[发明专利]全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺

说明书

本发明属于全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺。

结晶硅亦称工业硅或金属硅，广泛用于冶金、机械、电子、化工、船舶制造和新能源开发等工业领域。已知的生产结晶硅的方法：用优质的块状硅石或块状石英为原料，用石油焦、木炭、木块和煤等为还原剂，经配料、入炉冶炼、出硅和炉外处理工序在还原电炉中冶炼。《铁合金冶炼技术操作》(1994年东北大学出版社出版)一书中对硅石的物理性能要求为：硅石应具有较好的机械强度和抗爆裂性能，入炉粒度视炉子容量大小而定，一般5000KVA以上的炉子，硅石粒度为50～100mm,5000KVA以下的炉子为25mm～60mm，其中40mm～60mm中粒度的硅石应占50％以上。

《铁合金》杂志1998年1期列出了世界上生产结晶硅的主要国家如美国、原苏联、德国、瑞士和中国的原材料消耗量，其中含硅原料均为硅石。电炉炉容为5000～29000KVA，电极消耗87～150Kg/t，电耗为11000～14000KWh/t。

可见，尽管国外已采用大容量封闭式旋转电炉，计算机监控等先进技术，以硅石为原材料冶炼结晶硅的能耗仍然很高，而电耗占总成本60％以上。

上述现有冶炼结晶硅工艺的不足之处在于通常只考虑了块状硅石透气性好的一面，而忽视了块状硅石粒度太大，比表面积太小，因而还原反应速度太慢的缺陷，从而导致传统冶炼结晶硅工艺的高能耗。

1998年6月1日，虽然向中国专利局提交了申请号为98112042 3发明专利申请，名称为《以石英砂冶炼工业硅的生产工艺》是以石英砂配以煤粉和粘合剂、压块、烘干后入炉冶炼结晶硅，或以这种压块配加部份石英砂冶炼结晶硅的工艺，这种工艺虽然可以降低能耗，但其不足之处在于：增加了造块的机械设备和烘干设备，比直接用块状硅石冶炼的流程长而复杂，投资和运行费用提高，因而成本提高。且加入粘合剂增加了原材料的杂质，影响产品的纯度，产品质量难于达到国家标准。

本发明旨在针对上述现有技术的不足，提供一种全石英砂冶炼结晶硅的生产工艺，该工艺能省去造块工艺和设备，减少工艺步骤，提高了还原反应的速度和产量，大幅度地降低冶炼结晶硅的能耗和提高产品质量。

为达上述发明目的，本发明的技术解决方案是：在《以石英砂冶炼工业硅的生产工艺》的基础上，全部用石英砂，配以碳质还原剂，该还原剂包括：低灰份烟煤，石油焦和木炭或其代用品，如木块、玉米芯，混匀后加入电炉中冶炼结晶硅。

本发明对原材料要求如下：

石英砂的化学成份：

SiO₂＞98.5％；   Al₂O₃≤0.8％；  Fe₂O₃≤0.4％；

CaO≤0.2％        MgO≤0.15％

碳质还原剂：还原剂的成份和粒度要求如下：

碳质还原剂 固定碳含量(％)  灰份(％)  粒度(mm)

木炭          ＞75           ＜3      3～10

石油焦        ＞85           ＜1      1～10

烟煤          ＞55           ＜9      1～5

电炉结构与用硅石冶炼结晶硅的电炉类似。但本发明电炉炉膛的径高比要小于一般电炉。通常设计电炉的径高比D/H=2.2～2.7。而全石英砂冶炼结晶硅的电炉的径高比的取值应偏于下限，因石英砂堆比重大于块状硅石，相同容量的电炉炉膛高度降低有利于炉况顺行。

根据所用石英砂SiO₂含量，以90％SiO₂进入合金，7％以SiO挥发，按反应式

计算出所用硅质原料所需的纯碳量。计算中石墨电极和还原剂中固定碳的分配如下：

          木灰  石油焦 烟煤  电极还原SiO₂(％)   85    90    70    90炉口烧损(％)    15    10    30    10扣除电极提供的碳量，即为应由还原剂提供的理论碳量。实际配碳按理论碳量的95％～100％配制。适当欠碳有利于电极深插，改善炉况，同时冶炼中便于调节炉况。