化学级硅

化学级工业硅
1、概述
指经过化学方法处理后用于制取有机硅等所用的有机硅，工业级的硅纯度（Si%为98.5%）<化学级的硅纯度（Si%为99.85%）<电子级的硅纯度主要包括：
（1）沉淀法白碳黑：亲水性沉淀法白碳黑、疏水性沉淀法白碳黑
（2）气相法白碳黑：亲水性气相法白碳黑、疏水性气相法白碳黑
（3）消光粉：油漆涂料、塑料防粘连剂、补强剂、食品添加剂、喷墨介质吸附剂
（4）硅胶：细孔球型硅胶、细孔块状、粗孔硅胶、粗孔球型硅胶、粗孔微球硅胶、粗孔块状硅胶、变色硅胶、薄层层析硅胶、变压吸附硅胶、蓝色硅胶、C型硅胶、B型硅胶、柱层层析硅胶、硅胶干燥剂、猫砂、硅胶密封条、硅溶胶、硅胶干燥片、液相色谱固定相硅胶
化学用硅是指经过化学方法处理后用于制取有机硅等所用的有机硅。

我国生产的工业硅，原来主要是冶金用硅，化学用硅的生产主要是从90年代中期以来有所发展，近年来，我国化学用硅的产量和出口量增长较快。

1999年-2001年我国对日本出口的化学用硅已分别达到2.2万吨、3万吨、4万吨，2001年我国对日本出口的化学用硅已占日本化学用硅进口量的40%以上。

从世界范围来看，现在冶金用硅的消费量多于化学用硅的消费量，但随着科学技术的不断发展，化学用硅用于有机硅和半导体生产等领域不断拓宽，广泛用于生产有机硅单体和聚合物硅油，硅橡胶、硅树脂建筑物防腐、防水剂等，它们具有耐高温、电绝缘、耐辐射、防水等独特性能，用于塑料加强剂、硅油、硅橡胶、有机硅中间体、化工催化剂等。

用于电气、航空、机械、化工、医药、国防、建筑等部门。

作为集成电路核心的电子元器件，95%以上是用半导体硅制成的，半导体是当代信息工业的支柱。

化学用硅作为高新技术领域和重要基础产业得到广泛应用，其消费量是趋于稳定增长的。

在国际市场正常情况下，每吨化学用硅比冶金用硅售价高300-400美元。

2、化学用硅生产原料
在化学用硅生产上，原料是实现良好作业的先决条件。

用石英的岩石作生产化学工业硅的原料，低灰分的含碳材料作还原剂。

电炉法生产化学用硅的原料主要有硅石和碳素原料。

碳素原料又以石油焦为主，有优质的无烟煤或木炭，也可以掺用一部分，以增加炉料比电阻。

对原料要求具有必要的纯度，有良好的反应能力，以便达到产品的规格；还原剂具有不同的反应能力，以便能与石英石发生充分反应；炉料具有不同的成分，并且既有不同的粒度，以便通过适当的配合，使炉料电炉发生良好的影响。

2.1、氧化硅矿物
冶炼工业硅的过程是无渣过程，化学硅冶炼对硅石的选用较严格，不仅杂质
含量要少，还要求有高的机械强度、足够的热稳定性，适宜的粒度组成。

化学用硅熔炼最好采用硅石
天然形态的氧化硅或者是以独立的石英矿物存在，或者是以几乎全是由氧化硅积成的岩石—硅石，或硅石形态的砂岩存在。

生产化学用硅的含有氧化硅矿物中的杂质和粘着物，在熔炼过程中有的完全被还原，有的部分被还原，有的以化合物形态进入产品硅中或生成熔渣。

这样不仅增大能量消耗，降低产品质量，还给熔炼过程造成困难。

因此，对化学用硅冶炼所用的含氧化硅矿物的化学组成要求严格。

要求SiO2大于99%，Fe2O3小于0.15%，Al2O3不大于0.2%，CaO不大于0.1%，杂质总和不大于0.6%。

所用硅石在熔炼前必须进行水洗，表面清洁。

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入炉的硅石要求有一定的粒度。

硅石的粒度是冶炼的一个重要工艺因素。

硅石适宜粒度受硅石种类、电炉、容量、操作状况以及还原剂的种类和粒度等多种因素影响，要根据具体的冶炼条件来决定。

一般情况下，6300KV A三相电炉，要求硅石粒度在8-100mm，3200KV A三相电炉，要求硅石粒度为8-80mm，而且中间粒度组成的比例要大些。

粒度过大时，由于不能和捣炉粘料及反应速度相适应，易使未反应的硅石进入液体硅中，造成渣量增多，出炉困难，硅的回收率降低，能耗增大，甚至造成炉底上涨，影响正常生产。

粒度过小，虽能增大还原剂的接触表面，有利于还原反应的进行，但反应过程中生产的气体不能顺利排出，又会减慢反应速度。

粒度过小时。

带入的杂质又会增多，影响产品质量。

生产中一般小于5mm的硅石不宜采用。

2.2碳质还原剂
化学硅冶炼所用的主要还原剂有石油焦、烟煤、木炭。

为增大炉料的电阻率，增加化学活性，也有搭配气煤焦，硅石焦、蓝炭、半焦、低温焦、木块的。

4 c6 在碳质还原剂化学成分中，主要应考虑固定碳、灰分、挥发分和水分。

一般要求固定碳要高，所需还原剂总量减少，从而灰分带入的杂质少，渣量相应减少，电能消耗降低，化学硅中杂质含量降低。

碳质还原剂的电阻率要大，气孔率要高。

炉料电阻率主要取决于碳质还原剂。

碳质还原剂电阻率大，化学活性好，硅的回收率高。

石油焦是所用于工业硅生产的还原剂中灰分最低的，含灰分0.17-0.6%，固定碳90-95%，挥发分不大于3.5%-13%。

化学用硅冶炼采用石油焦做还原剂，这是因为它的灰分低，有利于提高产品质量。

但由于石油焦电阻率小，反应性差，高温下易石墨化，用量偏大时，导致炉况不好控制，造成炉料不烧结、刺火严重、电耗高、出炉困难。

木碳具有很高的比电阻和反应能力，而且杂质含量少，是熔炼工业化学用硅的较为理想的还原剂，但用不同的木材和不同的方法制得的木炭其性质也很不同。

去皮木炭的灰分含量通常比带皮木炭的灰分含量低二分之一至三分之一，树皮对木炭中灰分的含量有很大的影响。

木炭主要成分是碳，灰分较低，一般小于10%。

电阻率较大，化学活性好。

多年的生产实践证明，木炭是满足冶炼化学用硅需要的重要碳质原料，但炭的来源受到限制，无法再使用木炭还原剂。

从国外的情况看，绝大多数国家已不再使用木炭。

国内的很多厂家在寻求和使用木炭代用品方面也做了大量工作。

实践证明，在各种碳质还原剂中，从反应能力和比电阻的大小来看，烟煤是木炭之外的另一种较为理想的还原剂。

烟煤的特点是电阻大，反应能力强，低灰分烟煤是经过洗选获得的。

灰分含量可达3%左右，Fe2O3含量达0.2-0.3%，Al2O3含量小于1%。

现在我国还原剂烟煤的灰分含量多在3%以上，而国外还原剂烟煤的灰分的含量多在1%左右，苏联采用的化学法精选烟煤，能得到氧化铁含量低于0.1%的精煤。

木块的作用在于增加料层的电阻，用量的大小都对炉况产生影响。

木块用量过大，料层疏松、炉况变坏，电耗上升，木块由于着火点、含碳量都低，实际作还原剂微乎其微。

碳素原料中的杂质主要是灰分，全部由氧化物组成。

在化学生产中，灰分中的氧化物也要被还原，既要消耗电能，又要消耗碳素，而且被还原的杂质仍然混入硅液中，降低了硅的强度。

在生产实践中，炉料中每增加1%的灰分，就多耗电能100度-120度，因此，要求碳素原料中的灰分含量愈少愈好。

2.3电极
电极是化学用硅生产中主要的消耗材料之一。

化学用硅冶炼用电极，一般采用石墨电极和碳素电极，目前国内主要采用石墨电极。

在硅冶炼炉中，电极就是心脏，是导电系统的重要组成部分。

电流是通过电极输入炉内产生电弧，用于化学硅冶炼。

对电极材料的要求：（1）导电性好、电阻率小，以减少电能损失。

（2）熔点要高，热膨胀系数要小，不易变形；（3）高温时有足够的机械强度，杂质含量低。

石墨电极的灰分含量低，导电性、耐热性和耐腐蚀性能都比较好，是化学用硅冶炼的最佳选择。

3、化学级工业用硅的生产
化学级金属硅（硅含量大于99.85%）是进一步提纯至多晶硅的主要原料
• 化学级金属硅的生产主要是用碳热还原的冶炼工艺。

• 要求原料非常严格
1、高纯石英矿石（要求SiO2大于99%，Fe2O3小于0.15%，Al2O3不大于0.2%，CaO不大于0.1%，杂质总和不大于0.6%）；
2、低灰分的含碳材料，（电炉法生产化学用硅的原料主要有硅石和碳素原料。

碳素原料又以石油焦为主，有优质的无烟煤或木炭，也可以掺用一部分，以增加炉料比电阻。

3、对电极材料的特殊要求：（1）导电性好、电阻率小，以减少电能损失。

（2）熔点要高，热膨胀系数要小，不易变形；（3）高温时有足够的机械强度，杂质含量低。

炉料准备-电炉熔炼-硅的精制和浇铸-除去熔夹杂而进行的破碎。

• 炉料准备：硅石粒度不大于100mm并洗净，精洗烟煤取代木炭，炉料必须混合均匀。

• 电炉熔炼：闭弧操作，保持高温炉，提高热效率，提高电炉利用率;采用一定时间的焖烧和定期集中加料
• 硅的精制和浇铸:对操作工人和操作时段要求严格，必须有足够丰富的生产经验。

• 除去熔渣夹杂而进行的破碎。

是后期处理的关键点，目的是去除夹杂，保证品质
4、相关牌号及成分
一般包装标准为散装、50kg双袋装、1000kg集装袋装等，通用粒度为6-200mm。

截至上周五（7月15日），云南地区金属硅553#出厂价降为12400-12600元/吨，贵州四川等地12600-12800元/吨，福建地区13100元/吨；441#云南地区金属硅553#出厂价为13300-13500元/吨,贵州地区13500-13700元/吨；云南地区3303#和2202#也降至14300和15300元每吨。

以上价格都是工业用硅。

化学级工业硅价格要高的多。

表1金属硅的牌号及化学成分
化学级金属硅也一样拥有以上牌号硅含量超过99.7%，不同之处在于除铁铝钙之名代号化学成份
Si含量(%) 杂质含量(%)
Fe Al Ca P
1515级>99.6% ≤0.15—≤0.015≤0.004% 2202级>99.5% ≤0.2≤0.2≤0.02≤0.004% 2203级>99.5% ≤0.2≤0.2≤0.03≤0.004% 2503级>99.5% ≤0.2—≤0.03≤0.004% 3103级>99.4% ≤0.3≤0.1≤0.03≤0.005% 3303级>99.3% ≤0.3≤0.3≤0.03≤0.005% 411级>99.2% ≤0.40.04—0.08 ≤0.1—
421级>99.2 % ≤0.40.1—0.15 ≤0.1—
441级>99.0 % ≤0.4≤0.4≤0.1—
553级>98.5 % ≤0.5≤0.5≤0.3—
准，化学级金属硅是进一步提纯至多晶硅的主要原料，目前随着太阳能和电子行业的发展，化学级金属硅的生产逐步扩大。

多晶硅分电子级多晶硅和太阳能级多晶硅用于电子级多晶硅占55％左右，太阳能级多晶硅占45％，随着光伏产业的迅猛发展，太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体（电子级）多晶硅的发展，2008年太阳能多晶硅的需求量将远超过电子级多晶硅。