工业硅厂设计(engineering design of metalsilicon plant)

以硅石为原料，用炭质材料做还原剂，经矿热电炉熔炼，制得含硅97％以上工业上应用硅的半导体材料厂设计。设计主要内容为：产品方案与设计规模、工艺流程、设备选择、车间组成与配置和技术经济指标。

简史   1938年世界第一个工业硅工厂在苏联建成。随后法国、日本、加拿大、美国、挪威和巴西等都相继建设了工业硅厂。到1991年末全世界工业硅生产国已有20个，实际年产量超过62万t，其中美国约占1／3，是世界工业硅的最大生产国。挪威的埃尔肯(ELKEN)公司是世界上最大的工业硅生产公司，年产能达到79200t。

中国工业硅生产始于1957年。70年代中期又在贵州遵义和青海民和建设工业硅厂，到1989年底，工业硅电炉总装机容量已达数十万kV•A，最大工业硅厂年产能力为1万t。

设计规模与产品方案   矿热电炉是工业硅生产的主要设备，随着工艺技术的提高，矿热电炉的容量不断增大，工厂规模相应扩大。最初电炉容量仅为1000～2000kV•A，工厂规模年产仅数百吨。至20世纪80年代，新建矿热电炉的容量一般为10000～20000kV•A，最大已达48000kV•A。从工业硅技术发展方向和工厂的综合经济效益考虑，中国新建工业硅厂的设计规模不小于年产10000t，采用10000kV•A以上的矿热电炉。

工业硅广泛地应用于冶金、化工、电气工业，主要用于铸造硅铝合金、制造半导体材料、有机硅和耐高温材料，其中配制硅铝合金的用量约占工业硅总产量的75％。中国配制硅铝合金的工业硅对铝含量无要求、铁含量0.5％～0.7％，钙含量0.3％～0.5％；生产半导体用的工业硅，铁含量小于0.6％，铝含量小于0.2％，钙含量小于0.2％；用于有机硅的工业硅，铁、铝、钙含量小于0.5％，一般在0.3％以下。用于耐高温材料的工业硅，其铁含量小于2.0％，铝含量小于0.5％，钙含量小于0.7％，碳含量小于0.1％。

此外，工业硅厂根据需要尚生产特级硅，供硅钢生产用，特级硅要求铝、钙、铬、镁、铜、锰的含量均在0.1％以下，磷、硫、钛均小于0.05％，镍0.4％以下。

工艺流程   工业硅熔炼以硅石为原料，木炭和石油焦为还原剂，在矿热电炉内熔炼，将硅石中的二氧化硅还原成硅。

硅石要求杂质少，机械强度高，热稳定性好。一般要求硅石中含SiO₂大于98.5％，Fe₂O₃小于0.15％，Al₂O₃小于0.2％，CaO小于0.1％。入炉前要经过水洗、破碎、筛分，粒度为8～80mm。

炭质还原剂主要采用木炭和石油焦，也可使用低灰分烟煤。木炭是理想的还原剂，但资源缺乏，成本较高，实际生产中均配以石油焦混合使用。石油焦的配入量一般为二氧化硅还原所需碳量的60％～80％。木炭中固定碳大于75％；灰分小于3.5％，其中CaO小于20％；挥发分20％～30％；粒度3～100mm。石油焦的固定碳大于80％；挥发分8％～15％；灰分小于1％；孔隙度30％～40％；粒度0～35mm，其中0～5mm小于30％。

经过破碎和筛分，符合粒度要求的硅石、石油焦和木炭，按计算比例进行配料。混合均匀后加入矿热炉内，进行还原熔炼，制得液体硅。采用间断出炉方式，定时用烧穿器烧开炉眼，放出液体硅，在硅水包内进行保温氯化精炼。精炼后的液体硅浇铸成锭。冷却后进行精整，再破碎、筛分、称量、包装、入库(见图)。若生产硅粉时，再进行细碎、磨粉、筛分、称量和包装。

在工业硅冶炼技术中，以石油焦代替部分木炭做还原剂，已取得了明显的成果。用廉价、优质、资源丰富的材料全部替代木炭做还原剂，是今后发展的方向。用沥青、木材高压分解残存的木素、木屑、炭黑与石油焦混合体做还原剂的工艺试验有了新的进展。

设备选择   工业硅生产的主要设备是矿热熔炼电炉亦称矿热电炉与其相配套的有捣炉机、电烧穿器等。

矿热电炉按供电方式分为单相和三相电炉。单相电炉又分为单电极和双电极两种炉型；三相电炉分为三电极和六电极两种炉型。单相电炉对电网平衡有一定的影响，设计时须采取相应措施。为此，一般均采用三相三电极电炉。电炉的导电电极通常采用石墨电极，也可采用自焙电极或炭素电极。为改善劳动条件和保护环境，在通常情况下大都选用半密闭式，液压压放和升降电极、炉体可旋转的大容量电炉。并设机械化、自动化加料装置，用计算机控制生产过程。

电炉的容量和台数根据工业硅的年产量确定。变压器容量是电炉选择的主要技术参数，一般情况下，增大变压器容量可以降低电耗，改善生产的技术经济指标。但变压器的容量受工艺技术条件的限制，又与工厂的生产规模有关，设计时应综合比较后确定。电炉容量确定后，根据电炉日产量确定电炉的台数。电炉日产量由下式计算：

式中Q为电炉的日产量，t／d；P为电炉变压器的容量，kVA；K₁为变压器的利用系数，％；K₂为电网波动系数，％；K₃为时间利用系数，％；cosφ为功率因数，％；G为每吨工业硅电能消耗，kW•h。

捣炉机是工业硅生产操作的重要设备，当炉料中配入木炭较多时，选用轨迹式捣炉机。当炉料中配入石油焦较多时，选用丝杠齿条式捣炉机。每台工业硅电炉一般配三台捣炉机。

电烧穿器是电炉冶炼的出炉设备，每台电炉配有一台，用以烧开炉眼进行出炉。

矿热电炉以双层组合式炉体(可以不同的速度向不同方向旋转)代替固定式和旋转式炉体，可改善产品质量，提高能量利用率和生产能力，降低能耗，减轻工人劳动强度。

车间组成与配置   工业硅厂一般由原料准备与贮运车间、电炉冶炼与铸造车间和包装车问组成。

原料准备与贮运车间通常靠近电炉冶炼和铸造车间，并设置原料和还原剂的运输设施。硅石和还原剂的贮运产生灰尘污染，须加以密闭；木炭和石油焦的贮运须有防火设施。

电炉冶炼与铸造车间系高温、多粉尘车间，通常配置在工厂主导风向的下风侧。电炉冶炼与铸造设在同一个厂房内，使工艺流程更为紧凑并能减少物料运输距离。车间厂房一般为三跨建筑，中间跨为三层建筑设电炉熔炼部，矿热电炉沿厂房纵向配置在一条直线上，一般不多于4台。两副跨配置铸造部和电气设备，为单层建筑。厂房应有良好的通风并符合相应的防火要求。电炉出炉口、铸造部以及堆放热硅锭的场地一般须铺设铸铁地坪或采取其他保护措施。

技术经济指标与电炉容量、电炉结构参数、电气参数和选用的原料、还原剂密切有关。一般，生产1吨工业硅需要消耗硅石2.76～2.90t；碳质还原剂：木炭0.92～0.95t、石油焦0.71～0.80t；冶炼用电11200～13500kW•h；石墨电极0.110～0.135t。