中频熔炉冶炼切片硅泥生产金属硅分析

1、硅泥介绍

光伏行业产业链条中包含多晶硅、单晶硅到太阳能光伏面板这一过程，单晶硅锭到光伏面板要经历一系列的加工过程，这些加工过程会产生各种硅泥，最主要的硅泥产出工序为拉晶硅棒开方过程和硅锭切片过程等，这两个工序所产生的硅泥一般称为拉晶硅泥和切片硅泥，硅锭在线切割设备中水浴切割成硅片，过程产生的硅粉进入水中，含有硅粉的污水经沉淀和压滤形成硅泥饼，这种硅泥饼水含量通常在45-60%，这两种硅泥的硅含量不同，拉晶硅含量较低，干基成分中的硅含量（全硅）为60-80%，单质硅含量为35-65%，切片硅泥硅含量（全硅）为85-97%，单质硅含量为70-95%。光伏行业硅泥以切片硅泥的产出量最大，约占硅泥总量的85-90%，1GW硅片（182片）产能年产出含水55-60%的切片硅泥1800吨左右。2021年国内硅片产量约为227GW，如果按照平均182片计算，年硅泥产量约为40万吨。

2、切片硅泥利用的途径

目前，国内利用切片硅泥的企业主要采用中频炉冶炼的方法，硅泥经烘干后，经中频炉熔炼生产金属硅产品，采用中频炉冶炼是借鉴了中频炉熔炼硅渣的工艺方法，技术特点主要有以下几个方面：

3、冶炼过程

（1）如何将不导磁的单质硅加热到熔点

硅是半导体，在常温条件下几乎没有磁性，硅的熔点很高，达到1436℃，既不导磁熔点又高的硅粉如何用中频炉熔炼呢？这是因为金属硅形成液态后具有了液态金属的磁性，因此可以采用感应加热的方式进行熔化升温，但是硅粉从常温到金属硅熔化温度1436℃，由于没有磁性，感应加热在这个温度区间无法实现，因此通常采用一种叫“引红”的方法，即在中频炉底铺加少量焦炭或废电极块，将单一石墨电极插入中频炉，通电后电极同焦炭之间形成短路实现打弧，打弧成功后将少量硅粉分多次加入到电极弧四周，由于电极弧四周温度高达2000℃左右，因此硅粉熔化形成硅水，当中频炉内形成一定深度的硅水后，一般是深度的15-20%后，将电极取出，由于炉内存在能够导磁的硅水，中频炉感应加热开始发挥作用。

（2）如何大量熔化硅粉

中频炉内形成一定深度的硅熔池后，感应加热开始发挥作用，感应加热持续将热量传递给硅水，硅水又将热量传递给硅粉，这样硅粉就逐渐熔化，就如同沸水煮面粉，当面粉加到沸水表面时首先形成一层半熔融态的糊状物，然后逐渐溶解到沸水中，硅粉熔化过程也是这个原理，接触到硅水熔池的硅粉自硅水液面向上形成熔融-半熔融-烧结-硅粉的状态，硅粉逐渐熔化，这种依靠硅水传导热量的熔化方式带来一个问题就是每次加入到硅水液面的硅粉量不能太多，这主要是跟中频炉的加热方式有关，只有存在硅水的部分，感应线圈才能发挥电磁感应加热的能力，而没有硅水的部分，感应线圈无法产生电磁感应而无法加热，因此，当硅粉加入量过多时，烧结层和硅粉层变厚，这部分固态物质是无法被感应线圈加热，而硅粉在高温条件下极易发生氧化反应，因此硅粉的氧化量就会加大，同时，硅粉氧化后形成二氧化硅，二氧化硅的熔点超过1800℃，一旦形成高熔点的渣壳，继续添加的硅粉就很难同熔池发生接触熔化，硅粉氧化量逐渐增加，因此，中频炉需要多次、少量均匀的加入硅粉，这就使得冶炼时间非常长，能耗也显著增加，以8t中频炉（8t指的是炼钢时的公称容量，中频炉通常作为炼钢设备使用，因此其公称容量以熔化钢水量来表示）为例，熔化1.4-1.5t干基硅粉，通常需要2-2.5小时，吨硅水耗电量达到3000-3500度（而相同炉型的中频炉熔化8t废钢仅需要40-50分钟，吨钢耗电量仅530度左右），因硅粉单质硅含量的差异，得到的硅水通常仅为600-800kg，在高水平操作条件下，单质硅收得率仅能达到60-70%。

（3）冶炼温度的控制

中频炉通常是应用在钢铁行业，设备的设计主要参考炼钢的要求，一般中频炉熔化废钢或铸铁时温度控制在1550-1600℃，在这样的工作温度下，单质硅熔化没有问题，而炉渣的熔点确远大于这个温度，所以就必须提高温度以熔化高熔点的炉渣。硅水的密度与以二氧化硅为主炉渣的密度接近，因此，从工艺控制角度来讲，不希望有太多的炉渣，密度接近的硅水和炉渣造成的主要问题是硅水与炉渣难以分离。但是如上所述，硅粉自带的和氧化形成的二氧化硅熔点高，在中频炉正常工作温度条件下，炉渣很难熔化，因此需要加入造渣材料（通常是活性石灰）以降低炉渣的熔点，而过多的渣量产生的分离问题又难以解决，为了尽可能的减少造渣材料的加入量，必须提高熔池温度熔化高熔点的熔渣，所以通常中频炉冶炼硅粉时需要将温度控制在1700-1750℃，保证炉渣熔化并具有一定的流动性，这样就进一步增加了能耗，由于中频炉属于熔化炉，耐材通常采用捣打料，耐火度较低，过高的温度加速了硅水接触部分耐材的消耗和损失，被侵蚀的炉衬也进入炉渣，增加了渣量。同时，由于炉渣不具有导磁性，因此聚集在硅水上面的炉渣得不到持续的加热，只能通过硅水的热传导，由于炉渣不具有导磁性，炉渣所在的位置很难获得感应加热，已经熔化的炉渣遇到温度较低的炉壁时就会凝结成渣壳，随着渣量的增加和冶炼炉数的增多，炉口会形成厚厚的一层渣圈，这层渣圈在下一炉冶炼时会不断增大，比如内径0.8米中频炉（深度1.4-1.5米），冶炼3-4炉后，炉口就会因结渣严重而无法继续冶炼，必须进行清理，所以通常采用中频炉冶炼的厂家要配比3-6台中频炉，通过轮流冶炼的方式解决结渣的问题，不但增大了投资，也大大提高了能耗和耐材消耗。

(4)如何出硅水和处理大量炉渣

中频炉冶炼硅粉过程会产生大量的炉渣，有的厂炉渣量同金属硅量相同甚至大于金属硅量，影响渣量的因素主要有：原料硅泥单质硅含量、硅泥烘干过程的氧化损失、中频炉冶炼操作水平。大量的炉渣主要来源两个方面，第一方面是硅粉自身。硅粉含有的主要杂质是二氧化硅，而且不同切片厂家处理后的硅泥二氧化硅含量差异很大，硅泥中二氧化硅含量波动在2-15%；第二是中频炉的熔炼方式带来的氧化损失和为了降低二氧化硅熔点而加入的外加渣料如石灰，这部分是主要的炉渣来源，占到总渣量的70%以上。由于渣量较大，当冶炼结束时，中频炉内集聚了大量的高温炉渣，出硅水前必须将这部分炉渣人工扒出，工人的劳动强度非常大，扒渣通常需要十几分钟的时间，延长了冶炼周期。

（5）生产强度与生产环境

如前述，中频炉冶炼硅泥时必须采用少量、多批次的方法，由于需要实时观察硅粉的熔化情况，因此需要人工加料，中频炉就处在开方的生产环境中，同时，硅粉的粒度通常达到2000目-2500目，即粒度仅为0.5-2.5µm，有多细小呢，大家最熟悉的大气清洁指数PM2.5就是2.5µm以下的颗粒物。人工加料通常用铁锹或木耙把硅粉均匀的布撒在硅水表面，这时熔池温度高达1600℃以上，由于硅粉仍含有少量水分（2%左右）和有机物，加入到硅水液面时，水分和有机物受高温分解，这一过程会产生大量的烟雾，白色烟雾裹挟着大量微小的硅粉从炉口喷出，含有硅粉和有机物分解产物的气体遇空气就会燃烧甚至爆燃，形成熊熊的火焰和烟雾，而操作工人此时就站在旁边，因此工人的劳动条件是极其恶劣的。冶炼结束后，大量的炉渣需要人工从中频炉口扒出，通常需要十几分钟的时间，炉渣的温度在1700℃左右，这一过程劳动强度也非常大。