探讨工业硅生产用碳质还原剂的研究与应用

杨林改 杨加全 沈庆伟 袁蓉

摘要：工业硅是一种十分重要的化工原料，在汽车制造、炼钢、化学工业等领域应用广泛。在工业硅生产环节，碳质还原剂必不可少，此类物质的应用有效性越高，越有利于提高工业硅生产质效。基于此，本文以增强工业硅生产用碳质还原剂的实用性、经济性、环保性为目标，结合实践经验探讨传统工业硅生产用碳质还原剂和新型碳质还原剂的研究与应用情况，以期为相关工作人员提供帮助。

关键词：工业硅;碳质还原剂;木炭;石油焦

前言：

从现实角度来看，工业硅生产中的碳质还原剂选择准确性，既会影响生产品质量和经济效益，又会对生产环节的能耗以及环保水平产生深刻影响。传统的工业硅生产用碳质还原剂是木炭，但受到多种原因影响木炭的实用性逐渐下降，人们在不断寻求木炭替代品的过程中，加深了对于工业硅生产用碳质还原剂的研究，也丰富了工业硅生产用碳质还原剂的应用路径。

1工业硅生产用碳质还原剂的应用概述

工业生产领域会应用到多种多样的还原剂，在生产工业硅时最主要的还原剂就是碳质还原剂。当前，工业硅生产用碳质还原剂的种类越来越丰富，了解各类型碳质还原剂的特点以及应用要点，更有助于提高应用质效。

1.1碳质还原剂的作用

工业硅生产的主要设备是埋弧电炉，而主要生产原料有二：其一是二氧化硅;其二是碳质还原剂。实践中，将生产原料置于生产设备中，以三相电机为电炉供能，使设备运行温度达到1800℃以上。这样一来，炉内物质将在高温下发生碳热还原反应，最终得到工业硅。通常来说，生产工业硅时需选用的二氧化硅含量大于99%的石英砂作为原材料，拥有同等二氧化硅含量的硅石也可应用在生产领域。碳质还原剂的种类十分多样，固定碳含量较高的煤化工产品大多都能充当碳工业硅生产用碳质还原剂[1]。在实际生产当中，碳质还原剂的主要作用就是在高温下实现工业硅生产原料的强还原，以便获得高纯度的工业硅。

1.2碳质还原剂的种类

1.2.1木炭

木炭是最为传统的一种工业硅生产用碳质还原剂，这是一种孔隙率高、灰分低、化学活性强且比电阻大的物质，还具有高温下不易石墨化的特點，可充分满足工业硅生产的热碳还原反应需求，属于性能极为优越的碳质还原剂。基于木炭的工业硅生产，往往具有炉况稳定、工业硅品质高的特点。从理化特性方面来看，木炭是最为理想的工业硅生产用碳质还原剂。但这种物质的产生需要以木材燃烧为代价，工业硅生产中木炭与制作木炭所用的木材消耗量之比高达1：6，大量使用会造成非常严重的林木资源短缺和生态环境破坏;而且，以木炭作为碳质还原剂的工业硅往往有着较高的生产成本，无论是从生产的经济效益还是生态效益方面来看，木炭都不再适用。

1.2.2烟煤与褐煤

工业硅生产环节，以煤作为碳质还原剂的情况也十分常见，其中最具实用性的煤是烟煤与褐煤。烟煤属于煤的变质产物，具有冶金性能，而且其燃烧发热量极高，在工业生产用燃料中有着极为广泛的应用价值。利用烟煤代替木炭充当工业硅生产用碳质还原剂十分可行，但生产时需要加入适量的疏松剂，以便弥补这一物质在透气性方面的不足。需要注意的是，烟煤有着较高的灰分量，所以使用中需要先进行脱灰处理。与烟煤相比，褐煤的煤化程度极低，是一种拥有强化学反应性和燃烧污染性的低级煤。褐煤燃烧后的发热量相对较低，而且其固定碳含量也比较低，并不是理想的燃料和碳质还原剂，但经过热解加工后拥有焦油产量高和化学性强的特性，所以也能在一定程度上代替木炭。

1.2.3石油焦

在工业硅生产领域，石油焦一直被视为木炭的最佳替代品，随着石油焦应用研究的深入，以石油焦为碳质还原剂的工业硅生产规模不断扩大。从性能角度来看，石油焦同样具有灰分低的特性，而且它的固碳含量极高，在低温条件下有着大比电阻和绝佳的绝缘性，完全可以满足工业硅生产需求[2]。当其作为碳质还原剂参与工业硅生产时，燃烧温度越高，石墨化程度与导电性就会越强，而比电阻则会迅速下降。结合现有生产经验不难发现，若仅基于石油焦生产工业硅，虽然也能满足生产需求但产品产量、质量以及经济效益都不尽如人意，若将其与其他类型的碳质还原剂混合后应用，则可大幅提升工业硅生产质效。

2碳质还原剂选用标准

在工业硅生产中，碳质还原剂选用是最为重要的一项工作，它不仅深刻影响着工业硅的生产质量和产量，更会对工业硅生产的经济效益、环保效益产生深刻影响。事实上，工业硅生产者既可以选用单一类型的碳质还原剂，也可基于多种碳质材料混合搭配，因地制宜地制作复合型碳质还原剂。在这环节中，需要充分考量碳质还原剂选用的科学性、经济性、实用性和生态性。为此，选用碳质还原剂应遵循原则：

第一，固定碳含量高。固定碳工业硅生产用碳质还原剂的重要组成部分，也是参与二氧化硅热碳还原反应的最有效成分。生产中，高温燃烧会导致部分固定碳被浪费，还原相同数量的硅石时，碳质还原剂中的固定碳含量越高用量越少，带入炉内的杂质也就越少。从现实角度来看，选用固定碳含量高的碳质还原剂有助于节约成本、降低能耗、提高质量、增加效益。

第二，灰分低。作为最理想的碳质还原剂，木炭就具有灰分低的特质，而后续选出的木炭替代品中大部分物质都具有这一特点。在工业硅生产中，碳质还原剂灰分低就意味着还原剂本身所含有的杂质少，更容易满足高纯度工业硅生产要求。从生产角度来看，生产用硅石质量越高，就越需要严控生产杂质的带入量，所以必须选用低灰分的碳质还原剂[3]。

第三，挥发分含量适中。工业硅生产用碳质还原剂之中，挥发分也是十分重要的成分，其含量与炭化温度有关，而且碳质还原剂的机械强度越高则挥发分含量就越低。在选用碳质还原剂时，若选用挥发分过高的碳质还原剂，那么还原剂的机械强度就无法满足现实需求;若选用挥发分过低的碳质还原剂，则不利于炉内反应质效提升，因此综合考虑之下工业硅生产用碳质还原剂的挥发分含量以适中为最佳。

第四，水分含量低。通常来说，碳质还原剂中的水分会以外水和内水两种形式存在，前者含量远多于后者。不同类型的碳质还原剂，在水分含量方面的差异相对较大，但整体而言，水分含量低的碳质还原剂更适用于工业硅生产。

第五，反应性能、比电阻、机械强度高。结合实践经验不难发现，工业硅生产用碳质还原剂的反应性能、比电阻以及机械强度越高，越有利于提高生产质效，保障工业硅的产量和质量。在实际作业环节，高温下不易石墨化程度低的碳质还原剂往往拥有极高的反应性能，可切实提升炉内反应速率，而还原剂比电阻和机械强度高，则有助于提高炉况顺畅性、提高热利用率，实现低耗高效。

3新型工业硅生产用碳质还原剂研究与应用

种种原因之下，单一型碳质还原剂已经无法满足工业硅生产的实际需求，企业更加关注复合型工业硅生产用碳质还原剂的研究和应用。而且，在实践中极为重视新型工业硅生产用碳质还原剂的研发。当前，最受关注的新型碳质还原剂有三种：其一是混合碳质粉体制团;其二是煅烧木材做还原剂;其三是生物质型煤。三种新型还原剂都属于多种物质混合后的碳质还原剂，在使用中皆具节约木炭用量、提高产品质量以及减少污染排放等效用[4]。为此，本文以混合碳制粉体制团为例，对新型工业硅生产用碳质还原剂研究和应用情况进行简述。

3.1还原剂研究

在节能环保、绿色化工业发展的理念之下，木炭产量逐年走低。虽然木炭是最理想的工业硅生产用碳质还原剂，但在木炭采购难度和成本大幅升高的情况下，寻求木炭替代品势在必行。作为一种固碳含量高、灰分低的物质，石油焦展现出了极强的木炭替代性，但其高温易石墨化的缺陷也在一定程度上限制了生产应用。为突出石油焦的实用性，就必须着力降低其石墨化问题。所以，研究人员将重点放在了混合碳质粉体制团制作和工业化生产上，这种新型还原剂是以石油焦为主要原料，融入不同类型还原剂、生物质后，基于粘接剂量形成的球团状复合还原剂。在混合碳质粉体制团的研究中，相关工作人员从提高高硫石油焦实用性、复合还原剂替代性以及环保性的角度出发，重点关注石油焦性能影响因素、脱硫处理方法以及生物质与石油焦的融合应用。

基于实践，研究人员发现石油焦的性能以及反应机理深受添加剂影响，研磨介质也同样会对石油焦反应性能产生影响。在高硫石油焦的脱硫研究方面，真空度成为影响石油焦脱硫效果的主要因素，与常压条件相比真空脱硫效果更强。基于实验室研究，获得混合碳质粉体制团最佳原料配比如下：20-25%低灰煤+5%兰炭+10%增碳剂+55-60%石油焦+5%木炭粉末;最佳原料配比下的球团性能测试结果如下：20MPa压强之下，混合碳质粉体制团的应力高于9MPa，可满足工业硅生产用碳质还原剂的生产运输和使用需求;该物质在高温条件下的化学反应活性与木炭极为相近，所以完全可替代木炭充当还原剂;经实验室分析发现，混合碳质粉体制团的比电阻测试结果以及固定碳等主要成分分析结果也都符合工业硅冶炼生产要求，所以利用混合碳质粉体制团作为新型工业硅生产用碳质还原剂十分可行。

3.2还原剂应用

以混合碳质粉体制团作为工业硅生产用还原剂，能够有效降低生产中的木炭以及其他类型的单一煤化工产品用量。在实际作业环节，还能通过生物质回收应用减少资源浪费，而且生产混合碳质粉体制团时向农民回收生物质还能帮助农民增收。想要推动混合碳质粉体制团还原剂的有效应用，就必须强调此类碳质还原剂的工业化生产。整体而言，混合碳质粉体制团的工业化生产应该包括备料、混合、搅拌、成形和烘干等多个流程。此时，以颚式破碎机、型煤压球设备、链条式烘干设备和一混、二混设备为主要生产设备，通过投放原料、原料破碎、碎料传输、粘接剂投放、混合粘结、成形烘干等工序产出混合碳质粉体制团。将混合碳质粉体制团应用到工业硅生产中，可提高炉内火焰高度和温度。基于实践经验可知，投放混合碳质粉体制团后，900℃（炉表面温度）的高温条件之下，炉内反应活性将超过80%;而当温度升高至1000℃时，混合碳质粉体制团的还原性能将会进一步增强，反应活性高达99.2%，而且还原剂在炉表面就可发生还原反应，这种提前反应具有放热性所以炉表面温度越高越有利于强化生产。

结论：综上所述，固定碳含量高是工业硅生产用炭质还原剂的最基本选用要求。随着化工原料种类丰富以及生产技术进步，工业硅生产用碳质還原剂已经不再局限于木炭、石油焦、煤、兰炭等传统煤化工产品，以混合碳质粉体制团为代表的新型碳质还原剂也被广泛应用到工业硅生产领域。在实际作业环节，优化还原剂配比将会进一步提高生产质效，并使工业硅生产实现低耗高效与节能减排。

参考文献：

[1]刘宝云，田林，谢刚，等.粘结剂对工业硅碳质还原剂球团性能的影响研究[J].云南冶金，2021，50（04）：47-52.

[2]甘文，张硕垚，李博，等.不同碳质还原剂还原Fe_3O_4特性的动力学分析[J].昆明理工大学学报（自然科学版），2020，45（06）：21-28.

[3]杨妮，刘宝云，田林，等.工业硅生产用碳质还原剂球团的制备研究[J].云南冶金，2020，49（04）：82-87.

[4]陈正杰，周世超，马文会，等.工业硅冶炼用复合碳质还原剂的研究与应用[J].云南冶金，2019，48（03）：45-49.

作者简介：

杨林改（1987.6.9—），女，汉族，籍贯：云南省保山市龙陵县，冶金工程师，本科学历，研究方向：工业硅生产。

杨加全（1986.12.16—）男，汉族，籍贯：云南省保山市龙陵县，冶金工程师，本科学历，研究方向：工业硅生产。

沈庆伟（1987.6—），男，汉族，籍贯：云南省保山市腾冲市，冶金工程师，大专学历，研究方向：工业硅生产。

袁蓉（1987.7.12—），女，汉族，籍贯：云南省保山市龙陵县，地质工程师，本科学历，研究方向：矿产开采。