金屬硅(矽) / Metal Silicon

金屬硅 (Metal silicon) -

中文名稱:金屬矽(金屬硅)
中文別名:結晶矽;工業矽;矽微粉;矽粉;多晶矽;單晶矽;矽光學窗;矽
英文名稱:Silicon

英文別名:silicon coating quality balzers; silicium; silicon, containing by weight not less than 99.99 % of silicon; SiliconpowderNmesh; Silicon Monocrystalline; SiliconchipsNmm; SiliconrandompiecesNcm; Silicon wafer orientation P-doped;
Silicon wafer orientation; Silicon powder; Siliconwaferorientation;
Siliconwafer; Silicon (low oxygen); Silicon (3 oxygen levels); Silicon chips (99.9999%); Silicon random pieces (99.5%); Silicon solution 1000 ppm

CAS:7440-21-3[1]
EINECS:231-130-8
分子式:Si
分子量:28.0855

矽是半金屬之一,舊稱“矽”。熔點為1420℃，密度為2.34克/厘米3。質硬而脆。在常溫下不溶於酸，易溶於鹼。金屬矽成分主要是矽，因此和矽具有相類似的性質。金屬矽的性質與鍺、鉛、錫相近，具有半導體性質。 [3] 矽在地殼中資源極為豐富，僅次於氧，佔地殼總重的四分之一還強，以二氧化矽或矽酸鹽形式存在。最純的矽礦物是石英或矽石。矽有兩種同素異形體：一種為暗棕色無定形粉末，性質活潑，在空氣中能燃燒；另一種為性質穩定的晶體（晶態矽）。一般矽石和石英用於玻璃和其它建材，優質的石英用於製作合金、金屬和單晶。

金屬矽的分類通常按金屬矽成分所含的鐵、鋁、鈣三種主要雜質的含量來分類。按照金屬矽中鐵、鋁、鈣的含量，可把金屬矽分為553、441、411、421、3303、3305、2202、2502、1501、1101等不同的牌號。

工業上，金屬矽通常是在電爐中由碳還原二氧化矽而製得。化學反應方程式： SiO2 + 2C → Si + 2CO 這樣制得的矽純度為97~98%，叫做金屬矽。再將它融化後重結晶，用酸除去雜質，得到純度為99.7~99.8%的金屬矽。

金屬矽成分主要是矽，因此和矽具有相類似的性質。矽有無定形矽和晶形矽兩種同素異形體。無定形矽是灰黑色粉末，實際上也是一種微晶體。晶形矽具有金剛石的晶體結構和半導體性質，熔點 1410℃ ，沸點 2355℃ ，密度2.32～2.34克/厘米3，莫氏硬度 7，性脆。無定形矽化學性質活潑，在氧氣中能劇烈燃燒。它在高溫下與鹵素、氮、碳等非金屬發生反應，也能與鎂、鈣、鐵等金屬作用，生成矽化物。無定形矽幾乎不溶於包括氫氟酸在內的所有無機酸和有機酸，但能溶於硝酸與氫氟酸的混合酸。濃氫氧化鈉溶液能溶解無定形矽，放出氫氣。晶形矽比較不活潑，即使在高溫下也不與氧氣化合，它也不溶於任何一種無機酸和有機酸，但可溶於硝酸和氫氟酸的混合酸以及濃氫氧化鈉溶液。

包括矽微粉，邊皮矽，黑皮矽，金屬矽渣等。其中矽微粉也稱矽粉、微矽粉或矽灰，它廣泛應用於耐火材料和混凝土行業。

金屬矽：
金屬矽要用於生產有機矽、制取高純度的半導體材料以及配製有特殊用途的合金等。
（1）生產矽橡膠、矽樹脂、矽油等有機矽。
矽橡膠彈性好，耐高溫，用於製作醫療用品、耐高溫墊圈等。
矽樹脂用於生產絕緣漆、高溫塗料等。
矽油是一種油狀物，其粘度受溫度的影響很小，用於生產高級潤滑劑、上光劑、流體彈簧、介電液體等，還可加工成無色透明的液體，作為高級防水劑噴塗在建築物表面。
（2）製造高純半導體。
現代化大型集成電路幾乎都是用高純度金屬矽製成的，而且高純度金屬矽還是生產光纖的主要原料，可以說金屬矽已成為信息時代的基礎支柱產業。
（3）配製合金。
矽鋁合金是用量最大的矽合金。矽鋁合金是一種強複合脫氧劑，在煉鋼過程中代替純鋁可提高脫氧劑利用率，並可淨化鋼液，提高鋼材質量。矽鋁合金密度小，熱膨脹係數低，鑄造性能和抗磨性能好，用其鑄造的合金鑄件具有很高的抗擊衝擊能力和很好的高壓緻密性，可大大提高使用壽命，常用其生產航天飛行器和汽車零部件。
矽銅合金具有良好的焊接性能，且在受到衝擊時不易產生火花，具有防爆功能，可用於製作儲罐。
鋼中加入矽製成矽鋼片，能大大改善鋼的導磁性，降低磁滯和渦流損失，可用其製造變壓器和電機的鐵芯，提高變壓器和電機的性能。

隨著科學技術的發展，金屬矽的應用領域還將進一步擴大。

冶煉工藝：
金屬矽冶煉屬於高耗能生產，我國的金屬矽生產已由來已久，隨著國家能源政策的收緊和節能減排的開展，以及對新能源的提倡，金屬矽冶煉已經成為初級的產品和工藝，很多國內新興的能源企業建設了金屬矽，多晶矽，單晶矽，太陽能電池等一系列的循環產業鏈條，未來幾年勢必會影響我國整個能源領域的發展和新能源的應用。

金屬矽的冶煉工藝及流程。
1、生產化學工業用矽的必要性
我國生產的金屬矽（矽含量主要是98.5%），原來主要是冶金用矽，化學用金屬矽（矽含量主要是99.85%）的生產主要是從90年代中期以來有所發展，近年來，我國化學用矽的產量和出口量增長較快。 1999年-2001年我國對日本出口的化學用矽已分別達到2.2萬噸、3萬噸、4萬噸，2001年我國對日本出口的化學用矽已佔日本化學用矽進口量的40%以上。現在中國已開始加入化學用矽生產和供應國的行列，生產化學用矽的企業不斷增加。由於上海廣濟矽材料有限公司在2002年全面公開了碳熱還原的冶煉工藝，致使中國在2002年到2004年之間，金屬矽的產能迅速從年產10萬噸，上升到120萬噸。結果導致發改委的全面製裁，2006年，金屬矽的實際產量又回落到70萬噸。總個2006年，僅有上海廣濟矽材料有限公司大悟矽廠在新疆邊陲建設成功萬噸級金屬矽廠晶鑫廠。其他又新建矽廠。化學用矽是指用於有機矽和多晶矽生產的金屬矽。從世界範圍來看，現在冶金用矽的消費量多於化學用矽的消費量，但隨著科學技術的不斷發展，化學用矽用於有機矽和半導體生產等領域不斷拓寬，廣泛用於生產有機矽單體和聚合物矽油，矽橡膠、矽樹脂建築物防腐、防水劑等，它們具有耐高溫、電絕緣、耐輻射、防水等獨特性能。用於電氣、航空、機械、化工、醫藥、國防、建築等部門。作為集成電路核心的電子元器件，95%以上是用半導體矽製成的，半導體是當代信息工業的支柱。 “信息高速公路”中大量應用的光纖電纜中的光纖，也是以金屬矽為原料生產的。現在美國和歐盟化學用矽的消費量已佔金屬矽總消費量的一半以上。化學用矽作為高新技術領域和重要基礎產業得到廣泛應用，其消費量是趨於穩定增長的。在國際市場正常情況下，每噸化學用矽比冶金用矽售價高300-400美元。所以，無論從滿足出口和國內需求，還是從提高金屬矽企業經濟效益，提高產品質量，大力發展化學用矽生產都是必要的。

2、化學用矽生產原料在化學用矽生產上，原料是實現良好作業的先決條件。用石英的岩石作生產化學金屬矽的原料，低灰分的含碳材料作還原劑。電爐法生產化學用矽的原料主要有矽石和碳素原料。碳素原料又以石油焦為主，有優質的無菸煤或木炭，也可以摻用一部分，以增加爐料比電阻。對原料要求具有必要的純度，有良好的反應能力，以便達到產品的規格；還原劑具有不同的反應能力，以便能與石英石發生充分反應；爐料具有不同的成分，並且既有不同的粒度，以便通過適當的配合，使爐料電爐發生良好的影響。
2.1、氧化矽礦物冶煉金屬矽的過程是無渣過程，化學矽冶煉對矽石的選用較嚴格，不僅雜質含量要少，還要求有高的機械強度、足夠的熱穩定性，適宜的粒度組成。化學用矽熔煉最好採用矽石。天然形態的氧化矽或者是以獨立的石英礦物存在，或者是以幾乎全是由氧化矽積成的岩石—矽石，或矽石形態的砂岩存在。生產化學用矽的含有氧化矽礦物中的雜質和粘著物，在熔煉過程中有的完全被還原，有的部分被還原，有的以化合物形態進入產品矽中或生成熔渣。這樣不僅增大能量消耗，降低產品質量，還給熔煉過程造成困難。因此，對化學用矽冶煉所用的含氧化矽礦物的化學組成要求嚴格。要求SiO2大於99%，Fe2O3小於0.15%，Al2O3不大於0.2%，CaO不大於0.1%，雜質總和不大於0.6%。所用矽石在熔煉前必須進行水洗，表面清潔。
入爐的矽石要求有一定的粒度。矽石的粒度是冶煉的一個重要工藝因素。矽石適宜粒度受矽石種類、電爐、容量、操作狀況以及還原劑的種類和粒度等多種因素影響，要根據具體的冶煉條件來決定。一般情況下，6300KVA三相電爐（1983年大悟矽廠建成），要求矽石粒度在8-100mm，3200KVA三相電爐，要求矽石粒度為8-80mm，而且中間粒度組成的比例要大些。粒度過大時，由於不能和搗爐粘料及反應速度相適應，易使未反應的矽石進入液體矽中，造成渣量增多，出爐困難，矽的回收率降低，能耗增大，甚至造成爐底上漲，影響正常生產。粒度過小，雖能增大還原劑的接觸表面，有利於還原反應的進行，但反應過程中生產的氣體不能順利排出，又會減慢反應速度。粒度過小時。帶入的雜質又會增多，影響產品質量。生產中一般小於5mm 的矽石不宜採用。
2.2碳質還原劑化學矽冶煉所用的主要還原劑有石油焦、煙煤、木炭。為增大爐料的電阻率，增加化學活性，也有搭配氣煤焦，矽石焦、藍炭、半焦、低溫焦、木塊的。在碳質還原劑化學成分中，主要應考慮固定碳、灰分、揮發分和水分。一般要求固定碳要高，所需還原劑總量減少，從而灰分帶入的雜質少，渣量相應減少，電能消耗降低，化學矽中雜質含量降低。碳質還原劑的電阻率要大，氣孔率要高。爐料電阻率主要取決於碳質還原劑。碳質還原劑電阻率大，化學活性好，矽的回收率高。
石油焦是所用於金屬矽生產的還原劑中灰分最低的，含灰分0.17-0.6%，固定碳90-95%，揮發分不大於3.5%-13%。化學用矽冶煉採用石油焦做還原劑，這是因為它的灰分低，有利於提高產品質量。但由於石油焦電阻率小，反應性差，高溫下易石墨化，用量偏大時，導致爐況不好控制，造成爐料不燒結、刺火嚴重、電耗高、出爐困難。
木碳具有很高的比電阻和反應能力，而且雜質含量少，是熔煉工業化學用矽的較為理想的還原劑，但用不同的木材和不同的方法制得的木炭其性質也很不同。去皮木炭的灰分含量通常比帶皮木炭的灰分含量低二分之一至三分之一，樹皮對木炭中灰分的含量有很大的影響。木炭主要成分是碳，灰分較低，一般小於10%。電阻率較大，化學活性好。多年的生產實踐證明，木炭是滿足冶煉化學用矽需要的重要碳質原料，但炭的來源受到限制，無法再使用木炭還原劑。
從國外的情況看，絕大多數國家已不再使用木炭。國內的很多廠家在尋求和使用木炭代用品方面也做了大量工作。實踐證明，在各種碳質還原劑中，從反應能力和比電阻的大小來看，煙煤是木炭之外的另一種較為理想的還原劑。
煙煤的特點是電阻大，反應能力強，低灰分煙煤是經過洗選獲得的。灰分含量可達3%左右，Fe2O3含量達0.2-0.3%，Al2O3含量小於1%。現在我國還原劑煙煤的灰分含量多在3%以上，而國外還原劑煙煤的灰分的含量多在1%左右，蘇聯採用的化學法精選煙煤，能得到氧化鐵含量低於0.1%的精煤。煙煤代木炭的冶煉工藝的專利由上海廣濟矽材料有限公司和鄂爾多斯電力冶煉股份有限公司共同擁有。木塊的作用在於增加料層的電阻，用量的大小都對爐況產生影響。木塊用量過大，料層疏鬆、爐況變壞，電耗上升，木塊由於著火點、含碳量都低，實際作還原劑微乎其微。
碳素原料中的雜質主要是灰分，全部由氧化物組成。在化學生產中，灰分中的氧化物也要被還原，既要消耗電能，又要消耗碳素，而且被還原的雜質仍然混入矽液中，降低了矽的強度。在生產實踐中，爐料中每增加1%的灰分，就多耗電能100度-120度，因此，要求碳素原料中的灰分含量愈少愈好。
2.3電極電極是化學用矽生產中主要的消耗材料之一。化學用矽冶煉用電極，一般採用石墨電極和碳素電極，目前國內主要採用石墨電極。
在矽冶煉爐中，電極就是心臟，是導電系統的重要組成部分。電流是通過電極輸入爐內產生電弧，用於化學矽冶煉。對電極材料的要求：（1）導電性好、電阻率小，以減少電能損失。（2）熔點要高，熱膨脹係數要小，不易變形；（3）高溫時有足夠的機械強度，雜質含量低。石墨電極的灰分含量低，導電性、耐熱性和耐腐蝕性能都比較好，是化學用矽冶煉的最佳選擇。

3、化學工業用矽的冶煉工藝
化學用矽的工藝流程包括爐料準備，電爐熔煉，矽的精製和澆鑄，除去熔渣夾雜而進行的破碎。在爐料配製之前，所有原料都要進行必要的處理。矽石在顎式破碎機中破碎到塊度不大於100mm，篩出小於5mm的碎塊,並用水沖洗潔淨。因為熔爐中碎塊在爐膛上部熔融，從而降低了爐料的透氣性，使生產過程難以進行。石油焦有較高的導電係數，要破碎到塊度不大於10mm，又要控製石油焦的粉末量。因其在爐膛口上直接燃燒，會造成還原劑不足。
化學用矽生產中，煙煤完全可以取代木炭，如湖南株洲精洗煙煤，固定炭達77.19%，揮發分為19.4%，灰分含量3.41%，Fe2O3含量0.22%，Al2O3含量0.99%，CaO含量0.17% 。經生產實踐，