工業(yè)硅冶煉要素.docx

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1、25000~33000kv.A工業(yè)硅冶煉的三大要素張效和2018/9/8一、原料是基礎(chǔ)；二、設(shè)備是保障；三、工藝是關(guān)鍵；一、原料是基礎(chǔ)：硅冶煉的根本任務(wù)就是把硅合金元素從氧化物中提取出來。論上可以通過熱分解、還原劑還原和電解等方法生產(chǎn)。合金的各種元素與氧的親和力很大，少數(shù)元素的高價氧化物除外，其余氧化物都很穩(wěn)定，通常在2000℃以上才能分解，這樣高的溫度在實(shí)際生產(chǎn)中會帶來很多困難，因此沒有任何一種合金是用熱分解法制去的。而多采用還原劑還原法。還原劑還原法就是利用適當(dāng)?shù)倪€原劑把硅合金元素從氧化物（礦石）中提取出來。冶煉不同的礦石（礦石中含的微量元素不同）需要不同的還原劑，按

2、所用還原劑的種類來劃分，硅合金還原過程可分為固體碳熱還原、金屬熱還原。雖然不同的不同的礦石（礦石中含的微量元素不同）需要不同的還原劑，但冶煉實(shí)質(zhì)相同，可用一通式表達(dá)：zWxOy+nyC=xzW+yCnOz式中WxOy——礦石中含合金元素的氧化物；C——所用的還原劑；W——提取的合金元素；CnOz——還原劑被氧化后生成的氧化物；從熱力學(xué)分析，反應(yīng)進(jìn)行的熱力學(xué)條件是反應(yīng)的吉布斯自由能小于0（△G＜0），吉布斯自由能又叫吉布斯函數(shù)，（英Gibbsfreeenergy,GibbsenergyorGibbsfunction;alsoknownasfreeenthalpy）是熱力學(xué)中

3、一個重要的參量，常用G表示，它的定義是：G=U?TS+pV=H?TS，其中U是系統(tǒng)的內(nèi)能，T是溫度(絕對溫度，K)，S是熵，p是壓強(qiáng)，V是體積，H是焓。吉布斯自由能的微分形式是：dG=?SdT+Vdp+μdN，其中μ是化學(xué)勢，也就是說每個粒子的平均吉布斯自由能等于化學(xué)勢。也就是說，氧化物還原的熱力學(xué)條件是還原劑C對氧的親和力必須大于被還原的合金對氧的親和力。同時也為還原劑的選取制定了規(guī)則：1.1還原劑的選擇為了便于直觀分析各種氧化物的穩(wěn)定順序和氧化還原的可能性，分析冶煉反應(yīng)進(jìn)行的條件，常用反應(yīng)的△G~T關(guān)系圖（吉布斯自由能圖），各種氧化物的離解-生成反應(yīng)可以用通式表示：2

4、We+O2=2WeO對每一個WeO都存在△G=A+CT?？紤]到經(jīng)濟(jì)效果，冶煉中常用的還原劑為CO、H2和C。由吉布斯自由能圖可知有C作還原劑時，由于2C+O2=2CO的反應(yīng)的△G隨溫度升高而降低，因而升高溫度將能還原更多硅合金量，但是由于C作還原劑時，有一些還原生成的金屬如鐵、錳、鈣等會與C發(fā)生反應(yīng)生成碳化物而污染硅，因而除非碳化物生成是允許的。2.2選擇性還原由于礦石帶入雜質(zhì)，因此在冶煉生產(chǎn)中需要在爐料中配入適量的熔劑，使礦石中帶入的雜質(zhì)在冶煉過程中生成熔點(diǎn)、堿度適宜，并且流動性良好的爐渣，出路后便于進(jìn)行爐渣與硅分離操作。這樣冶煉的主要任務(wù)是掌握好爐渣成分、熔點(diǎn)和流動性

5、等，通過對爐渣的控制來控制好硅的成分及質(zhì)量，但其冶煉本質(zhì)仍然是氧化物礦石被還原的過程。為了得到所需要的硅合金成分，正確的控制還原劑的用量及合適的冶煉溫度（大爐子溫度比較高）十分重要，這要應(yīng)用選擇還原的原理，利用一定數(shù)量的還原劑，在恰當(dāng)?shù)臏囟认?，將有價去氧化物和無價去氧化物分開，選擇性還原的客觀規(guī)律存在于整個冶煉生產(chǎn)之中。根據(jù)反應(yīng)的△G~T關(guān)系圖（吉布斯自由能圖）可以看出；在幾種氧化物（FeO、P2O5、MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等）原料中，還原度大的FeO和P2O5基本上比還原進(jìn)硅里面，而還原度小的MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等在還原劑加

6、入量不足時，大部分未被還原而留在渣中。通過△G~T關(guān)系圖分析得出以下規(guī)律1、加入熔體的還原劑，對熔體中所有氧化物的還原是同時進(jìn)行的。只是易還原的氧化物，還原速度快，還原量多。如：冶煉硅時原料中帶入FeO、P2O5、MnO、SiO2、AL2O3、MgO、CaO等雜質(zhì)，盡管有的氧化物含量很少且很穩(wěn)定，但仍能被還原一部分，硅中必定含要AL、Ca、Mg等。2、還原劑對多種氧化物的還原是有選擇性的。分配于還原度大的氧化物的還原劑比還原度小的氧化物的還原劑多。氧化物還原度之差越大，這種分配上的差別也越大。且這種分配上的差別隨著還原劑用量的增加而降低。為了充分發(fā)揮選擇還原的作用，還原劑

7、用量不能過多。1、通過控制還原劑用量來控制各種氧化物的還原程度以得到預(yù)定的合金和熔渣成分。還原劑用量增加后，還原劑用于還原度大的和還原度小的氧化物之間的分配差別不大了，兩種氧化物則不容易分開了。2、還原劑對各種氧化物的分配差別與還原溫度有關(guān)，且隨溫度升高而變小。各種氧化物的分解壓隨溫度降低而降低；各氧化物之間的分解壓差隨溫度降低而增大。所以溫度越低，選擇還原的效果越好；溫度越高，選擇還原的效果越差。例如：冶煉硅45、硅65、硅75、硅90、99硅，爐溫不同而每千克硅所消耗的礦石、還原劑相同，帶入的P2O5、AL2O3、MgO、