硅的性質

硅是自然界中分布最廣的元素之一，地殼中約含26.3%，僅次于氧元素，是介于金屬和非金屬之間的半金屬。硅晶體結構決定了硅的物理化學性質，硅具有與金剛石相似的正四面體穩定結構，硅原子之間通過共價鍵連接，因此硅具有硬度大，熔沸點高等性質。

硅在常溫下很不活潑，是一種表面呈銀灰色金屬光澤的絕緣體，不溶于鹽酸和硝酸中，僅可溶于硝酸和氫氟酸的混合溶液與堿液。然而在高溫熔融狀態下，硅導電性極強，同時具有較大的化學活性，可與部分金屬互熔并生成硅的化合物，即使石英也能與之發生反應。

在自然界中，硅主要是以氧化硅和硅酸鹽的形態存在。

工業硅的應用

硅材料因其具有上述良好的物理化學性能，被廣泛的使用，尤其是太陽能光伏產業的興起，對硅的需求和質量提出了更高的要求。冶金工業中硅以硅單質或硅鐵合金形式大量應用，工業硅廣泛應用于光伏、有機硅、合金等行業。

在光伏行業中，工業硅是制造多晶硅等材料的主要原料；工業硅還是有機硅的最主要原料，用于生產硅烷、硅酮、硅油等產品；在合金行業中，工業硅主要是作為非鐵基合金的添加劑，將硅加入到某些有色金屬中時，能提高基體金屬的強度、硬度和耐磨性，有時還能增強基體的鑄造性能和焊接性能；工業硅作為脫氧劑可除去金屬熔體中的溶氧；硅單質作合金劑可提高鋼和某些合金的強度和耐蝕性，在鑄鐵中添加適量硅以制造高硅鐵合金，可顯著増強鑄鐵對多種化學試劑的抗腐蝕能力。

現今，工業硅已然成為硅基新材料產業鏈的主要上游產品，是很多國民經濟重要部門的核心原料。隨著近年來綠色能源改革，光伏產業大力推行，我國的工業硅產能也表現為持續、快速、穩定發展的特點。

工業硅的生產

工業硅是以硅石（石英砂）為原料，以碳質材料為還原劑，通過在電弧爐中熔煉獲得。常用的還原劑主要有木炭、石油焦、煤等，它們可以將金屬硅從硅石中還原出來。硅石與還原劑在爐內高溫環境下發生還原化學反應。

生產得到的工業硅純度在98%~99%之間，雜質來源于硅石和碳素材料（包括石油焦、精煤碳素電極等）。爐內溫度是影響工業硅冶煉的重要因素，溫度的分布不僅影響著爐內化學反應的好壞，同時也對電弧爐設備有著不同程度的破壞，如電極的燒蝕、爐襯的破壞等。

電弧爐是利用電極之間產生的電弧的熱量來熔煉金屬的一種電爐，通常所說的電弧爐一般指煉鋼電弧爐。在電弧爐中，存在一個或多個電弧，通過電弧放電作用把電能轉變成熔煉物料所需的熱能。

通過上述生產的金屬硅大部分為塊狀，若以硅塊為原料進行破碎細化，一般采用球磨法、輥磨法、沖旋法可以生產工業硅粉，成品粒度通過工藝調節可以控制在30-425目范圍內。

從上面的工業硅生產工藝流程可以看出，工業硅的生產流程相對簡單，但是其能源消耗相對較大，平均電耗高達13000kwh/t。有業內專家從以下幾個方面提出節能措施：1）選用較好的硅源礦石作為工業硅的原料，并采用灰分低、活性高的碳質還原劑進行生產；2）設計過程中，盡量選用最先進的熱電爐進行加工生產；3）從工藝操作上進行優化，減少熱停及在布料過程中均勻性，能夠及時的進行搗爐等操作。

工業硅對硅石原料的要求

硅石的潔凈度

雜質含量越高，爐口料面明顯發粘，爐口透氣性不好，料面溫度升高且發紅，熱量損失大，從而電耗升高；因此硅石的精選和水洗是減少硅石帶入雜質，節能降耗的主要措施之一。

據了解，對于生產優級工業硅的硅石，其氧化物雜質含量應達到Fe₂O₃小于0.15%，Al₂O₃小于0.20%，CaO小于0.15%。如果生產超優質工業硅，對氧化物雜質的控制更嚴格，Fe₂O₃小于0.1%，Al₂O₃小于0.15%，CaO小于0.10%，并對硅石中硼(B)磷(P)還有嚴格要求。

硅石的熱穩定性和抗爆性

加入電爐的硅石要有足夠的熱穩定和良好的抗爆性。否則會因為受熱很快破裂且表面迅速剝落，導致電爐透氣性變差，電爐上部爐料粘結，熱量損失增大，電耗升高，因此選用時要考慮此現象。

硅石的粒度

粒度過小，使得爐料透氣性差，粒度過大未反應的硅石沉入爐底或進入硅溶液中造成渣量增多，使得電耗升高，因此需要控制硅石的粒徑范圍在50-120mm。

太陽能多晶硅的制備

近年來，隨著全球光伏產業快速發展，世界各國都在搶占光伏領域的制高點。多晶硅作為生產太陽能電池的原材料，其需求量呈大幅增漲趨勢。多晶硅被喻為光伏產業的“基石”，是硅產業鏈中極為重要的中間產品，也是集成電路和光伏產業最源頭的環節，是發展電子信息產業和光伏產業的根基。

太陽能多晶硅的制備技術主要有化學法和物理法。目前制備太陽能級多晶硅的主流工藝是化學法，約占全球產量的80%。物理法又叫做冶金法，類似于金屬冶煉提純過程。目前來說，化學法提純工業硅的純度更高，但是冶金法流程短，環境友好，成本低，更具發展前景。

冶金法是指以工業硅為原料，采用濕法冶金、真空熔煉、氧化精煉、定向凝固、特種場熔煉等技術組合而制備太陽能級多晶硅的方法。冶金法的特點是在提純過程中硅不參與任何化學反應，依靠硅與雜質物理性質的差異，通過冶金熔煉的方法將雜質去除，從而獲得滿足太陽能電池性能需求的多晶硅，具有低成本、安全環保等優點，成為該領域的研究熱點。

參考來源：

直流電弧爐工業硅冶煉過程的傳熱特性研究，徐龍，昆明理工大學

工業硅爐外精煉過程雜質硼、磷反應動力學與分子動力學模擬，何乃勇，昆明理工大學

工業硅生產工藝及節能探討，鄭紅梅等，中國恩菲工程技術有限公司

優級工業硅的生產，唐琳等