長期以來，金屬硅煉鋼屬于高品位硅的生產(chǎn)。 隨著國家能源新政的趨嚴(yán)和節(jié)能降耗的落實(shí)，以及新能源的提倡，金屬硅煉鋼早已成為中間產(chǎn)品和中間過程，國外許多新興能源企業(yè)紛紛建設(shè)金屬硅、砷化鎵、多晶硅、太陽能電池板等一系列循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，必將影響未來幾年我國整個能源領(lǐng)域的發(fā)展和新能源的應(yīng)用。

下面介紹煉鋼工藝和金屬硅的工藝流程。

;1. 實(shí)體工業(yè)生產(chǎn)硅的必要性

我國生產(chǎn)的金屬硅（硅純度主要為98.5%）原以冶金用硅為主，20世紀(jì)90年代中期開始發(fā)展物理用金屬硅（硅純度主要為99.85%）生產(chǎn)。 近年來，我國物理用硅產(chǎn)值和出口量下降較快。 1999年至2001年，我國對韓國出口物理硅分別達(dá)到2.2萬噸、3萬噸、4萬噸。 2001年我國對韓國出口的實(shí)體硅占法國實(shí)體硅進(jìn)口的40%以上。 . 現(xiàn)在我國已經(jīng)開始加入實(shí)體用硅生產(chǎn)供應(yīng)商行列，實(shí)體用硅生產(chǎn)企業(yè)不斷減少。 由于北京廣濟(jì)硅材料有限公司于2002年全面公開了碳熱還原煉鐵工藝，2002年至2004年我國金屬硅產(chǎn)能從10萬噸/年迅速增加到120萬噸/年。 國家發(fā)改委因此對其進(jìn)行全面制裁。 2006年金屬硅實(shí)際產(chǎn)值上升到70萬噸。 2006年，只有北京廣濟(jì)硅材料有限公司的大午硅廠在山西邊區(qū)成功建成了萬噸級金屬硅廠——晶鑫廠。 其他人則建立了新的硅工廠。 物理用硅是指用于生產(chǎn)有機(jī)硅和硅片的金屬硅。 從全球范圍來看，目前冶金硅的消費(fèi)量小于物理硅，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，物理硅在有機(jī)硅和半導(dǎo)體生產(chǎn)中的使用不斷擴(kuò)大，有機(jī)硅單體和高分子硅油、硅橡膠、硅樹脂建筑防腐、防水劑等，具有耐低溫、電絕緣、耐輻射、防水等獨(dú)特性能。 應(yīng)用于電氣、航空、機(jī)械、化工、制藥、國防、建設(shè)等部門。 作為集成電路的核心，95%以上的電子元器件由半導(dǎo)體硅制成，半導(dǎo)體是當(dāng)代信息產(chǎn)業(yè)的支柱。 “信息高速公路”中廣泛使用的光纜中的光纖也是由金屬硅制成的。 如今，俄羅斯和歐共體物理用硅的消費(fèi)量已占到金屬硅總消費(fèi)量的一半以上。 物理用硅作為高新技術(shù)領(lǐng)域和重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其消費(fèi)量呈穩(wěn)步下降趨勢。 國際市場正常情況下，物理用硅每公斤比冶金用硅貴300-400歐元。 因此，無論是滿足出口和國外需求，還是提高金屬硅企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提高產(chǎn)品質(zhì)量，都需要大力發(fā)展物理用硅的生產(chǎn)。

2、化學(xué)硅生產(chǎn)原料 在物理硅生產(chǎn)中，原料是良好運(yùn)營的前提。 以石英巖為原料生產(chǎn)物理金屬硅，以低酸值的碳質(zhì)物質(zhì)為還原劑。 電爐法生產(chǎn)物理硅的原料主要有方解石和炭素原料。 炭素原料主要是石油焦。 有優(yōu)質(zhì)褐煤或木炭，也可摻入一部分，以降低爐料的電阻率。 要求原料具有必要的含量和良好的反應(yīng)性，便于達(dá)到產(chǎn)品的尺寸； 還原劑具有不同的反應(yīng)性，使其能與石英石充分反應(yīng)； 爐料成分不同，細(xì)度不同，通過適當(dāng)?shù)呐浜希阌谑範(fàn)t料電爐發(fā)揮良好的效果。

2.1. 氧化硅礦物煉鋼金屬硅的工藝是無渣工藝。 物理硅煉鋼方解石的選擇比較嚴(yán)格。 除了雜質(zhì)濃度要低外，還要求機(jī)械硬度高，有足夠的熱穩(wěn)定性，細(xì)度合適。 學(xué)位構(gòu)成。 物理煉硅最好用方解石。 在自然狀態(tài)下，二氧化硅要么以孤立的石英礦物形式存在，要么以二氧化硅（一種幾乎完全由二氧化硅組成的巖石）形式存在，或者以方解石形式的花崗巖形式存在。 在冶煉過程中，用于物理制硅的富硅礦物中的雜質(zhì)和附著物，有的被完全還原，有的被部分還原，有的以化合物形式進(jìn)入產(chǎn)品硅或產(chǎn)生熔渣。 除了降低能耗和產(chǎn)品質(zhì)量外，這也給冶煉過程帶來了困難。 因此，對煉硅所用含硅礦物的物理成分有嚴(yán)格的要求。 要求SiO2小于99%，大于0.15%，不小于0.2%，CaO不小于0.1%，雜質(zhì)總和不小于0.6%。 使用的方解石在冶煉前必須用水清洗，以保持表面清潔。

方解石入爐要求有一定的細(xì)度。 方解石的細(xì)度是煉鋼的重要工藝因素。 方解石的適宜細(xì)度受方解石種類、電爐、容量、操作條件、還原劑種類和細(xì)度等多種因素影響，應(yīng)根據(jù)具體煉鋼條件確定。 通常，單相電爐（大午硅廠建于1983年）要求方解石的細(xì)度為8-，單相電爐要求方解石的細(xì)度為8-80mm，比例為中間細(xì)度較大。 粒徑過大時，未反應(yīng)的方解石因不能適應(yīng)爐內(nèi)結(jié)合劑和反應(yīng)速度，易進(jìn)入液態(tài)硅中，造成出渣量增加，顯露困難，硅回收率提高，減少煤炭消耗。 造成爐底下墜，影響正常生產(chǎn)。 如果粒徑太小，雖然可以減少還原劑的接觸面，有利于還原反應(yīng)，但反應(yīng)過程中產(chǎn)生的二氧化碳不能順利排出，會降低反應(yīng)速率。 粒子穿越時間。 帶入的雜質(zhì)又會增加，影響產(chǎn)品質(zhì)量。 生產(chǎn)中不應(yīng)使用大于5mm的方解石。

2.2 碳質(zhì)還原劑 物理 硅鋼生產(chǎn)中使用的還原劑主要有石油焦、煙煤和木炭。 為降低爐料內(nèi)阻率，降低物理活度，還與氣煤、硅焦、蘭炭、半焦、低溫焦、木塊等配套使用。 在含碳還原劑的物理成分中，主要考慮固定碳、灰分、揮發(fā)分和水。 一般要求固定碳高，減少所需還原劑的總量，進(jìn)而降低酸值帶來的雜質(zhì)，相應(yīng)減少出渣量，降低電能消耗，提高物理中雜質(zhì)濃度硅。 碳質(zhì)還原劑的內(nèi)電阻率要大，孔隙率要高。 裝料的內(nèi)電阻率主要取決于碳質(zhì)還原劑。 該碳質(zhì)還原劑內(nèi)阻高，物理活性好，硅回收率高。

石油焦是生產(chǎn)金屬硅所用還原劑中酸值最低的，含酸值0.17-0.6%，固定碳90-95%，揮發(fā)分不低于3.5%-13%。 石油焦由于酸值低，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，在物理上用作硅鋼煉鋼的還原劑。 但由于石油焦內(nèi)阻低，反應(yīng)性差，低溫下易石墨化，用量過大時，爐況不易控制，造成爐料不焙燒，嚴(yán)重刺傷，耗電量大，出爐困難。

木炭比內(nèi)阻和反應(yīng)能力高，但雜質(zhì)濃度低，是冶煉工業(yè)硅的理想還原劑，但不同木材和不同方法制成的木炭性能也有很大差異。 去皮木炭的堿度濃度一般比去皮木炭低二分之一到三分之一，樹根對木炭中酸值的濃度影響很大。 木炭的主要成分是碳，酸值較低，一般大于10%。 內(nèi)阻高，體力活動好。 多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，木炭是滿足煉鋼物理硅需要的重要碳質(zhì)原料，但木炭來源有限，不能再使用木炭還原劑。

從美國的情況來看，大部分國家已經(jīng)不再使用木炭了。 許多國外廠商在尋找和使用木炭替代品方面也做了大量工作。 實(shí)踐證明，在各種含碳還原劑中，褐煤在反應(yīng)能力和比內(nèi)阻方面是除木炭外另一種理想的還原劑。

褐煤的特點(diǎn)是電阻值大，反應(yīng)能力強(qiáng)，通過水洗得到低酸值褐煤。 堿度濃度可達(dá)3%左右，濃度可達(dá)0.2-0.3%，濃度可達(dá)1%以上。 目前我國還原劑褐煤堿度濃度在3%以上，而美國還原劑褐煤堿度濃度多在1%左右。 南斯拉夫采用物理法選褐煤，可獲得高于0.1%的氧化鐵濃度。 原煤。 褐煤代木炭煉鐵工藝專利由北京廣濟(jì)硅材料有限公司和內(nèi)蒙古電力煉鋼有限公司共同擁有，鐵塊的作用是降低材料的內(nèi)阻層，劑量的大小會影響爐況。 鐵塊用量過大，料層疏松，爐況惡化，能耗增加。 由于鐵塊的燃點(diǎn)低，含碳量低，還原劑的實(shí)際用量很少。

炭素原料中的雜質(zhì)主要是酸值，均由氧化物組成。 在物理生產(chǎn)中，酸值中的氧化物也被還原，既耗電又耗碳，還原后的雜質(zhì)仍混入硅液中，增加了硅的硬度。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，爐料堿度每降低1%，就會多耗電100-120度。 因此，碳原料中的堿度濃度越低越好。

2.3 電極 電極是生產(chǎn)物理用硅的主要消耗材料之一。 物理用硅鋼的電極通常使用石墨電極和碳電極。 目前國外主要使用石墨電極。 在硅鋼煉鋼爐中，電極是腎臟，是導(dǎo)電系統(tǒng)的重要組成部分。 電壓通過電極輸入爐內(nèi)形成電弧，用于物理硅煉鐵。 對電極材料的要求：（1）導(dǎo)電性能好，電阻率低，減少電能損耗。 (2)熔點(diǎn)要高，熱膨脹系數(shù)要小，不易變形； (3)具有足夠的低溫機(jī)械硬度和低雜質(zhì)濃度。 石墨電極酸價濃度低，導(dǎo)電性能好，耐熱、耐腐蝕，是物理硅煉鋼的最佳選擇。

3、化工用硅煉鋼工藝

物理用硅的工藝流程包括爐料準(zhǔn)備、電爐冶煉、硅精煉和鑄造、破碎除渣。 所有原材料在配制爐料前必須經(jīng)過必要的處理。 方解石在顎式破碎機(jī)中破碎至粒度不小于5mm，大于5mm的塊篩出，用水洗凈。 由于碎磚在爐內(nèi)汽包下部熔化，增加了爐料的透氣性，使生產(chǎn)過程無法進(jìn)行。 石油焦具有較高的導(dǎo)電率，因此必須破碎到不小于10mm的粒度，并且必須控制石油焦粉的用量。 因?yàn)橹苯釉诠目谏先紵?，會?dǎo)致還原劑不足。 在物理用硅的生產(chǎn)中，褐煤完全可以替代木炭。 如安徽蕪湖精洗褐煤，固定碳含量77.19%，揮發(fā)分19.4%，堿度濃度3.41%，濃度0.22%，濃度0.99%，CaO濃度為0.17%。 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，使用這種褐煤煉鋼物理硅是可行的。 用于生產(chǎn)物理用硅的鐵錠和木屑是用切割機(jī)和木材削片機(jī)加工的。 爐料中的碳質(zhì)還原劑主要是石油焦和褐煤，鐵和木屑的用量視爐況而定。 生產(chǎn)不使用木材，但產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定。 加料比例根據(jù)所生產(chǎn)產(chǎn)品的等級確定。 石油焦和褐煤的比例根據(jù)每批礦石硅所需碳量確定。 石油焦與褐煤的配比對裝料的工作內(nèi)阻影響很大。 爐料各組分稱量后，將爐料混合均勻，經(jīng)搗爐后，將混合均勻的爐料放入爐內(nèi)。 料面保持一定高度，進(jìn)料均勻。 物理硅生產(chǎn)是連續(xù)的。 爐內(nèi)的條件也不是永恒的。 物理硅生產(chǎn)是在電爐中將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再利用熱能直接加熱物料，形成物理反應(yīng)的過程。 因此，爐子的電氣特性極為重要。 冶煉實(shí)行閉路電弧作業(yè)，維持低溫爐膛，提高熱效率，提高電爐利用率。 研究中使用的容量為一爐一金屬硅爐。 冶煉采用文火一定時間、定期集中投料的方式進(jìn)行。 一般情況下爐料無法人工下料，通常需要強(qiáng)制下料。 爐況容易波動，難以控制。 因此，在生產(chǎn)中必須正確判斷并及時處理。 爐內(nèi)每4小時燒一次精鑄，爐渣破碎后分揀入庫。

4、電爐操作物理硅冶煉是在埋弧狀態(tài)下進(jìn)行的。 為了生產(chǎn)恒定均勻的金屬硅，有必要在熔煉過程中實(shí)施最佳爐操作。 主要的熱源是電。 因此，汽包內(nèi)電壓的流動路線和各線電壓的分布情況，對汽包各區(qū)域的溫度分布和整個冶煉過程的進(jìn)行有重要影響。 注意保持單相電能的負(fù)荷平衡，這樣才能提高產(chǎn)值，保證質(zhì)量，降低能耗。

4.1 加料和熔煉爐要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的硅熔煉爐，不僅要有良好的電爐參數(shù)、講究的原料、合理的配比，而且操作方法的優(yōu)缺點(diǎn)也很重要獎勵。 合理的加料方式對料層結(jié)構(gòu)、電極在爐內(nèi)的穩(wěn)定性和熱能的充分利用起著主導(dǎo)作用。 生產(chǎn)中喂料和搗碎結(jié)合進(jìn)行。 根據(jù)冶煉過程的不同條件和特點(diǎn)，適時完成加料和出爐操作。 為使?fàn)t內(nèi)保持良好的透氣性，必須在爐內(nèi)進(jìn)行顯眼和戳記。 小搗打根據(jù)爐況進(jìn)行，大搗打一般每隔一小時左右進(jìn)行一次。 搗打必須差不多徹底，把搗打出的塊狀物推到爐心。 在搗打過程中，不能一邊搗打爐子一邊加入新料。 不宜在一個電極區(qū)和一個電極區(qū)進(jìn)行爐內(nèi)冶煉作業(yè)。 熔煉時要集中注意力，均勻投料，保持較高的熔煉溫度。 烘箱穩(wěn)定運(yùn)行的最重要誘因是保持床內(nèi)空氣溫度分布恒定。 如果汽包的溫度分布受到嚴(yán)重破壞，烘箱的運(yùn)行將受到嚴(yán)重干擾。 爐料在生產(chǎn)、加料、揭露中的細(xì)度和均勻度，以及汽包表面的處理，都會影響電極的運(yùn)動。 通過大的、過強(qiáng)的柱塞耦合電極會破壞烘箱操作的穩(wěn)定性。

4.2 收弧操作 收弧操作是將焊條適當(dāng)嵌入爐料中，以半熔化爐料為阻抗體，使焊條與熔化爐料之間形成電弧。 為實(shí)現(xiàn)閉弧作業(yè)，首先要考慮進(jìn)料方式。 喂養(yǎng)方式有一次性喂養(yǎng)法、分批喂養(yǎng)法和多次喂養(yǎng)法。 除一次性送料方式為開弧作業(yè)外，其他方式均可實(shí)現(xiàn)閉弧作業(yè)。 物理硅生產(chǎn)采用分批加料方式，料層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耗低，爐子壽命長。 操作中有幾個問題需要處理：一是選擇合適的電參數(shù)，使電極能以合適的深度插入材料層； 二是想辦法控制電荷的比內(nèi)阻； 鋼有重要影響，粒度過大或過小均對爐況不利。 閉弧操作的優(yōu)點(diǎn)是：①爐內(nèi)料層結(jié)構(gòu)能形成一個完整的體系，爐料順序下沉； ②弧光不外露，材料表面的輻射熱損失大大減少，保持轉(zhuǎn)換器溫度，提高熱效率，降低產(chǎn)值。 ，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加能耗。 ③可使電極消耗達(dá)到平衡穩(wěn)定，防止因漏扭而引起的車禍。 ④料面水溫較低，使料面設(shè)備受熱腐蝕少，延長了設(shè)備壽命，提高了電爐設(shè)備的利用率。 ⑤粉塵少，可使?fàn)t面作業(yè)有較好的操作環(huán)境。 無論烘箱大小，只要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，都可以?shí)現(xiàn)閉弧操作，獲得理想的生產(chǎn)效果。

4.3 電弧爐是利用電弧產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱的設(shè)備。 在物理硅煉鐵過程中，數(shù)學(xué)物理變化與電氣系統(tǒng)密切相關(guān)。 配電運(yùn)行的好壞對煉鐵效率有著十分重要的影響。 電弧主要存在于電端，空腔受電弧的沖擊推力作用，料腿分離，形成球泡狀。 在冶煉過程中，電爐電氣參數(shù)的控制由配電工作完成。 通常是控制電極的埋深。 電極埋得淺通常表示還原劑不足，電極附近有火孔，電弧聲很大，說明硅溫度低，數(shù)量少，耗電量大。 深埋電極，如果爐料中還原劑太少，電極位置會偏高。 由于爐料的內(nèi)阻隨著爐料中碳的減少而降低，內(nèi)阻的增加增加了電壓負(fù)荷，降低了電極消耗，降低了原材料的豐度。 生產(chǎn)中根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)情況確定電極的埋入深度。 調(diào)整電極埋入深度就是改變爐料的電阻值，是調(diào)整爐況的最佳手段。 當(dāng)電爐二次電流超過一定值時，會損壞電極，硅的揮發(fā)損失增加，汽包下部過熱，熱損失減少。 二次電壓受電極允許電壓密度的限制，不能隨便降低。

電壓與電流的比值是熔爐運(yùn)行的重要誘因。 電壓電流比太小，電極下不去，難以進(jìn)行亮弧生產(chǎn)。 如果電壓電流比太大，電極插入爐料太深，產(chǎn)量不夠，這是非常理想的。 在生產(chǎn)中，只有找到合適的電壓電流比，工作電壓穩(wěn)定，物料平衡，電極升降，才能達(dá)到最佳的生產(chǎn)效果。 調(diào)節(jié)工作電流是調(diào)節(jié)爐子生產(chǎn)豐度的重要手段。 烘箱的工作電流取決于兩個方面：一是短網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要較高的電效率和適當(dāng)?shù)墓β始睢?另一方面，爐況，包括爐體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)操作條件，熔煉中工作內(nèi)阻的阻值非常關(guān)鍵，容易變化，應(yīng)努力使其穩(wěn)定并接近最優(yōu)值。 通常，為保證物料表面水溫正常，加大電流。 正常物料表面水溫在600℃左右。 使用符合尺寸的原材料，裝料細(xì)度大，內(nèi)阻小，西路電壓大，電極不易擊穿。