金属硅的由来及发展历史

                                      发布者: 发布时间:2017/9/5 10:16:21 阅读:次 【字体:

                                      一、金属硅的由来

                                      中国最早生产“金属硅”(我国也称工业硅)是上世纪六十年代中期出现的一个商品名称。它的出现与半导体行业的兴起有关。目前,国际通用作法是把商品硅分成金属硅和半导体硅。金属硅是由石英和焦炭在电热炉内冶炼成的产品,主成分硅元素的含量在98%左右(近年来,含Si量99.99%的也包含在金属硅内),其余杂质为铁、铝、钙等。半导体硅用于制作半导体器件的高纯度金属硅。是以多晶、单晶形态出售,前者价廉,后者价昂。因其用途不同而划分为多种规格。据统计,1999年全世界共消耗金属硅约350万吨,其中用于铝合金的金属硅约占60%,用于有机硅的不足30%,用于半导体的约占3%,其余用于钢铁冶炼及精密陶瓷等。

                                      二、金属硅发展历史

                                      早在公司成立之初,金属硅就与欧美的几个国家建立了长期的合作关系,至今为止金属硅凭着良好的信誉和过硬的产品质量,不断开发国外客户,金属硅在国际金属硅冶炼行业具有很强的影响力。金属硅冶炼属于高耗能生产,我国的金属硅生产已由来已久,随着国家能源政策的收紧和节能减排的开展,以及对新能源的提倡,金属硅冶炼已经成为初级的产品和工艺,很多国内新兴的能源企业建设了金属硅,多晶硅,单晶硅,太阳能电池等一系列的循环产业链条,最近几十年来一直影响我国整个能源领域的发展和新能源的应用。 三、金属硅的冶炼工艺及生产流程。

                                      1、 生产化学工业用硅的必要性 我国生产的金属硅目前(硅含量主要是98.5%、99.5%),原来主要是冶金用硅,化学用金属硅(硅含量主要是99.85%)的生产主要是从90年代中期以来有所发展,近年来,我国化学用硅的产量和出口量增长较快。2006年-2012年我国对日本出口的化学用硅已分别达到5.8万吨、6万吨、7万吨,2012年我国对日本出口的化学用硅已占日本化学用硅进口量的40%以上。现在中国已开始加入化学用硅生产和供应国的行列,生产化学用硅的企业不断增加。由于上海广济硅材料有限公司在2012年全面公开了碳热还原的冶炼工艺,致使中国在2006年到2012年之间,金属硅的产能迅速从年产15万吨,上升到200万吨。结果导致发改委的全面制裁,2006年,金属硅的实际产量又回落到70万吨。 金属硅主要用在电气、航空、机械、化工、医药、国防、建筑等部门。作为集成电路核心的电子元器件,95%以上是用半导体硅制成的,半导体是当代信息工业的支柱。“信息高速公路”中大量应用的光纤电缆中的光纤,也是以金属硅为原料生产的。现在美国和欧盟化学用硅的消费量已占金属硅总消费量的一半以上。化学用硅作为高新技术领域和重要基础产业得到广泛应用,其消费量是趋于稳定增长的。在国际市场正常情况下,每吨化学用硅比冶金用硅售价高300-400美元。所以,无论从满足出口和国内需求,还是从提高金属硅企业经济效益,提高产品质量,大力发展化学用硅生产都是必要的。

                                      2、高纯的金属硅是实现良好作业的先决条件。 用石英的岩石作生产化学金属硅的原料,低灰分的含碳材料作还原剂。电炉法生产化学用硅的原料主要有硅石和碳素原料。碳素原料又以石油焦为主,有优质的无烟煤或木炭,也可以掺用一部分,以增加炉料比电阻。对原料要求具有必要的纯度,有良好的反应能力,以便达到产品的规格;还原剂具有不同的反应能力,以便能与石英石发生充分反应;炉料具有不同的成分,并且既有不同的粒度,以便通过适当的配合,使炉料电炉发生良好的影响。

                                      3、金属硅冶炼过程 金属硅冶炼要求: 入炉的硅石要求有一定的粒度。硅石的粒度是冶炼的一个重要工艺因素。硅石适宜粒度受硅石种类、电炉、容量、操作状况以及还原剂的种类和粒度等多种因素影响,要根据具体的冶炼条件来决定。一般情况下,6300KVA三相电炉(1983年大悟硅厂建成),要求硅石粒度在8-100mm,3200KVA三相电炉,要求硅石粒度为8-80mm,而且中间粒度组成的比例要大些。粒度过大时,由于不能和捣炉粘料及反应速度相适应,易使未反应的硅石进入液体硅中,造成渣量增多,出炉困难,硅的回收率降低,能耗增大,甚至造成炉底上涨,影响正常生产。粒度过小,虽能增大还原剂的接触表面,有利于还原反应的进行,但反应过程中生产的气体不能顺利排出,又会减慢反应速度。粒度过小时。带入的杂质又会增多,影响产品质量。生产中一般小于5mm 的硅石不宜采用。

                                      4、金属硅冶炼的操作指南: 冶炼金属硅的过程是无渣过程,化学硅冶炼对硅石的选用较严格,不仅杂质含量要少,还要求有高的机械强度、足够的热稳定性,适宜的粒度组成。化学用硅熔炼最好采用硅石。天然形态的氧化硅或者是以独立的石英矿物存在,或者是以几乎全是由氧化硅积成的岩石—硅石,或硅石形态的砂岩存在。生产化学用硅的含有氧化硅矿物中的杂质和粘着物,在熔炼过程中有的完全被还原,有的部分被还原,有的以化合物形态进入产品硅中或生成熔渣。这样不仅增大能量消耗,降低产品质量,还给熔炼过程造成困难。

                                      因此,对化学用硅冶炼所用的含氧化硅矿物的化学组成要求严格。要求SiO2大于99%,Fe2O3小于0.15%,Al2O3不大于0.2%,CaO不大于0.1%,杂质总和不大于0.6%。所用硅石在熔炼前必须进行水洗,表面清洁。

                                      四、国内外金属硅冶炼对比

                                      从国外的情况看,绝大多数国家已不再使用木炭。国内的很多厂家在寻求和使用木炭代用品方面也做了大量工作。实践证明,在各种碳质还原剂中,从反应能力和比电阻的大小来看,烟煤是木炭之外的另一种较为理想的还原剂。 烟煤的特点是电阻大,反应能力强,低灰分烟煤是经过洗选获得的。灰分含量可达3%左右,Fe2O3含量达0.2-0.3%,Al2O3含量小于1%。现在我国还原剂烟煤的灰分含量多在3%以上,而国外还原剂烟煤的灰分的含量多在1%左右,苏联采用的化学法精选烟煤,能得到氧化铁含量低于0.1%的精煤。烟煤代木炭的冶炼工艺的专利由上海广济硅材料有限公司和鄂尔多斯电力冶炼股份有限公司共同拥有。木块的作用在于增加料层的电阻,用量的大小都对炉况产生影响。木块用量过大,料层疏松、炉况变坏,电耗上升,木块由于着火点、含碳量都低,实际作还原剂微乎其微。

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