工業硅氧化電磁法精煉技術研究

摘 要：冶金硅是生產有機硅、電子用硅等高質量硅的重要原材料，由于其雜質含量嚴重影響到硅產品性能的正常發揮，需精煉處理以降低雜質含量提高工業硅質量。經研究探索文章優選的爐外精煉氧化法是工業硅冶煉有效的精煉除雜法，同時當電磁強度為30KG時除鐵效果最佳。實踐應用結果表明，在氧氣壓力為0.5Mpa，壓縮空氣（精煉時壓力為0.15MPa，保壓時壓力為0.13～0.4Mpa），電磁場強度為20～40KG條件下，金屬硅中Ca、Al、Fe等雜質含量可以有效降低到Ca<0.01%，Al<0.2%，Fe<0.2%指標，使精煉硅的純度達到99.5%以上，達到精煉的目的，確保硅產品具有較高的純度和質量。

關鍵詞：工業硅；雜質；精煉；氧化法

引言

隨著冶金、化工、汽車和電子等工業的快速發展，工業硅作為“魔術金屬”除了對其需求量不斷增加外，各行業對工業硅的質量也提出了更高要求。作為一般用途的工業硅，其雜質基本不會影響其功能作用的正常發揮，但作為有機硅產品甚至是化學級工業硅，其硅純度要求非常高，對鋁（Al）、鈣（Ca）、鐵（Fe）等雜質的去除就相當嚴格，這就要求采取有效的精煉制度、精煉渣系進行精煉處理，確保鋁、鈣、鐵等雜質去除率達到最優，使其雜質含量符合雜質含量指標要求，達到較好的精煉效果。

1 工業硅精煉技術研究主要內容及技術指標

隨著能源危機、環境危機的進一步加劇，在工業硅雜質去除精煉方面進行加深研究，無論從工業技術角度還是從市場經濟角度，均需要探索技術上可行、經濟上優越的高精度工業硅精煉提純方法。要重點研究精煉過程中的能量平衡特性；精煉過程中吹氧方式對精煉效果的影響；精煉過程電磁方式對精煉效果的影響等內容[1]。文章結合多年的工業硅精煉研究及實踐經驗，通過對工業硅中的雜質成分及含量進行深入研究，提出工業硅氧化電磁法精煉技術，實現在傳統生產工藝基礎上的優化改進，具有生產工藝簡單、成本低、生產效率高、環保等優點。氧化精煉法中電磁和頂吹去除雜質是該技術的核心，可以有效去除工業硅冶煉中產生的大部分雜質，確保硅產品具有較高的純度和質量。

通過對工業硅氧化電磁法精煉技術工藝的研究，即在氧氣壓力為0.5Mpa，壓縮空氣（精煉時壓力為0.5MPa，保壓時壓力為0.13～0.3Mpa），電磁場強度為20～40KG條件下，將金屬硅中Ca、Al、Fe等雜質含量分別降低到Ca<0.01%，Al<0.2%，Fe<0.2%指標，使精煉硅的純度達到99.5%以上，達到精煉的目的。

2 工業硅爐外精煉氧化技術的優選

合理的冶煉技術的選擇，是高純度工業硅冶煉生產的重要保障。目前，工業硅主要采用電熱法進行冶煉生產，即工業硅溶煉過程在礦熱感應爐中進行。根據熱力學計算結果表明：Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、CaO等氧化物在常壓環境中還原時，Fe2O3、SiO2兩種物質的絕大部分會被有效還原，而MgO、Al2O3、CaO三種物質則只有部分能夠被還原，物質還原程度較低。從大量理論研究和實踐工作經驗表明進入產物的物質分別為：約80～84%硅、約50～55%鋁、約35～40%鈣、約30%鎂和幾乎100%鐵在熔煉后會進入到硅熔體中[2]。在熔煉過程中硅溶液中的雜質會嚴重影響到硅產品的純度，這就需要采取抬包或其他設備對硅熔體進行二次精煉提純，即通常所說的工業硅爐外精煉技術，實現精煉提純。

目前，工業硅爐外精煉一般采用氯化精煉和氧化精煉。氯化精煉法曾經在我國工業硅冶煉領域發揮非常好的應用效果，可以有效降低硅產品中的雜質含量，尤其對鈣、鋁兩類雜質去除效果非常明顯，獲得高純度硅產品，但由于吹氯去雜所采用的氯媒介其排出的氣體會嚴重污染周圍環境和生態系統，須經過特殊的過濾、凈化復雜的處理才能符合環保要求，該除雜方法工藝流程復雜、成本較大，在實際工程應用領域已逐步被淘汰。爐外氧化精煉法主要有合成渣氧化精煉和吹氣氧化精煉，是利用氧氣等媒介的強烈氧化作用將液態硅中所含的雜質元素進行氧化，使其產物進入渣相，利用金屬與爐渣間的熱力學平衡關系，達到脫除雜質提純產品的目的。

3 氧化電磁法精煉技術對精煉效果的影響分析

3.1 磁感應強度對分離效果的影響

磁感應強度對工業硅產品中的鐵雜質含量呈正比趨勢，但對雜質分離效果則成反比趨勢，也就是鐵雜質含量和雜質分離效果對于磁感應強度的合理選擇是一對博弈項。通過試驗得知，電磁強度在30～40KG時的分離效果十分接近，其中Fe雜質的去除率僅有65%，也就是說單純通過提高磁感應強度來增強硅產品中雜質的分離效果是不太現實的。在磁場中的金屬微粒會產生擾動，擾動的運動平面垂直于磁力線的作用方向，此平面正是雜質顆粒的運動平面，影響到分離效果。在提高分離驅動力體積密度的同時，擾動的程度也得到加強，影響雜質顆粒的運動。擾動問題在硅產品生產過程中是不可避免的，也就是說增強磁感應強度和抑制擾流間是相互制約的，需要合理選擇兩者的匹配性能。經過多次試驗得知在電磁強度為30KG時除鐵效果最佳。

3.2 精煉過程頂吹氣方式對精煉效果的影響研究

在硅的精煉過程中，主要發生Al，Ca及Si的氧化還原反應，因此將精煉過程熱力學研究的對象確定為Si-Al-Ca-O系，即平衡過程是在三元合金Si-Al-Ca和三元爐渣CaO-Al2O3-SiO2之間進行的。由相律分析可知，在溫度一定時，只要指定渣系CaO-SiO2-Al2O3中任意兩個組元的濃度（或活度），則可確定整個體系。渣金間的獨立反應為：

吹氯因環境污染及生態破壞問題在工業硅生產領域中逐步淡出歷史舞臺，僅有一些特殊用途領域還在使用[3]。吹氧經大量研究和實踐改進完全可以替代吹氯，且不存在吹氯危害。本研究經過多次試驗和結果對比，推薦采用頂吹氧氣方式，這樣有效防止傳統底吹所帶來的很多問題。

4 結束語

經過研究實驗，精煉過程將溫度控制在1580～1790℃，就能保證精煉過程的順利進行。運用電磁分離技術增加直流電磁場，在電磁力的作用下，產品中的鐵雜質元素得以有效去除。增加電磁分離工序后，鐵雜質可以降低到0.2%。

參考文獻

[1]施翔，范占軍.真空感應熔煉工藝在太陽能級多晶硅制備中的應用探索[J].寧夏工程技術，2012（4）：1671-7244.

[2]王新國，丁偉中，唐愷，等.硅系合金氧化精煉過程的熱力學研究[J].中國有色金屬學報，2001，11（3）：503-509.

[3]劉寧，張國粱，李廷舉，等.太陽能級多晶硅冶金制備技術的研究進展[J].材料導報，2009（23）：15-18.

作者簡介：楊啟華（1964，11-），男，漢族，高級工程師，學士學位，主要從事冶煉工藝方面工作。