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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。

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。

光伏产业链示意图

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。

工业硅生产工艺流程图

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。

工业硅对硅石原料的要求

硅石的洁净度

杂质含量越高，炉口料面明显发粘，炉口透气性不好，料面温度升高且发红，热量损失大，从而电耗升高；因此硅石的精选和水洗是减少硅石带入杂质，节能降耗的主要措施之一。

据了解，对于生产优级工业硅的硅石，其氧化物杂质含量应达到Fe₂O₃小于0.15%，Al₂O₃小于0.20%，CaO小于0.15%。如果生产超优质工业硅，对氧化物杂质的控制更严格，Fe₂O₃小于0.1%，Al₂O₃小于0.15%，CaO小于0.10%，并对硅石中硼(B)磷(P)还有严格要求。

硅石的热稳定性和抗爆性

加入电炉的硅石要有足够的热稳定和良好的抗爆性。否则会因为受热很快破裂且表面迅速剥落，导致电炉透气性变差，电炉上部炉料粘结，热量损失增大，电耗升高，因此选用时要考虑此现象。

硅石的粒度

粒度过小，使得炉料透气性差，粒度过大未反应的硅石沉入炉底或进入硅溶液中造成渣量增多，使得电耗升高，因此需要控制硅石的粒径范围在50-120mm。

太阳能多晶硅的制备

近年来，随着全球光伏产业快速发展，世界各国都在抢占光伏领域的制高点。多晶硅作为生产太阳能电池的原材料，其需求量呈大幅增涨趋势。多晶硅被喻为光伏产业的“基石”，是硅产业链中极为重要的中间产品，也是集成电路和光伏产业最源头的环节，是发展电子信息产业和光伏产业的根基。

改良西门子法生产流程图

太阳能多晶硅的制备技术主要有化学法和物理法。目前制备太阳能级多晶硅的主流工艺是化学法，约占全球产量的80%。物理法又叫做冶金法，类似于金属冶炼提纯过程。目前来说，化学法提纯工业硅的纯度更高，但是冶金法流程短，环境友好，成本低，更具发展前景。

冶金法制备太阳能级多晶硅流程图

冶金法是指以工业硅为原料，采用湿法冶金、真空熔炼、氧化精炼、定向凝固、特种场熔炼等技术组合而制备太阳能级多晶硅的方法。冶金法的特点是在提纯过程中硅不参与任何化学反应，依靠硅与杂质物理性质的差异，通过冶金熔炼的方法将杂质去除，从而获得满足太阳能电池性能需求的多晶硅，具有低成本、安全环保等优点，成为该领域的研究热点。

参考来源：

直流电弧炉工业硅冶炼过程的传热特性研究，徐龙，昆明理工大学

工业硅炉外精炼过程杂质硼、磷反应动力学与分子动力学模拟，何乃勇，昆明理工大学

工业硅生产工艺及节能探讨，郑红梅等，中国恩菲工程技术有限公司

优级工业硅的生产，唐琳等

（中国粉体网编辑整理/平安）

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