工业硅氧化电磁法精炼技术研究

摘 要：冶金硅是生产有机硅、电子用硅等高质量硅的重要原材料，由于其杂质含量严重影响到硅产品性能的正常发挥，需精炼处理以降低杂质含量提高工业硅质量。经研究探索文章优选的炉外精炼氧化法是工业硅冶炼有效的精炼除杂法，同时当电磁强度为30KG时除铁效果最佳。实践应用结果表明，在氧气压力为0.5Mpa，压缩空气（精炼时压力为0.15MPa，保压时压力为0.13～0.4Mpa），电磁场强度为20～40KG条件下，金属硅中Ca、Al、Fe等杂质含量可以有效降低到Ca<0.01%，Al<0.2%，Fe<0.2%指标，使精炼硅的纯度达到99.5%以上，达到精炼的目的，确保硅产品具有较高的纯度和质量。

关键词：工业硅；杂质；精炼；氧化法

引言

随着冶金、化工、汽车和电子等工业的快速发展，工业硅作为“魔术金属”除了对其需求量不断增加外，各行业对工业硅的质量也提出了更高要求。作为一般用途的工业硅，其杂质基本不会影响其功能作用的正常发挥，但作为有机硅产品甚至是化学级工业硅，其硅纯度要求非常高，对铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）等杂质的去除就相当严格，这就要求采取有效的精炼制度、精炼渣系进行精炼处理，确保铝、钙、铁等杂质去除率达到最优，使其杂质含量符合杂质含量指标要求，达到较好的精炼效果。

1 工业硅精炼技术研究主要内容及技术指标

随着能源危机、环境危机的进一步加剧，在工业硅杂质去除精炼方面进行加深研究，无论从工业技术角度还是从市场经济角度，均需要探索技术上可行、经济上优越的高精度工业硅精炼提纯方法。要重点研究精炼过程中的能量平衡特性；精炼过程中吹氧方式对精炼效果的影响；精炼过程电磁方式对精炼效果的影响等内容[1]。文章结合多年的工业硅精炼研究及实践经验，通过对工业硅中的杂质成分及含量进行深入研究，提出工业硅氧化电磁法精炼技术，实现在传统生产工艺基础上的优化改进，具有生产工艺简单、成本低、生产效率高、环保等优点。氧化精炼法中电磁和顶吹去除杂质是该技术的核心，可以有效去除工业硅冶炼中产生的大部分杂质，确保硅产品具有较高的纯度和质量。

通过对工业硅氧化电磁法精炼技术工艺的研究，即在氧气压力为0.5Mpa，压缩空气（精炼时压力为0.5MPa，保压时压力为0.13～0.3Mpa），电磁场强度为20～40KG条件下，将金属硅中Ca、Al、Fe等杂质含量分别降低到Ca<0.01%，Al<0.2%，Fe<0.2%指标，使精炼硅的纯度达到99.5%以上，达到精炼的目的。

2 工业硅炉外精炼氧化技术的优选

合理的冶炼技术的选择，是高纯度工业硅冶炼生产的重要保障。目前，工业硅主要采用电热法进行冶炼生产，即工业硅溶炼过程在矿热感应炉中进行。根据热力学计算结果表明：Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、CaO等氧化物在常压环境中还原时，Fe2O3、SiO2两种物质的绝大部分会被有效还原，而MgO、Al2O3、CaO三种物质则只有部分能够被还原，物质还原程度较低。从大量理论研究和实践工作经验表明进入产物的物质分别为：约80～84%硅、约50～55%铝、约35～40%钙、约30%镁和几乎100%铁在熔炼后会进入到硅熔体中[2]。在熔炼过程中硅溶液中的杂质会严重影响到硅产品的纯度，这就需要采取抬包或其他设备对硅熔体进行二次精炼提纯，即通常所说的工业硅炉外精炼技术，实现精炼提纯。

目前，工业硅炉外精炼一般采用氯化精炼和氧化精炼。氯化精炼法曾经在我国工业硅冶炼领域发挥非常好的应用效果，可以有效降低硅产品中的杂质含量，尤其对钙、铝两类杂质去除效果非常明显，获得高纯度硅产品，但由于吹氯去杂所采用的氯媒介其排出的气体会严重污染周围环境和生态系统，须经过特殊的过滤、净化复杂的处理才能符合环保要求，该除杂方法工艺流程复杂、成本较大，在实际工程应用领域已逐步被淘汰。炉外氧化精炼法主要有合成渣氧化精炼和吹气氧化精炼，是利用氧气等媒介的强烈氧化作用将液态硅中所含的杂质元素进行氧化，使其产物进入渣相，利用金属与炉渣间的热力学平衡关系，达到脱除杂质提纯产品的目的。

3 氧化电磁法精炼技术对精炼效果的影响分析

3.1 磁感应强度对分离效果的影响

磁感应强度对工业硅产品中的铁杂质含量呈正比趋势，但对杂质分离效果则成反比趋势，也就是铁杂质含量和杂质分离效果对于磁感应强度的合理选择是一对博弈项。通过试验得知，电磁强度在30～40KG时的分离效果十分接近，其中Fe杂质的去除率仅有65%，也就是说单纯通过提高磁感应强度来增强硅产品中杂质的分离效果是不太现实的。在磁场中的金属微粒会产生扰动，扰动的运动平面垂直于磁力线的作用方向，此平面正是杂质颗粒的运动平面，影响到分离效果。在提高分离驱动力体积密度的同时，扰动的程度也得到加强，影响杂质颗粒的运动。扰动问题在硅产品生产过程中是不可避免的，也就是说增强磁感应强度和抑制扰流间是相互制约的，需要合理选择两者的匹配性能。经过多次试验得知在电磁强度为30KG时除铁效果最佳。

3.2 精炼过程顶吹气方式对精炼效果的影响研究

在硅的精炼过程中，主要发生Al，Ca及Si的氧化还原反应，因此将精炼过程热力学研究的对象确定为Si-Al-Ca-O系，即平衡过程是在三元合金Si-Al-Ca和三元炉渣CaO-Al2O3-SiO2之间进行的。由相律分析可知，在温度一定时，只要指定渣系CaO-SiO2-Al2O3中任意两个组元的浓度（或活度），则可确定整个体系。渣金间的独立反应为：

吹氯因环境污染及生态破坏问题在工业硅生产领域中逐步淡出历史舞台，仅有一些特殊用途领域還在使用[3]。吹氧经大量研究和实践改进完全可以替代吹氯，且不存在吹氯危害。本研究经过多次试验和结果对比，推荐采用顶吹氧气方式，这样有效防止传统底吹所带来的很多问题。

4 结束语

经过研究实验，精炼过程将温度控制在1580～1790℃，就能保证精炼过程的顺利进行。运用电磁分离技术增加直流电磁场，在电磁力的作用下，产品中的铁杂质元素得以有效去除。增加电磁分离工序后，铁杂质可以降低到0.2%。

参考文献

[1]施翔，范占军.真空感应熔炼工艺在太阳能级多晶硅制备中的应用探索[J].宁夏工程技术，2012（4）：1671-7244.

[2]王新国，丁伟中，唐恺，等.硅系合金氧化精炼过程的热力学研究[J].中国有色金属学报，2001，11（3）：503-509.

[3]刘宁，张国粱，李廷举，等.太阳能级多晶硅冶金制备技术的研究进展[J].材料导报，2009（23）：15-18.

作者简介：杨启华（1964，11-），男，汉族，高级工程师，学士学位，主要从事冶炼工艺方面工作。