硅

背景

仅次于氧，硅是地壳中含量最丰富的元素。它存在于岩石、沙子、粘土和土壤中，与氧结合形成二氧化硅，或与氧和其他元素结合形成硅酸盐。在水、大气、许多植物甚至某些动物中也发现了硅的化合物。

硅是元素周期表中的第十四元素，与碳锗、锡和铅一起属于 IVA 族元素。纯硅是一种深灰色固体，具有与金刚石相同的晶体结构。它的化学和物理特性与这种材料相似。硅的熔点为 2570° F (1410° C)，沸点为 4271° F (2355° C)，密度为 2.33 g/cm3。

加热硅时，它会与卤素（氟、氯、溴和碘）反应形成卤化物。它与某些金属反应形成硅化物，当在电炉中用碳加热时，会产生一种叫做碳化硅的耐磨陶瓷。氢氟酸是唯一影响硅的酸。在较高温度下，硅会受到水蒸气或氧气的攻击，形成二氧化硅表面层。

当硅被提纯并掺杂硼、磷和砷等元素时，它被用作各种应用中的半导体。为了获得最大纯度，使用化学工艺将四氯化硅或三氯硅烷还原为硅。通过从熔融硅中缓慢提取晶种来生长单晶。

较低纯度的硅在冶金中用作还原剂，并用作钢、黄铜、铝和青铜的合金元素。当铝中加入少量硅时，铝变得更容易铸造，并且强度、硬度和其他性能也得到提高。硅以其氧化物或硅酸盐形式用于制造混凝土、砖、玻璃、陶瓷和肥皂。金属硅也是制造用于合成油、填缝剂和密封剂以及消泡剂等产品的有机硅的基础材料。

1999 年，世界产量约为 640,000 公吨（不包括中国），主要生产国为巴西、法国、挪威和美国。与过去几年（1998 年为 653,000 吨，1997 年为 664,000 吨）相比，这一数字持续下降。虽然没有数据，但据信中国是最大的生产国，其次是美国。据估计，中国的年产能高达 40 万吨，生产商超过 400 家。近年来，该国的出口有所增加。

美国的金属硅消费量约为 262,000 公吨，每磅成本为 57 美分。 1980-1995 年间，铝工业对硅需求的年增长率约为 3.5%，化学工业约为 8%。化学工业（主要是有机硅）的需求受到 1990 年代后期亚洲经济危机的影响。

历史

1824 年，瑞典化学家 Jons Jacob Berzelius 首次分离出硅并将其描述为一种元素。 1811 年获得了一种不纯的形式。晶体硅于 1854 年首次使用电解生产。

电弧炉内二氧化硅与碳反应生成硅。

现在用于制造硅的熔炉类型，即电弧炉，最初是由法国发明家 Paul Louis Toussaint Heroult 于 1899 年发明的，用于炼钢。美国第一台电弧炉于 1905 年在纽约州锡拉丘兹安装。近年来，炉技术，包括用于加热元件的电极，都得到了改进。

原材料

金属硅是由二氧化硅（二氧化硅，SiO2）与焦炭、煤和木屑等碳材料反应制成的。二氧化硅通常以冶金级砾石的形式接收。这种砾石含有 99.5% 的二氧化硅，大小为 3 x 1 或 6 x 1 英寸（8 x 3 厘米或 15 x 3 厘米）。煤的灰分含量通常较低（1-3% 以最大限度地减少钙、铝和铁杂质），含有约 60% 的碳，并且其尺寸与砾石相匹配。木片通常是 1/2 x 1/8 英寸（1 x 3 厘米大小）的硬木。所有材料均按照制造商的规定接收。

制造过程

基本工艺是在埋入式电弧炉中将二氧化硅和焦炭加热至高温。需要高温才能产生脱氧反应，留下硅。这称为还原过程。在这个过程中，金属碳化物通常在较低的温度下首先形成。随着硅的形成，它取代了碳。精炼过程用于提高纯度。

还原过程

• 1 将原材料称重，然后使用通风橱、桶或汽车从顶部放入炉中。一个典型的批次包含 1000 磅（453 千克）的砾石和木屑，以及 550 磅（250 千克）的煤。装有电极的炉盖放置到位。电流通过电极形成电弧。该电弧产生的热量（温度为 4000°F 或 2350°C）使材料熔化，并导致沙子与碳反应形成硅和一氧化碳。这个过程大约需要六到八个小时。炉内连续装入原料批次。
• 2 在金属处于熔融状态时，用氧气和空气对其进行处理，以减少钙和铝杂质的含量。根据等级的不同，金属硅含有 98.5-99.99% 的硅以及微量的铁、钙和铝。

冷却/粉碎

• 3 氧化物质，称为炉渣，倒入罐中并冷却。硅金属在约 8 英尺 (2.4 m) 宽和 8 英寸 (20 厘米) 深的大型铸铁托盘中冷却。冷却后，金属从模具中倾倒到卡车中，称重，然后倾倒在储料堆中。将金属从模具中倾倒到卡车上，将其充分分解以进行存储。在装运之前，根据客户规格对金属进行尺寸调整，这可能需要使用颚式破碎机或圆锥破碎机进行破碎过程。

包装

• 4 金属硅通常包装在重达 3,000 磅（1,361 千克）的大袋子或木箱中。硅粉以粉末形式包装在 50 磅（23 公斤）塑料桶或纸袋、500 磅（227 公斤）钢桶或 3,000 磅（1,361 公斤）大袋或盒子中。

质量控制

统计过程控制用于确保质量。计算机控制系统用于管理整个过程和评估统计数据。必须控制的两个主要工艺参数是所用原材料的数量和炉温。实验室测试用于监测最终产品的化学成分，并研究通过调整制造工艺来改善成分的方法。对供应商的质量审核和定期评估还确保从原材料提取到最终产品的运输保持质量。

副产品/废物

通过统计过程控制，将浪费保持在最低限度。该过程的副产品硅粉被出售给耐火材料和水泥行业，以提高其产品的强度。硅粉还用于隔热、橡胶填料、聚合物、灌浆和其他应用。冷却后的炉渣被分解成更小的碎片并出售给其他公司进行进一步加工。一些公司将其粉碎成喷砂材料。由于电弧炉会排放颗粒物，因此制造商还必须遵守美国环境保护署 (EPA) 的规定。

未来

尽管行业分析师预测西方国家对化学级硅的需求将在 2003 年之前以每年约 7% 的速度增长，但由于亚洲和日本最近的经济下滑，这种增长可能会放缓。如果供应继续超过需求，价格可能会继续下跌。汽车市场的前景是乐观的，因为越来越多的汽车制造商将各种部件改用铝硅合金。

正在研究其他制造硅的方法，包括用过冷液体形成块状非晶硅和水热法制造用于光学应用的多孔硅粉末。