金属硅冶炼的热化学反应理论

用碳还原二氧化硅是一个比金属冶炼还要更复杂的物热化学反应过程，在综合大量的科学研究之后，得出了金属硅生产中物热化学反应的基本规律，并从金属硅的生产工艺过程中，论证了所得到的规律的正确性和可参考性。

下面简要阐述54年以来业界前辈们的经验成就，与我们在此基础上更深一层的科学归纳。

1.      Si—O系

 在Si—O系中，稳定的“相”是SiO2，其理论熔点1933K（1660℃）【显晶型二氧化硅为1414℃】，沸点3048K（2775℃）。1973K时的比电阻为90Ω·m。研究表明，石英岩（SiO2）在加热过程的“相”过渡中有十多种变体，即它的结晶结构也跟着，有较大的体积变化。在金属温度1143~2001K下，从石英相，过度到鳞石英时，其体积增加值可达到14.7%，如此大的体积变化，结果就导致作为炉料组分的石英（俗称硅石）在炉料表层发生热裂。吸水性、导电性的石英成分愈高，炸裂得愈厉害。

    在金属硅的冶金理论中，重大的理论突破是，发现了新的硅的低价氧化物—SiO。这从金属硅的除尘器中回收大量的SiO2粉尘得到证实。且能够进一步证实，在熔炼时，氧化物SiO起着非常重要的还原作用，它是必须的中间产物。SiO在Si—O系中的生成：

    在液态下：SiO2+Si=2SiO          （1）

    平衡常数与温度的关系：LgPSiO=-(15200/T)+7.38

    在液态下，纯SiO2的蒸发按下反应进行生成SiO：

    SiO2=SiO+1/2O2                     (2)

    在1773K～1983K：

△G0=762240-244.06T

因此，能够充分理解炉中SiO的生成和参与反应的基础理论，就能够认清：防止生成的SiO逸出炉口损失的重要性，减少烟气、降低热能发散、消除尘粉尘（也称微硅粉）是提高冶金炉效率，改善冶金炉的技术经济指标重要的工作。

2.  Si—C系

在冶炼金属硅时，对SiC的认识也非常重要，因它与SiO一样它也是过渡中不可或缺的产物。冶炼过程中它的生成，如果是在固态下完成的，固态的SiO2与还原剂中的固态C按下式进行反应：

SiO2+3C=SiC+2CO   (3)   SiO2+C=SiC+O2   SiO2+2C=Si+2CO  SiO2+4C= SiO+ SiC+3CO

△G0=555615-322.11T

若PCO=100Kpa，在1725K时△G=0。因此，在冶炼反应过程中，在较低温度固态下，即未达还原温度时，将生成大量的SiC。即，如果有足够的碳，且SiO2与C有百分之百的接触面，则SiO2将全部转化为SiC（碳化硅的生产就是建立在这个理论基础上）。

* 液态的硅与固态的碳，按下式反应生成SiC：

Si+C=SiC                          (4)   Si+2C=Si+2CO

在1683~2000K时：

△G =-100600+34.9T，

在2880K时，△G=0。也就是说，在2880K之前SiC是稳定的，高于该温度它将开始离解。

* 气态的SiO与过剩的C在高温下，按下式生成冷凝的SiC：

SiO+2C=SiC+CO       (5)   （正常： SiO+C=Si+CO   SiO+SiC=2Si+O ）

在通常条件下SiC不熔化而是从固态转变为气态。

SiC将按下式进行离解生成液态硅和固态碳：

SiC→Si+C       (6)  或 SiO2+0.5SiC=1.5SiO+0.5CO  SiO2+2SiC= 3Si+2CO  2SiO2+SiC= 3Si+CO  0.5SiO2+SiC= 1.5Si+CO

充分理解SiC的生成、离解和参与反应的理论对减少SiC在炉中的残余量，对炉况的顺行十分重要。

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