[其他]一种用等离子弧精炼硅的工艺方法

说明书

本发明涉及一种用等离子弧作为热源的精炼硅的工艺方法，本方法特别适用于制备其纯度足以供冶金和太阳能电池使用的硅。

目前使用的制备硅的典型方法，是在埋入式电弧炉中通过使含二氧化硅（SiO₂）的材料与某种含碳的固体还原剂发生还原反应来生产硅的，其中所用的含二氧化硅的材料可以是石英，熔凝的硅石或气态硅石，还原剂材料可以是焦炭、煤、木片或其它含碳材料。整个的还原反应为：

一般认为，上述的反应实际上包含着一系列的化学反应，其最重要的有：

在反应温度下，一氧化硅（SiO）是一种气态物质，如果反应不完全，它可能会以某种蒸气的形式损失掉。Muller等人在Scand.J.Metall.，1（1972）的145～155页中给出了利用碳还原反应从二氧化硅中制取硅时的Si-O-C化学物系的理论上的平衡条件，并对此进行了描述。但按Muller等人给出的平衡条件，在大气压力和1819℃的温度下，一氧化硅的分压必须大于或等于0.67个大气压时，上述的反应式（5）描述的反应才会发生，才能生成硅。Johannson和Eriksson在J.Electrochem.Soc.：Solid    State    Science    and    Technology，131：2（1984）的365～370页中对Si-O-C物系作了进一步地描述和定义。Johannson和Eriksson认为，压力对该化学反应是有影响的，并指出，在理论上，为了达到接近100%的硅产率，从而使原材料的利用率达到最大限度，5个大气压是最优选的压力。

用埋入式电弧炉生产硅在产业界已经有许多年了，但一般认为，在这样一个系统中存在有几个固有的缺点。在目前的埋入式电弧炉中，通常是将二氧化硅和含碳的还原固体装载到炉子的顶部，随着反应的进行，在埋入式电极的低端、炉子的底部会形成一个中空。熔化了的硅收集在中空的底部，在中空的顶部是一层反应物、中间产物和产品硅的混合体，在这层的上面是形态可变的固体反应物和中间产物。由于埋入式电弧炉里的热传导和质量输运均不良，使得电能利用率和原料利用率降低，其所消耗的能量约为理论值的3倍。这样高的能量消耗与作为付产品的一氧化碳气的损失有关，因为后者把传给含碳还原剂的能量带走了。热传导和质量输运的不良是由几个因素造成的，例如，在这种炉中，反应物和中间产物之间的固相-固相和固相-气相的质量输运限制了炉中的热传导和质量输运的效率。而且，易挥发的SiO会同反应过程中的气体付产品一起排出而造成材料的损失。据估计，在目前的埋入式电弧炉中，因排出的SiO造成的损失大约是最终硅产量的10%～20%。一氧化硅还会再次氧化而形成SiO₂。因此，SiO的逃逸并不仅仅是材料损失的问题，还会阻碍整个工艺过程的进行，而且从反应系统逃逸出的SiO₂又会形成悬浮于空中的微粒而污染环境，因而必须将它们收集起来处理掉，这又是相当困难的事情。

在目前的埋入式电弧炉中，制备硅的流程中还有力学上的问题。例如，固体流要向下运动，而与其逆流的向上运动的气体阻碍着固体流进入反应中空，由于在反应中空上方的层状混和物会产生桥接现象，从而使添加的固体反应物的输运受到该现象的阻碍而停顿下来。该桥接现象的出现还与上述的固体靠近垂直的电极有关，并且与在炉子上段比较凉的区域中形成的粘性中间产物有关。因而需要从炉子的顶端为受到阻碍的固体反应物打通输运通路，需要频频地打开反应器，捣碎或“烧碎”上述的固体并使其向下运动。