工業(yè)硅在工業(yè)硅爐中熔煉而得，系無渣埋弧高溫熔煉過程。原料為硅石，石油焦，木塊，低灰煤等為還原劑，經(jīng)高溫熔煉，硅逐漸從硅石中還原出來 。

硅礦石的主體成分為SiO₂。用碳質(zhì)還原硅石生產(chǎn)工業(yè)硅的化學(xué)反應(yīng)為：

SiO 2C=Si 2CO

但反應(yīng)過程的機理很復(fù)雜。已有很多人對用碳還原SiO₂生產(chǎn)元素硅的機理進行過研究，但研究者的意見尚不一致，其中具代表性的有拉思反應(yīng)機理、凱利反應(yīng)機理、拿哥莫利一馬林斯蓋反應(yīng)機理等。

1.拉思反應(yīng)機理

德國拉思(Gero Bath )等人認為，二氧化硅的碳還原過程可概括為SiC的形成、SiC的分解和SiO的冷凝三大階段。當(dāng)爐料溫度達到1770K以上時，SiO₂與碳反應(yīng)生成SiC。

2.凱利反應(yīng)機理

美國凱利(W. M. ICcli)通過試驗研究認為，當(dāng)煉硅爐內(nèi)爐料中的碳下落時。與上升的SiO氣體相遇，發(fā)生生成SiC的反應(yīng)。

3.拿哥莫利-馬林斯蓋反應(yīng)機理

加拿大拿哥典利( M.Nagamvri)和馬林斯蓋(I. Malinsky)等對Si-C-O三元系進行過深入的研究，把Si、SiC、SiO₂、SiO四個凝聚相的體系稱為“穩(wěn)定系”或“穩(wěn)定區(qū)” 。

將化學(xué)組成符合要求的硅石破碎到規(guī)定的粒度，并與碳還原劑按比例混合均勻。碳還原劑有木炭、油焦和煙煤，它們的質(zhì)量也要達到規(guī)定要求。

電極是消耗材料。硅熔煉用電極有石墨電極、碳素電極和自焙電極。中國均使用石墨電極。其物理化學(xué)性能要符合國家標(biāo)準(zhǔn) 。

硅熔煉在埋弧式電爐中進行，是個爐料從爐缸上部不斷熔融向爐膛內(nèi)下沉進行化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)過程。

配制好的爐料經(jīng)下料管和流槽從爐上料倉加入爐內(nèi)，或由人用鐵鍬把護料加入爐內(nèi)。向爐內(nèi)加料時，要注意保持爐缸上部規(guī)定的料面水平。電極以適當(dāng)?shù)纳疃嚷袢霠t料中。在熔煉過程中，由于料面被高沮燒結(jié)，不能順利地沉降到爐膛的反應(yīng)帶內(nèi)，需用搗爐機刺破并翻開料面的燒結(jié)殼，強制爐料下沉。電極經(jīng)高溫?zé)龘p及參與化學(xué)反應(yīng)而不斷消耗，為使電極在爐內(nèi)保持一定的長度，必須定期下移和接長電極。當(dāng)爐內(nèi)出現(xiàn)逆況時，一般采用調(diào)整配料比和電氣參數(shù)的辦法進行處理 。

全稱礦石還原電弧爐，又稱礦熱爐，簡稱硅爐。煉硅爐按其電氣接線和電極的相數(shù)可分為單相單電極、單相雙電極、三相三電極和三相六電極等幾種類型。在中國除個別工廠采用單相雙電極硅爐外，大都采用三相三電極煉硅爐。

煉硅爐主要由供電系統(tǒng)、電極、水冷系統(tǒng)、集氣排煙系統(tǒng)，下料系統(tǒng)和爐體等部分組成 。2100433B

根據(jù)加熱熱源的不同，真空熔煉主要可分為真空感應(yīng)熔煉，真空電弧熔煉，電子束熔煉等3種。

真空熔煉真空感應(yīng)熔煉

將金屬爐料放入置于線圈中的坩堝內(nèi)，當(dāng)線圈接通交流電源時，在線圈中間產(chǎn)生交變磁場，爐料中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時產(chǎn)生了感應(yīng)電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個原理進行熔煉的方法稱為感應(yīng)熔煉。而處于真空條件下的感應(yīng)熔煉則為真空感應(yīng)熔煉。真空感應(yīng)熔煉能夠嚴格控制合金中活潑元素如鋁、鈦等的含量，可以有效地去除合金中的氣體和非金屬夾雜物以及有色金屬雜質(zhì)，提高合金的純凈度。但真空感應(yīng)熔煉存在著坩堝耐火材料對金屬液的沾污問題，且通常采用鋼錠模澆注，鋼錠結(jié)晶組織與普通熔煉的鑄錠組織比較并無改善。真空感應(yīng)熔煉主要用來熔煉高溫合金、精密合金及特殊鋼材料，其主要產(chǎn)品是鑄錠、精密鑄件和雙聯(lián)熔煉用的電極母材。

真空熔煉真空電弧熔煉

在真空條件下利用電弧來加熱和熔煉金屬的熔煉方法。這種熔煉方法所使用的電極有自耗電極和非自耗電極兩種。自耗電極是由被熔煉材料(即爐料)制成，在熔煉過程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點材料制成，在爐料熔煉過程中它基本上不消耗。采用自耗電極的真空電弧爐稱自耗電極電弧爐，簡稱自耗爐;采用非自耗電極的真空電弧爐稱非自耗電極電弧爐，簡稱非自耗爐。非自耗電極熔煉已較少使用，而自耗電極熔煉大量應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，成為二次重熔的主要手段之一。真空電弧熔煉的坩堝一般用銅制成，外面用水冷卻，稱為水冷銅結(jié)晶器。熔煉時，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負極，水冷銅結(jié)晶器接正極，通電后兩極間產(chǎn)生弧光放電，將電能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫使材料熔化。熔煉過程中液態(tài)金屬熔滴通過高溫弧區(qū)后落入金屬熔池，并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)凝固成錠。通過金屬液與氣相間以及熔池內(nèi)發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，達到提高金屬的純凈度，改善其結(jié)晶組織和性能的目的。真空電弧熔煉不受大氣、耐火材料和鑄模等的沾污;可以去除鋼及合金中的氣體和有害金屬雜質(zhì);熔煉中夾雜物也可上浮去除一部分，并可改善夾雜物在合金中的分布及形態(tài);水冷銅結(jié)晶器中的鋼錠鑄態(tài)組織比普通鑄錠為好。但真空電弧熔煉需預(yù)制電極，且鋼錠表面較差。真空電弧熔煉可用來熔煉鈦、鋯、鎢、鉬等活潑金屬、難熔金屬以及它們的合金，也可用來熔煉高溫合金及有特殊用途的鋼和合金。

真空熔煉電子束熔煉

在高真空環(huán)境中，將陰極材料(通常選用難熔金屬如鎢等)加熱至高溫后，在高壓直流電作用下發(fā)射電子，用磁透鏡聚集成電子束，并在陽極的加速下，以高速射向陽極(做成電極的被熔物料相當(dāng)于陽極)，當(dāng)高速的電子束射到電極表面碰撞時，由動能轉(zhuǎn)變成的熱能將被熔物料熔化。它不僅能熔化電極，而且有一部分能量可以用來加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時間，以利于金屬的精煉。最后金屬液在水冷結(jié)晶器中凝固成錠。電子束熔煉也稱電子轟擊爐熔煉。電子束熔煉具有突出的優(yōu)點：工作真空度高(約10-～10-Pa)，非常有利于去除氣體、非金屬夾雜物及金屬雜質(zhì);熔煉溫度高，冶金反應(yīng)充分，能熔煉任何難熔金屬;金屬熔滴匯聚在水冷結(jié)晶器內(nèi)，可以有效地控制熔池溫度和冷凝速度，有利于獲得良好的金屬錠組織。電子束熔煉的應(yīng)用范圍已從難熔金屬擴展到高溫合金、精密合金、半導(dǎo)體材料和一些具有特殊用途鋼種的熔煉。只是由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)投資昂貴等原因限制了它的發(fā)展規(guī)模。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，真空熔煉技術(shù)也取得很大進展，新的真空熔煉的爐型也不斷涌現(xiàn)。例如，真空感應(yīng)熔煉通常脫硫效果并不好，近期出現(xiàn)了真空感應(yīng)有渣熔煉，即在真空感應(yīng)熔煉過程中，造堿性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，這時就可發(fā)生下列脫硫反應(yīng)：(CaO) [MeS] [C]======(CaS) [Me] {CO}。

在真空熔煉條件下，由于爐氣不斷被抽出，爐內(nèi)pCO值可達到很低的水平，這對于合金的脫硫是極為有利的。工作表明，用200kg真空感應(yīng)爐重熔高硫鈷豆，造石灰螢石渣，脫硫效果達44%。真空感應(yīng)有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發(fā)過程，這對于減少貴重元素的損失和準(zhǔn)確控制合金成分也是有利的。為克服真空電弧熔煉不能澆注成型的缺點，發(fā)明了真空凝殼爐。它是利用真空電弧熔煉原理，采用可以傾動的水冷坩堝控制冷卻過程，使被熔煉金屬液在坩堝內(nèi)壁形成一薄層“凝殼”，將被熔煉金屬液和坩堝隔離，并形成相當(dāng)大的熔池，熔煉結(jié)束時快速傾轉(zhuǎn)坩堝將金屬液注入鑄模或鑄型凝固成型。凝殼爐在熔煉鈦和鈦合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特別適用于難熔金屬提純和單晶制取的無坩堝區(qū)域熔煉，生產(chǎn)定向渦輪葉片的真空定向凝固爐，以及制備金屬間化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩堝懸浮熔煉等均已達到生產(chǎn)規(guī)模，正在進一步的完善和發(fā)展之中。2100433B