[发明专利]硅石还原法生产硅

说明书

技术领域

本发明涉及硅的工业生产方法，可用于包括普通硅、金属硅、硅合金、化学用硅和一些杂质元素含量可控的硅的工业生产方法。

背景技术

工业上生产硅或硅合金(如硅铁)，目前通常采用碳热还原冶炼法，即将硅石(二氧化硅)和含碳材料如石油焦、木炭、焦炭等混合在矿热炉中冶炼，高温下发生还原反应，生成硅(单质)和一氧化碳。

为取得适当的反应动力学环境，目前普遍采用的碳热还原法，是在电弧加热的硅冶炼电弧炉内，使用碳和硅石作原料生产硅。硅冶炼炉中，硅石和含碳材料中的碳，在电弧形成的熔池腔内发生复杂反应，表现为碳还原硅石，最终生成硅单质熔液沉积在熔池腔底部，碳被硅石氧化成一氧化碳挥发燃烧。

中国专利申请98113401.7和02135332.8给出了碳热还原法冶炼硅的具体描述。

由于该方法中，通常采用的含碳原料不只一种，每种含碳原料如木炭，煤，石油焦等也含有比较多的和不确定的杂质，而硅石原料虽然其来源可以比较单一，但也含有一定的杂质，在还原过程中，各种原料中的杂质，如铁、铝、钙等也进入生产的硅中，使得产品硅中的杂质无法控制。获得的硅通常纯度只有98～99％。

为降低硅中的杂质含量，曾尝试过使用提纯后的碳原料来还原硅石。然而，采用各种方法提纯后的碳原料往往都石墨化和微粉化，用作还原剂，不仅其反应活性极低，而且无法构成适当的反应动力学环境，使得用这种方法生产硅十分困难。文献记载，即使采用特殊的等离子竖式炉，利用高温纯化后的碳原料还原硅石，硅的产量也只有理论产量的1/10～1/5。

而目前工业中应用的生产特殊杂质含量的硅、特别是单一或者多种杂质元素含量控制在一定限度内的纯度较高的硅，主要还是采用化学方法或物理方法将普通碳热还原法冶炼的硅作进一步提纯来实现。众所周知，由于普通碳热还原法的硅中较高的杂质含量，采用这些方法处理普通碳热还原法获得的硅存在着成本高，污染大，工艺复杂，生产处理周期长、能耗高等缺点。

发明内容

本发明提出了一种新的硅的还原法生产方法，用于包括普通金属硅、硅合金、化学用硅和一些杂质元素含量可控的(满足一定限度要求的)硅的工业生产，具体方法是，采用含碳(并含硅)元素(碳质素)的碳硅化合物碳化硅作还原剂，在高温下还原硅石，生成硅或者硅合金。

该法可以在普通的电弧炉/矿热炉中进行，根据化学反应式，按适当比例将碳化硅和硅石混合，在埋弧下电弧加热，经过适当的时间，碳化硅将硅石还原，生成硅和碳氧化合物，生成的硅以熔液形态积累在炉内电弧熔池底部，将其导出，即可得到硅。工业硅的生产就是用相同的电弧炉以同样的埋弧加热方式，利用碳来还原硅石的。也可以在其他加热方式的炉(容器)中进行，按适当比例将碳化硅和硅石混合，将混合料置于容器内，加热到适当的温度，如1450～2300℃，即可生成硅。

试验表明，混合物料加热到1100℃，即开始生成硅；1400℃以上开始较快地生成硅。在2200℃以内，温度越高，硅的生成速度越快。采用电弧炉埋弧的方式加热，可以通过形成熔池反应腔，较快地生成大量的硅，并且生成的硅不易氧化挥发，适合工业上大量生产硅。

在反应料中加入适当的其他金属或者金属氧化物或含金属元素的矿石，可以获得相应的硅合金，如，加入适当的铁/钢屑，或铁矿石，可以获得硅铁；加入锰矿石，可以获得硅锰合金。

由于碳化硅在2000℃以上大量气化升华，硅石的沸点在2230℃，而硅的沸点在3500℃以上，因此，利用碳化硅还原硅石，可以采用气相法，在2000～2700℃左右，使气态的碳化硅和硅石发生反应，先生成气态氧化硅(SiO)，再还原成硅。气态氧化硅也可以发生歧化反应，生成硅和二氧化硅。这样，生成的硅呈液滴状从反应气相中分离出来，使得反应可以高效率进行下去。

也可以在真空炉中或负压炉内加热反应原料，使碳化硅与硅石反应，可以降低生成硅的反应的最佳温度，提高反应效率，并可收集和回收利用反应产生的气体。

本发明方法使用的碳化硅，最好是使用碳热还原法获得的其外观呈疏松多孔状的、密度较低的碳化硅颗粒或小块，能比较高效率地还原硅石。

通常在碳热还原法生产硅的方法中，微观下，碳元素要呈气态才能和硅石发生还原反应。而碳发生大量快速气化的蒸发点(沸点)非常高，超过3500℃，因此，反应要在高温下进行。

本发明的方法，由于碳化硅在1300℃左右就开始气化(升华)，能较使用单纯的碳质还原剂，降低反应温度，提高反应活性，从而提高反应效率和生产效率。