工业硅冶炼要素.docx

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1、25000~33000kv.A工业硅冶炼的三大要素张效和2018/9/8一、原料是基础；二、设备是保障；三、工艺是关键；一、原料是基础：硅冶炼的根本任务就是把硅合金元素从氧化物中提取出来。论上可以通过热分解、还原剂还原和电解等方法生产。合金的各种元素与氧的亲和力很大，少数元素的高价氧化物除外，其余氧化物都很稳定，通常在2000℃以上才能分解，这样高的温度在实际生产中会带来很多困难，因此没有任何一种合金是用热分解法制去的。而多采用还原剂还原法。还原剂还原法就是利用适当的还原剂把硅合金元素从氧化物（矿石）中提取出来。冶炼不同的矿石（矿石中含的微量元素不同）需要不同的还原剂，按

2、所用还原剂的种类来划分，硅合金还原过程可分为固体碳热还原、金属热还原。虽然不同的不同的矿石（矿石中含的微量元素不同）需要不同的还原剂，但冶炼实质相同，可用一通式表达：zWxOy+nyC=xzW+yCnOz式中WxOy——矿石中含合金元素的氧化物；C——所用的还原剂；W——提取的合金元素；CnOz——还原剂被氧化后生成的氧化物；从热力学分析，反应进行的热力学条件是反应的吉布斯自由能小于0（△G＜0），吉布斯自由能又叫吉布斯函数，（英Gibbsfreeenergy,GibbsenergyorGibbsfunction;alsoknownasfreeenthalpy）是热力学中

3、一个重要的参量，常用G表示，它的定义是：G=U−TS+pV=H−TS，其中U是系统的内能，T是温度(绝对温度，K)，S是熵，p是压强，V是体积，H是焓。吉布斯自由能的微分形式是：dG=−SdT+Vdp+μdN，其中μ是化学势，也就是说每个粒子的平均吉布斯自由能等于化学势。也就是说，氧化物还原的热力学条件是还原剂C对氧的亲和力必须大于被还原的合金对氧的亲和力。同时也为还原剂的选取制定了规则：1.1还原剂的选择为了便于直观分析各种氧化物的稳定顺序和氧化还原的可能性，分析冶炼反应进行的条件，常用反应的△G~T关系图（吉布斯自由能图），各种氧化物的离解-生成反应可以用通式表示：2

4、We+O2=2WeO对每一个WeO都存在△G=A+CT。考虑到经济效果，冶炼中常用的还原剂为CO、H2和C。由吉布斯自由能图可知有C作还原剂时，由于2C+O2=2CO的反应的△G随温度升高而降低，因而升高温度将能还原更多硅合金量，但是由于C作还原剂时，有一些还原生成的金属如铁、锰、钙等会与C发生反应生成碳化物而污染硅，因而除非碳化物生成是允许的。2.2选择性还原由于矿石带入杂质，因此在冶炼生产中需要在炉料中配入适量的熔剂，使矿石中带入的杂质在冶炼过程中生成熔点、碱度适宜，并且流动性良好的炉渣，出路后便于进行炉渣与硅分离操作。这样冶炼的主要任务是掌握好炉渣成分、熔点和流动性

5、等，通过对炉渣的控制来控制好硅的成分及质量，但其冶炼本质仍然是氧化物矿石被还原的过程。为了得到所需要的硅合金成分，正确的控制还原剂的用量及合适的冶炼温度（大炉子温度比较高）十分重要，这要应用选择还原的原理，利用一定数量的还原剂，在恰当的温度下，将有价去氧化物和无价去氧化物分开，选择性还原的客观规律存在于整个冶炼生产之中。根据反应的△G~T关系图（吉布斯自由能图）可以看出；在几种氧化物（FeO、P2O5、MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等）原料中，还原度大的FeO和P2O5基本上比还原进硅里面，而还原度小的MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等在还原剂加

6、入量不足时，大部分未被还原而留在渣中。通过△G~T关系图分析得出以下规律1、加入熔体的还原剂，对熔体中所有氧化物的还原是同时进行的。只是易还原的氧化物，还原速度快，还原量多。如：冶炼硅时原料中带入FeO、P2O5、MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等杂质，尽管有的氧化物含量很少且很稳定，但仍能被还原一部分，硅中必定含要AL、Ca、Mg等。2、还原剂对多种氧化物的还原是有选择性的。分配于还原度大的氧化物的还原剂比还原度小的氧化物的还原剂多。氧化物还原度之差越大，这种分配上的差别也越大。且这种分配上的差别随着还原剂用量的增加而降低。为了充分发挥选择还原的作用，还原剂

7、用量不能过多。1、通过控制还原剂用量来控制各种氧化物的还原程度以得到预定的合金和熔渣成分。还原剂用量增加后，还原剂用于还原度大的和还原度小的氧化物之间的分配差别不大了，两种氧化物则不容易分开了。2、还原剂对各种氧化物的分配差别与还原温度有关，且随温度升高而变小。各种氧化物的分解压随温度降低而降低；各氧化物之间的分解压差随温度降低而增大。所以温度越低，选择还原的效果越好；温度越高，选择还原的效果越差。例如：冶炼硅45、硅65、硅75、硅90、99硅，炉温不同而每千克硅所消耗的矿石、还原剂相同，带入的P2O5、AL2O3、MgO、