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硅的性質(zhì)
硅是自然界中分布最廣的元素之一，地殼中約含26.3%，僅次于氧元素，是介于金屬和非金屬之間的半金屬。硅晶體結(jié)構(gòu)決定了硅的物理化學性質(zhì)，硅具有與金剛石相似的正四面體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，硅原子之間通過共價鍵連接，因此硅具有硬度大，熔沸點高等性質(zhì)。
硅在常溫下很不活潑，是一種表面呈銀灰色金屬光澤的絕緣體，不溶于鹽酸和硝酸中，僅可溶于硝酸和氫氟酸的混合溶液與堿液。然而在高溫熔融狀態(tài)下，硅導(dǎo)電性極強，同時具有較大的化學活性，可與部分金屬互熔并生成硅的化合物，即使石英也能與之發(fā)生反應(yīng)。
在自然界中，硅主要是以氧化硅和硅酸鹽的形態(tài)存在。
工業(yè)硅的應(yīng)用
硅材料因其具有上述良好的物理化學性能，被廣泛的使用，尤其是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的興起，對硅的需求和質(zhì)量提出了更高的要求。冶金工業(yè)中硅以硅單質(zhì)或硅鐵合金形式大量應(yīng)用，工業(yè)硅廣泛應(yīng)用于光伏、有機硅、合金等行業(yè)。
光伏產(chǎn)業(yè)鏈示意圖
在光伏行業(yè)中，工業(yè)硅是制造多晶硅等材料的主要原料；工業(yè)硅還是有機硅的最主要原料，用于生產(chǎn)硅烷、硅酮、硅油等產(chǎn)品；在合金行業(yè)中，工業(yè)硅主要是作為非鐵基合金的添加劑，將硅加入到某些有色金屬中時，能提高基體金屬的強度、硬度和耐磨性，有時還能增強基體的鑄造性能和焊接性能；工業(yè)硅作為脫氧劑可除去金屬熔體中的溶氧；硅單質(zhì)作合金劑可提高鋼和某些合金的強度和耐蝕性，在鑄鐵中添加適量硅以制造高硅鐵合金，可顯著増強鑄鐵對多種化學試劑的抗腐蝕能力。
現(xiàn)今，工業(yè)硅已然成為硅基新材料產(chǎn)業(yè)鏈的主要上游產(chǎn)品，是很多國民經(jīng)濟重要部門的核心原料。隨著近年來綠色能源改革，光伏產(chǎn)業(yè)大力推行，我國的工業(yè)硅產(chǎn)能也表現(xiàn)為持續(xù)、快速、穩(wěn)定發(fā)展的特點。
工業(yè)硅的生產(chǎn)
工業(yè)硅是以硅石（石英砂）為原料，以碳質(zhì)材料為還原劑，通過在電弧爐中熔煉獲得。常用的還原劑主要有木炭、石油焦、煤等，它們可以將金屬硅從硅石中還原出來。硅石與還原劑在爐內(nèi)高溫環(huán)境下發(fā)生還原化學反應(yīng)。
工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程圖
生產(chǎn)得到的工業(yè)硅純度在98%~99%之間，雜質(zhì)來源于硅石和碳素材料（包括石油焦、精煤碳素電極等）。爐內(nèi)溫度是影響工業(yè)硅冶煉的重要因素，溫度的分布不僅影響著爐內(nèi)化學反應(yīng)的好壞，同時也對電弧爐設(shè)備有著不同程度的破壞，如電極的燒蝕、爐襯的破壞等。
電弧爐是利用電極之間產(chǎn)生的電弧的熱量來熔煉金屬的一種電爐，通常所說的電弧爐一般指煉鋼電弧爐。在電弧爐中，存在一個或多個電弧，通過電弧放電作用把電能轉(zhuǎn)變成熔煉物料所需的熱能。
通過上述生產(chǎn)的金屬硅大部分為塊狀，若以硅塊為原料進行破碎細化，一般采用球磨法、輥磨法、沖旋法可以生產(chǎn)工業(yè)硅粉，成品粒度通過工藝調(diào)節(jié)可以控制在30-425目范圍內(nèi)。
從上面的工業(yè)硅生產(chǎn)工藝流程可以看出，工業(yè)硅的生產(chǎn)流程相對簡單，但是其能源消耗相對較大，平均電耗高達13000kwh/t。有業(yè)內(nèi)專家從以下幾個方面提出節(jié)能措施：1）選用較好的硅源礦石作為工業(yè)硅的原料，并采用灰分低、活性高的碳質(zhì)還原劑進行生產(chǎn)；2）設(shè)計過程中，盡量選用最先進的熱電爐進行加工生產(chǎn)；3）從工藝操作上進行優(yōu)化，減少熱停及在布料過程中均勻性，能夠及時的進行搗爐等操作。
工業(yè)硅對硅石原料的要求
硅石的潔凈度
雜質(zhì)含量越高，爐口料面明顯發(fā)粘，爐口透氣性不好，料面溫度升高且發(fā)紅，熱量損失大，從而電耗升高；因此硅石的精選和水洗是減少硅石帶入雜質(zhì)，節(jié)能降耗的主要措施之一。
據(jù)了解，對于生產(chǎn)優(yōu)級工業(yè)硅的硅石，其氧化物雜質(zhì)含量應(yīng)達到Fe2O3小于0.15%，Al2O3小于0.20%，CaO小于0.15%。如果生產(chǎn)超優(yōu)質(zhì)工業(yè)硅，對氧化物雜質(zhì)的控制更嚴格，F(xiàn)e2O3小于0.1%，Al2O3小于0.15%，CaO小于0.10%，并對硅石中硼(B)磷(P)還有嚴格要求。
硅石的熱穩(wěn)定性和抗爆性
加入電爐的硅石要有足夠的熱穩(wěn)定和良好的抗爆性。否則會因為受熱很快破裂且表面迅速剝落，導(dǎo)致電爐透氣性變差，電爐上部爐料粘結(jié)，熱量損失增大，電耗升高，因此選用時要考慮此現(xiàn)象。
硅石的粒度
粒度過小，使得爐料透氣性差，粒度過大未反應(yīng)的硅石沉入爐底或進入硅溶液中造成渣量增多，使得電耗升高，因此需要控制硅石的粒徑范圍在50-120mm。
太陽能多晶硅的制備
近年來，隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，世界各國都在搶占光伏領(lǐng)域的制高點。多晶硅作為生產(chǎn)太陽能電池的原材料，其需求量呈大幅增漲趨勢。多晶硅被喻為光伏產(chǎn)業(yè)的“基石”，是硅產(chǎn)業(yè)鏈中極為重要的中間產(chǎn)品，也是集成電路和光伏產(chǎn)業(yè)最源頭的環(huán)節(jié)，是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的根基。
改良西門子法生產(chǎn)流程圖
太陽能多晶硅的制備技術(shù)主要有化學法和物理法。目前制備太陽能級多晶硅的主流工藝是化學法，約占全球產(chǎn)量的80%。物理法又叫做冶金法，類似于金屬冶煉提純過程。目前來說，化學法提純工業(yè)硅的純度更高，但是冶金法流程短，環(huán)境友好，成本低，更具發(fā)展前景。
冶金法制備太陽能級多晶硅流程圖
冶金法是指以工業(yè)硅為原料，采用濕法冶金、真空熔煉、氧化精煉、定向凝固、特種場熔煉等技術(shù)組合而制備太陽能級多晶硅的方法。冶金法的特點是在提純過程中硅不參與任何化學反應(yīng)，依靠硅與雜質(zhì)物理性質(zhì)的差異，通過冶金熔煉的方法將雜質(zhì)去除，從而獲得滿足太陽能電池性能需求的多晶硅，具有低成本、安全環(huán)保等優(yōu)點，成為該領(lǐng)域的研究熱點。
參考來源：
直流電弧爐工業(yè)硅冶煉過程的傳熱特性研究，徐龍，昆明理工大學
工業(yè)硅爐外精煉過程雜質(zhì)硼、磷反應(yīng)動力學與分子動力學模擬，何乃勇，昆明理工大學
工業(yè)硅生產(chǎn)工藝及節(jié)能探討，鄭紅梅等，中國恩菲工程技術(shù)有限公司
優(yōu)級工業(yè)硅的生產(chǎn)，唐琳等
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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