工业硅生产工艺及原料消耗

一、工业硅简介

工业硅也称金属硅或结晶硅，是重要的工业材料，广泛应用于冶金、化工、机械、电器、航空、船舶、能源等领域。金属硅是由硅石和碳质还原剂在矿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%的也列在金属硅内），其余杂质为铁、铝、钙等。因其用途不同而划分为多种规格，按照金属硅中铁、铝、钙的含量，可把金属硅分为553、441等不同的牌号。

表1工业硅牌号和化学成分

（注：4位数字依次分别表示产品中主要杂质元素铁、铝、钙的最高含量要求，其中铁含量和铝含量取小数点后的一位数字，钙含量取小数点后的两位数字。如4210#工业硅指的是铁含量<=0.4%，铝含量<=0.2%，钙含量<=0.1%）

工业硅主要用作冶金产品的合金剂、脱氧剂、还原剂及化工原料。工业硅的下游主要是多晶硅、铝合金和有机硅，分别占比为30.28%、26.82%和38.03%。

二、生产原料

冶炼工业硅的原料主要有硅石、碳质还原剂。由于对工业硅中铝、钙、铁含量限制严格，对原料的要求也特别严格。

表2 工业硅所用硅石标准

选择碳质还原剂的原则是：固定碳高，灰分低，化学活性好。通常是采用低灰分的石油焦和洗精煤作还原剂。之前在生产工艺中会配用灰分低，电阻率大和反应能力强的木炭代替部分石油焦，但木炭已经在逐步退出工业硅的生产，所以本文中也不考虑木炭对于工艺的影响，主要采用全焦全煤以及焦煤混合。

三、生产流程

将原料硅石经过洗选、筛分并干燥后,根据所用还原剂的种类,分别按不同的比例配料（在下文中会有详细配料计算过程）,用计算机程序控制各料比例,进行混匀，进入电炉内；自动化程度高和规模化的加料过程是连续进行的。在电极上通往电流,加热颅内的物料,其液相线在1410℃以上，炼制需要达到 1800 摄氏度以上的高温,硅在颅内被还原出来,并呈液态,通过出硅口放出并铸成硅锭,经过破碎、 包装成工业硅粉销售。

自电炉溢出的气体，经过除尘，回收其中的硅粉，得到微硅粉产品；微硅分为混凝土的掺和物可改善混凝土的多种性能；还可作为返回电炉的配合原料、用于橡胶的填料、防肥料结块剂、硅酸盐砖和耐火材料的原料、生产催化剂及其他用途。

在工业硅的生产中，硅所发生的还原式为：

SiO2+2C═════Si+2CO (T=2073k)

SiO2+C═══SiO+CO (副反应)

图 工业硅生产流程图

四、配料

（此种计算方法为众多方法中的一种计算方法，可能计算结果与其他方法有些许误差，仅供参考）

（1）以获取1t工业硅为计算基准，假设硅石中SiO2含量为99%；

（2）硅石中SiO2有85%还原进入产品，损失率约为15%，其中9%以SiO形式随炉气挥发，6%进入炉渣；

（3）还原剂损耗均按照15%计算；碳电极损耗为10%

（4）硅石中所含其余杂质氧化还原所消耗的碳量忽略不计；

（5）石油焦的固定碳含量为80%，洗精煤的固定碳含量为60%，电极含固定碳99.5%；

（6）由于木炭所用比例在逐步下降，故本次不考虑木炭对于工艺的影响。只考虑焦煤混合（1:1混合）；全焦；全煤三种情况。

（7）制备1t工业硅消耗电极100kg

计算：

SiO2+2C═════Si+2CO (T=2073k)

SiO2+C═══SiO+CO (副反应)

获得1t工业硅所需的硅石为：

1000÷28×60÷85%÷99%=2546（kg）

获得1t工业硅所需的固定碳含量为：

860+76=936（kg）

①2546×99%×85%÷60×2×12=860（kg）

②2546×99%×15%÷60×12=76（kg）

制备1t工业硅，碳电极提供固定碳量为：100×99.5%×90%=90（kg）

需要焦煤所提供的固定碳含量为：936-90=846（kg）

假设还原剂全为石油焦,所需石油焦为：846÷80%÷85%=1244（kg）

假设还原剂全为洗精煤,所需洗精煤为：846÷60%÷85%=1659（kg）

假设还原剂为焦煤混合：

则所需石油焦为：423÷80%÷85%=622（kg）

则所需洗精煤为：423÷60%÷85%=829（kg）

工业硅的配料结果为：制备1t工业硅，所需硅石2546kg，所需电极100kg，全焦则需要石油焦1244kg，全煤则需要煤1659kg，焦煤混合则需要石油焦622kg，洗精煤829kg。

（注：该计算背景对技术要求尚高，目前国内每生产1t工业硅所消耗的还原剂在1.6-2.0t之间，与文中所消耗1.2-1.6t之间还有大约400kg的差距，未来技术提升缩减成本应该是企业发展方向之一）

来源：百川盈孚

通知

NOTICE

2024中国石英产业发展大会

10月18-20日 广西北海

主办单位：
建筑材料工业技术情报研究所
合浦县人民政府
承办单位：
中国非金属矿信息平台
《非金属矿开发与应用》编辑部
合浦县工业和信息化局

会议议题：

1、我国硅产业发展现状及趋势；
2、北海市硅产业发展现状及未来前景；
3、高纯石英气液包裹体特征、检测与去除；
4、高纯石英砂氯化焙烧技术研究及应用；
5、石英坩埚用高纯石英砂及其制造关键技术；
6、石英坩埚在光伏及半导体领域的应用与市场分析；
7、硅微粉在高性能电子电路基板领域的应用与发展趋势；
8、高纯石英材料在半导体领域的应用及市场需求；
9、石英砂在人造石英石行业的应用及市场分析；
10、高纯石英在光纤光缆领域的应用；
11、机制石英砂支撑剂的制备工艺与市场应用；
12、硅酸钙板制备工艺及对硅质原料的需求；
13、工业硅高效清洁生产技术及市场分析；
14、显示设备用高强度透明微晶玻璃的制备及对石英砂的技术要求；
15、我国光伏玻璃行业现状及对石英砂的需求分析；
16、药用玻璃产业及装备技术发展情况；
17、建筑节能玻璃行业发展现在及未来前景；

展位预订：

李渴 13521754528

魏博 18710191248