下面介紹金屬矽的冶煉工藝和流程。
1，生產化工用矽的必要性
我國金屬矽(矽含量主要為98.5%)的生產最初主要是冶金矽，化學金屬矽(矽含量主要為99.85%)的生產主要從90年代中期開始發展，我國化學矽的產量和出口快速增長。從1999到2001，中國對日本出口的化工矽分別達到2.2萬噸、3萬噸和4萬噸。2001年，中國對日本出口的化工矽占日本進口化工矽的40%以上。中國已經開始加入生產和供應化學矽的國家行列，生產化學矽的企業越來越多。自2002年上海廣濟矽材料有限公司全面公開碳熱還原熔煉工藝以來，2002-2004年間，我國金屬矽年產量從65438+萬噸迅速增長到1.2萬噸。因此，國家發展和改革委員會實施了全面制裁。2006年金屬矽實際產量回落至70萬噸。2006年，僅上海廣濟矽材料有限公司大武矽廠壹家，就在新疆邊陲成功建成萬噸金屬矽廠——晶鑫廠。其他公司已經建立了新的矽工廠。化學矽是指用於生產矽和多晶矽的金屬矽。在世界範圍內，冶金矽的消耗量超過了化學矽。但隨著科學技術的不斷發展，化學矽已廣泛應用於有機矽和半導體生產，廣泛用於生產有機矽單體和聚合物矽油、矽橡膠和有機矽樹脂，作為建築防腐防水劑。它們具有獨特的性能，如耐高溫、電絕緣、抗輻射和防水。用於電氣、航空、機械、化工、醫藥、國防、建築等部門。作為集成電路的核心，95%以上的電子元器件由半導體矽制成，半導體是當代信息產業的支柱。“信息高速公路”廣泛使用的光纜中的光纖也是金屬矽制成的。美國和歐盟的化學矽消費量已占金屬矽總消費量的壹半以上。作為高科技領域和重要的基礎產業，化學矽已得到廣泛應用，其消費量趨於穩定增長。在國際市場正常情況下，每噸化學矽的價格比冶金矽高300-400美元。因此，必須大力發展化學矽的生產，不僅要滿足出口和國內需求，還要提高金屬矽企業的經濟效益和產品質量。
2.化工矽生產的原料在化工矽的生產中，原料是良好運行的前提。應時巖用作生產化學金屬矽的原料，低灰分碳質材料用作還原劑。電爐法生產化學矽的原料主要有二氧化矽和碳素原料。碳素原料以石油焦為主，配以優質無煙煤或木炭，也可摻入壹些以增加爐料的比電阻。要求原料具有必要的純度和良好的反應能力，以符合產品規格；還原劑具有不同的反應能力，以便與石英石充分反應；爐料成分不同，粒度不同，通過適當的配合，爐料電爐可以產生良好的影響。
2.1.矽質礦物冶煉金屬矽的過程是無渣的，化矽冶煉對二氧化矽的選擇是嚴格的，不僅要求雜質少，而且要求機械強度高，有足夠的熱穩定性和合適的粒度組成。二氧化矽最適合用於化學矽熔化。二氧化矽的天然形式要麽作為獨立的應時礦物存在，要麽作為幾乎完全由二氧化矽-二氧化矽或二氧化矽形式的砂巖組成的巖石存在。用於生產化學矽的含氧化矽礦物中的雜質和粘附物被完全還原，有的被還原，有的以化合物的形式進入產品矽或在冶煉過程中生成熔渣。這不僅增加了能耗，降低了產品質量，而且給冶煉過程帶來困難。因此，化學煉矽所用的含氧化矽礦物的化學成分要求嚴格。要求SiO2大於99%，Fe2O3小於0.15%，Al2O3不大於0.2%，CaO不大於0.1%，雜質總量不大於0.6%。所用的二氧化矽必須用水清洗，熔化前表面必須幹凈。
進入熔爐的二氧化矽需要壹定的粒度。二氧化矽的粒度是熔煉中壹個重要的工藝因素。二氧化矽合適的粒度受多種因素影響，如二氧化矽的種類、電爐、容量、操作條件、還原劑的種類和粒度等，根據具體冶煉條件確定。壹般來說，6300KVA三相電爐(1983在大武矽廠完成)要求二氧化矽粒度為8-100mm，3200KVA三相電爐要求二氧化矽粒度為8-80mm，中間粒度成分比例較大。當粒度過大時，未反應的二氧化矽由於不能適應搗固爐的粘結劑和反應速度，容易進入液態矽中，導致渣量增加，出鋼困難，矽的回收率降低，能耗增加，甚至爐底上漲，影響正常生產。如果粒徑過小，可以增加還原劑的接觸面，有利於還原反應，但反應過程中產生的氣體不能順利排出，會減慢反應速度。顆粒尺寸太小。帶入的雜質又會增加，影響產品質量。壹般情況下，小於5mm的二氧化矽不應用於生產。
2.2碳質還原劑化學矽冶煉中使用的主要還原劑有石油焦、煙煤和木炭。為了增加爐料的電阻率和化學活性，還配以氣煤焦、矽焦、蘭炭、半焦、低溫焦和木塊。在碳質還原劑的化學成分中，應主要考慮固定碳、灰分、揮發分和水。壹般要求固定碳高，所需還原劑總量減少，使灰帶來的雜質少，渣量相應減少，降低電耗，降低化矽中雜質含量。碳質還原劑具有較高的電阻率和孔隙率。電荷的電阻率主要取決於含碳還原劑。碳質還原劑電阻率高，化學活性好，矽回收率高。
石油焦是生產金屬矽所用還原劑中灰分最低的，灰分0.17-0.6%，固定碳90-95%，揮發分不超過3.5%-13%。石油焦灰分低，在化矽冶煉中用作還原劑，有利於提高產品質量。但由於石油焦電阻率低，反應性差，高溫下容易石墨化。當用量過大時，爐況難以控制，造成不燒結，火燒嚴重，電耗高，出鋼困難。
木碳比電阻高，反應能力強，雜質含量低，是工業化學熔矽的理想還原劑。但是，不同的木材，不同的方法制成的木炭的性質也有很大的不同。去皮木炭的灰分通常比帶皮木炭低二分之壹到三分之壹，樹皮對木炭的灰分影響很大。木炭的主要成分是碳，灰分含量相對較低，壹般小於10%。高電阻率和良好的化學活性。多年的生產實踐證明，木炭是滿足冶煉化學矽需要的重要碳質原料，但木炭來源有限，不能再使用木炭還原劑。
從國外的情況來看，大多數國家已經不使用木炭了。國內許多廠家在尋求和使用木炭替代品方面也做了大量工作。實踐證明，就反應能力和比電阻而言，煙煤是除木炭之外的理想還原劑。
煙煤的特點是阻力大，反應能力強，通過洗選得到低灰煙煤。灰分可達3%左右，Fe2O3含量可達0.2-0.3%，Al2O3含量小於1%。我國還原劑煙煤的灰分在3%以上，而國外還原劑煙煤的灰分在1%左右。蘇聯對煙煤進行化學分選，可以得到氧化鐵含量小於0.1%的精煤。煙煤代炭冶煉工藝專利由上海廣濟矽材料有限公司和鄂爾多斯電力冶煉有限責任公司擁有..木塊的作用是增加料層的阻力，木塊的多少對爐況有影響。木塊量過大，料層疏松，爐況變差，電耗上升。由於燃點和含碳量低，木塊實際上被用作還原劑。
炭素原料中的雜質主要是灰分，都是由氧化物組成的。在化工生產中，灰中的氧化物也被還原，既消耗電能又消耗碳，還原後的雜質仍混入矽液中，降低了矽的強度。在生產實踐中，爐料中每增加1%的灰分，將消耗100 -120度電。所以要求炭素原料中灰分含量越少越好。
2.3電極電極是生產工業矽的主要消耗材料之壹。化學矽冶煉壹般采用石墨電極和碳電極。目前，國內主要使用石墨電極。
在矽熔煉爐中，電極是心臟，是導電系統的重要組成部分。電流通過電極輸入熔爐產生電弧，用於化學矽冶煉。對電極材料的要求:(1)良好的導電性和低電阻率以減少功率損耗。(2)熔點要高，熱膨脹系數要小，不易變形；(3)在高溫下具有足夠的機械強度，雜質含量低。石墨電極因其灰分低、導電性好、耐熱、耐腐蝕而成為化學矽冶煉的最佳選擇。
3.化學工業用矽的冶煉工藝
化學矽的工藝流程包括爐料準備、電爐熔煉、矽精煉和澆鑄、除渣和破碎。在配料之前，所有的原材料都應進行必要的處理。在顎式破碎機中將二氧化矽破碎至不超過100mm的尺寸，篩出小於5mm的碎片並用水清洗。由於爐內碎片在爐上部熔化，爐料透氣性降低，生產過程困難。石油焦具有較高的導電性，應將其粉碎至不大於10mm的粒度，並控制石油焦的粉末量。因為直接在爐口上燃燒，會造成還原劑不足。
在化工矽生產中，煙煤完全可以替代木炭，如湖南株洲精洗煙煤，固定炭達到77.19%，揮發分19.4%，灰分3.41%，Fe2O3含量0.22%，Al2O3含量0.99%，CaO含量0.17%。通過生產實踐，用這種煙煤冶煉工業矽是可行的。
用來生產化學矽的木塊和木片是用木工刀具和木片加工的。爐料中的碳質還原劑主要是石油焦和煙煤，木塊和木屑的量取決於爐況。生產中不使用木材，但產品質量更穩定。收費比例取決於所需的產品水平。石油焦和煙煤的比例根據每批礦石矽所需的碳量確定。石油焦與煙煤的配比對爐料的工作電阻有很大影響。
稱取爐料各組分後，混合均勻，搗爐後，將混合均勻的爐料集中加入爐內。保持壹定的料位高度，均勻給料。
化學矽生產是連續的。熔爐中的條件不是永恒的。化學矽生產是在電爐中將電能轉化為熱能，然後用熱能直接加熱物料，使之發生化學反應的過程。因此，爐內的電氣特性非常重要。為了維護高溫爐，提高電爐的熱效率和利用率，本研究采用了容量為3200KVA和6300KVA的金屬矽爐。熔煉是通過壹定時間的燜燒，每隔壹段時間集中投料進行的。壹般情況下，包袱很難自動下沈，壹般需要強制下沈。爐況容易波動，難以控制。所以在生產中壹定要正確判斷，及時處理。每4小時出爐壹次，精煉澆鑄，破碎撿渣入庫。
4.電爐操作化學矽冶煉是在埋弧狀態下進行的。為了生產穩定和均勻的金屬矽，必須實施最佳的熔爐操作。熱量的主要來源是電能。因此，電流在爐內的流動路徑以及電流在各路徑上的分布對爐內各區域的溫度分布以及整個冶煉過程有著重要的影響。應註意保持三相電能的負荷平衡，以提高產量，保證質量，降低電耗。
4.1裝料搗打爐要實現矽熔煉爐優質高產的目標，除了良好的電爐參數、優良的原料、合理的配比外，操作方法的好壞是壹個非常重要的因素。合理的加料方式對料層的結構、電極在爐內的穩定性以及熱能的充分利用起著主導作用。在生產中，裝料和搗固結合在壹起。根據冶煉過程的不同條件和特點，裝料和搗固作業應及時完成。為了保持爐內良好的透氣性，需要打孔搗爐。小型搗固爐根據爐況進行，大型搗固爐壹般每小時左右進行壹次。搗固爐即將穿透，搗固爐搗固的磚塊被推向爐心。搗爐時不允許添加新材料。不建議在壹個電極區和壹個電極區蓋章爐。有必要在爐子的中心均勻地沖壓，以保持較高的熔化溫度。穩定爐子操作的最重要因素是保持材料層中恒定的溫度分布。如果爐內溫度分布被破壞，爐子的運行將受到嚴重幹擾。爐料的粒度和均勻性、裝料和出料、爐料表面的處理都會影響生產中的電極運動。電極移動過大和強搗固爐子會使爐子運行不穩定。
4.2閉弧操作
關弧操作是將電極適當埋入爐料中，利用半熔化的爐料作為電阻，在電極和熔化的爐料之間產生電弧。要想收弧，首先要考慮進給方式。飼餵方法包括壹次飼餵法、分次飼餵法和多次飼餵法。除了壹次性進給法是開弧操作外，其他方法都可以實現閉弧操作。在工業矽生產中，我們采用分階段加料的方法，料層結構穩定，電耗低，爐齡長。操作中要處理好幾個問題:首先，要選擇合適的電參數，使電極能以合適的深度插入材料層；二要想辦法控制負擔的具體阻力；第三，爐料粒度對矽的冶煉有重要影響，粒度過大或過小都對爐況不利。閉弧操作的優點是:①爐內料層結構能形成完整體系，爐料依次下沈；(2)不暴露弧光，大大減少物料表面的輻射熱損失，保持較高的爐溫，提高熱效率，從而增加產量，提高產品質量，降低電耗。(3)電極消耗平衡穩定，避免漏斷事故。(4)物料表面溫度相對較低，使物料表面的設備受到的熱腐蝕較少，延長了設備的使用壽命，提高了電爐設備的利用率。⑤粉塵少可以為爐面操作提供更好的操作環境。無論爐子大小，只要采取適當的措施，都可以關閉電弧，獲得理想的生產效果。
4.3配電技術電弧爐是利用電弧產生的熱量進行加熱的裝置。在化學矽冶煉過程中，物理化學變化與電氣系統密切相關。配電運行質量對冶煉效率有非常重要的影響。電弧主要存在於電端，電弧的沖擊力推動空腔，使材料的腿部展開，形成燈泡狀。在冶煉過程中，電爐電參數的控制是通過配電來完成的。壹般來說，就是控制電極的埋深。淺埋電極壹般說明還原劑過剩，電極附近形成火孔，電弧聲大，出矽溫度低，量少，耗電高。埋入式電極，如果爐料中還原劑太少，電極將處於較低的位置。因為爐料的電阻隨著爐料中碳的減少而增加，所以電流負載減少，電極消耗增加，生產率降低。在生產中，電極的埋深根據現場操作來確定。調節電極埋深就是改變爐料的電阻值，這是調節爐況的最好手段。電爐二次電壓超過壹定值，電極會損壞，矽的揮發損失增加，爐上部過熱，熱損失增加。二次電流受電極允許電流密度的限制，不能隨意增加。
電流與電壓之比是熔爐操作中的壹個重要因素。電流電壓比太小，電極下不去，開弧生產操作困難。電流電壓比太大，電極插入爐料太深，生產不夠理想。在生產中，只有找到合適的電流電壓比，工作電流穩定，物料平衡，電極升降，才能達到最佳的生產效果。調節工作電壓是調節爐子生產率的重要手段。爐子的工作電壓取決於兩個方面:壹方面，短網結構要求電氣效率高，功率因數合適。另壹方面是爐況，包括爐型結構和生產操作。工作電阻的阻值在冶煉中至關重要，且容易變化，應盡量使其穩定並接近最佳值。壹般來說，為了保證正常的材料表面溫度，要提高電壓。正常材料表面溫度在600℃左右，使用符合規格的原料，電荷粒徑大，電阻小，支路電流大，電極不易擊穿。