杂质对工业硅生产的影响

杂质对工业硅生产的影响一、非挥发性杂质过渡金属元素上述元素（如Fe、Co,Ni等）的氧化物比SiO2的稳定性低得多，也就意味着在给定的温度下，过渡金属氧化物倾向于被还原为金属单质，而将SiO2还原为Si要求更高。同时也表明石墨及单位气压CO的存在下，他们在相当低的温度下就开始变得不稳定。碱金属（Na、K）Na2O在室温下相当稳定，但随着温度的上升其稳定性迅速降低。纯的Na2O在1000°C左右可被还原为气态金属单质。对于挥发性更高的K也是同样，K2O比Na2O更不稳定。碱土金属和铝的氧化物该杂质属于电炉原料中最多的杂质，比SiO2要求更低的碳就可因其还原为金属状态。但是TiO2就不同，在涉及到的温度范围内，TiO2都比SiO2稳定，其熔点为1750C，稳定性与A12O3相近。中间的氧化物Ti3O4和Ti2O3则位于其中。Cr和Mn的氧化物如果在SiO2和C的混合物料中加入纯的Cr和Mn的氧化物，在发生任何反应之前，Cr与Mn已经被完全还原。由于Mn完全还原需要的温度刚好可以产生液态的渣，硅酸盐矿石中最稳定的难熔氧化物杂质活度小于1，设想在熔点1700C下仍然SiO2未被还原，但是Mn已经融入玻璃体的炉渣中。液态硅作为溶剂溶解杂质元素成为合金结品状态的Si几乎不溶任何其他金属，但是除了Al、Ga和Ge外，他可以同其他多数金属形成硅化物。Si在液态时，可溶解多数金属形成溶液。如固体时Cr2O3和TiO2均不如SiO2反应或者混合，在液态的SiO2中的溶解度也很少，但是TiO2可以降低SiO2的熔点，并在1550C时形成共晶。炉渣形式的杂质研究推测表明，进入电炉60-70%的Al、90-95%的Ca来自还原剂，并有约70%的Al和50%的Ca进入产品。同时，高达60%未还原的Al和10%的Ca随着烟尘散失，其余为炉渣的组成部分。Al在煤中主要以黏土及含有碱金属的云母和高岭土的形式出现。在一些石英石中也存在云母和长石形式的杂质，如钙长石。黏土在加热到在1600°C之前，碱金属氧化物生成SiC之前首先被还原蒸发。然后，1600C左右时，在游离碳和SiC作用下黏土会释放其中的羟基变成一种浓缩状态。此时，硅铝酸盐和CaO会仍然留在分散的小粒中，其中硅酸盐在进一步的加热中会被还原成SiC和A12O3。温度在超过1800C后，CaO和A12O3会分别被游离的C还原为CaC和A14O4C。在生成工业硅的温度范围内，Ca、Al和A12O3等的气化并不多。而在液态Si存在下，Ca和Al几乎溶解其中。二、挥发性杂质氮氮存在于还原剂中的有机物中，在400C以上遇到碱金属时生成碱金属的氰化物，如果在1300C以上的区域还有氢的存在的话，将生成HCN气体。硫硫和氮一样也是还原剂固有的杂质，不过矿物中也有存在。存在于有机物中的硫在加热的前期以H2S或COS的形式同黄铁矿分解释放的单质硫一同逸出。剩余的硫以金属硫化物的形式存在于电炉中直到生成金属单质的温度，部分还会转化为气态的SiS。研究表明，98-99%的硫会以气体的形式逸出。磷磷对产品质量的影响最大，也是有机物中固有的元素，在矿物中主要以磷灰石的形式存在。磷在氧化气氛下约300摄氏度以P5O10形式挥发，不过C/CO存在时，会在300C以下生成P4O6。这种氧化物在C/CO存在时可以在1250C前稳定存在。随还原剂金属工艺的磷基本上都被转化为气