电性极强,同时具有较大的化学活性,可与部分金属互熔并生成硅的化合物,即使石英也能与之发生反应。

  在自然界中,硅主要是以氧化硅和硅酸盐的形态存在。

  2、工业硅的应用

  硅材料因其具有上述良好的物理化学性能,被广泛的使用,尤其是太阳能光伏产业的兴起,对硅的需求和质量提出了更高的要求。冶金工业中硅以硅单质或硅铁合金形式大量应用,工业硅广泛应用于光伏、有机硅、合金等行业。

  在光伏行业中,工业硅是制造多晶硅等材料的主要原料;工业硅还是有机硅的最主要原料,用于生产硅烷、硅酮、硅油等产品;在合金行业中,工业硅主要是作为非铁基合金的添加剂,将硅加入到某些有色金属中时,能提高基体金属的强度、硬度和耐磨性,有时还能增强基体的铸造性能和焊接性能;工业硅作为脱氧剂可除去金属熔体中的溶氧;硅单质作合金剂可提高钢和某些合金的强度和耐蚀性,在铸铁中添加适量硅以制造高硅铁合金,可显著増强铸铁对多种化学试剂的抗腐蚀能力。

  现今,工业硅已然成为硅基新材料产业链的主要上游产品,是很多国民经济重要部门的核心原料。随着近年来绿色能源改革,光伏产业大力推行,我国的工业硅产能也表现为持续、快速、稳定发展的特点。

工业硅

  3、工业硅的生产

  工业硅是以硅石(石英砂)为原料,以碳质材料为还原剂,通过在电弧炉中熔炼获得。常用的还原剂主要有木炭、石油焦、煤等,它们可以将金属硅从硅石中还原出来。硅石与还原剂在炉内高温环境下发生还原化学反应。

  生产得到的工业硅纯度在98%~99%之间,杂质来源于硅石和碳素材料(包括石油焦、精煤碳素电极等)。炉内温度是影响工业硅冶炼的重要因素,温度的分布不仅影响着炉内化学反应的好坏,同时也对电弧炉设备有着不同程度的破坏,如电极的烧蚀、炉衬的破坏等。

  电弧炉是利用电极之间产生的电弧的热量来熔炼金属的一种电炉,通常所说的电弧炉一般指炼钢电弧炉。在电弧炉中,存在一个或多个电弧,通过电弧放电作用把电能转变成熔炼物料所需的热能。

  通过上述生产的金属硅大部分为块状,若以硅块为原料进行破碎细化,一般采用球磨法、辊磨法、冲旋法可以生产工业硅粉,成品粒度通过工艺调节可以控制在30-425目范围内。

  从上面的工业硅生产工艺流程可以看出,工业硅的生产流程相对简单,但是其能源消耗相对较大,平均电耗高达13000kwh/t。

  有业内专家从以下几个方面提出节能措施:

  1)选用较好的硅源矿石作为工业硅的原料,并采用灰分低、活性高的碳质还原剂进行生产;

  2)设计过程中,尽量选用最先进的热电炉进行加工生产;

  3)从工艺操作上进行优化,减少热停及在布料过程中均匀性,能够及时的进行捣炉等操作。


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