硅熔炼

将化学组成符合要求的硅石破碎到规定的粒度，并与碳还原剂按比例混合均匀。碳还原剂有木炭、油焦和烟煤，它们的质量也要达到规定要求。

电极是消耗材料。硅熔炼用电极有石墨电极、碳素电极和自焙电极。中国均使用石墨电极。其物理化学性能要符合国家标准 。

硅熔炼在埋弧式电炉中进行，是个炉料从炉缸上部不断熔融向炉膛内下沉进行化学反应的连续过程。

配制好的炉料经下料管和流槽从炉上料仓加入炉内，或由人用铁锹把护料加入炉内。向炉内加料时，要注意保持炉缸上部规定的料面水平。电极以适当的深度埋入炉料中。在熔炼过程中，由于料面被高沮烧结，不能顺利地沉降到炉膛的反应带内，需用捣炉机刺破并翻开料面的烧结壳，强制炉料下沉。电极经高温烧损及参与化学反应而不断消耗，为使电极在炉内保持一定的长度，必须定期下移和接长电极。当炉内出现逆况时，一般采用调整配料比和电气参数的办法进行处理 。

工业硅在工业硅炉中熔炼而得，系无渣埋弧高温熔炼过程。原料为硅石，石油焦，木块，低灰煤等为还原剂，经高温熔炼，硅逐渐从硅石中还原出来 。

硅矿石的主体成分为SiO₂。用碳质还原硅石生产工业硅的化学反应为：

SiO 2C=Si 2CO

但反应过程的机理很复杂。已有很多人对用碳还原SiO₂生产元素硅的机理进行过研究，但研究者的意见尚不一致，其中具代表性的有拉思反应机理、凯利反应机理、拿哥莫利一马林斯盖反应机理等。

1.拉思反应机理

德国拉思(Gero Bath )等人认为，二氧化硅的碳还原过程可概括为SiC的形成、SiC的分解和SiO的冷凝三大阶段。当炉料温度达到1770K以上时，SiO₂与碳反应生成SiC。

2.凯利反应机理

美国凯利(W. M. ICcli)通过试验研究认为，当炼硅炉内炉料中的碳下落时。与上升的SiO气体相遇，发生生成SiC的反应。

3.拿哥莫利-马林斯盖反应机理

加拿大拿哥典利( M.Nagamvri)和马林斯盖(I. Malinsky)等对Si-C-O三元系进行过深入的研究，把Si、SiC、SiO₂、SiO四个凝聚相的体系称为“稳定系”或“稳定区” 。

全称矿石还原电弧炉，又称矿热炉，简称硅炉。炼硅炉按其电气接线和电极的相数可分为单相单电极、单相双电极、三相三电极和三相六电极等几种类型。在中国除个别工厂采用单相双电极硅炉外，大都采用三相三电极炼硅炉。

炼硅炉主要由供电系统、电极、水冷系统、集气排烟系统，下料系统和炉体等部分组成 。2100433B

根据加热热源的不同，真空熔炼主要可分为真空感应熔炼，真空电弧熔炼，电子束熔炼等3种。

真空熔炼真空感应熔炼

将金属炉料放入置于线圈中的坩埚内，当线圈接通交流电源时，在线圈中间产生交变磁场，炉料中即产生感应电势。由于金属炉料本身形成一闭合回路，所以在炉料中同时产生了感应电流，即涡流，炉料靠涡流加热和熔化。利用这个原理进行熔炼的方法称为感应熔炼。而处于真空条件下的感应熔炼则为真空感应熔炼。真空感应熔炼能够严格控制合金中活泼元素如铝、钛等的含量，可以有效地去除合金中的气体和非金属夹杂物以及有色金属杂质，提高合金的纯净度。但真空感应熔炼存在着坩埚耐火材料对金属液的沾污问题，且通常采用钢锭模浇注，钢锭结晶组织与普通熔炼的铸锭组织比较并无改善。真空感应熔炼主要用来熔炼高温合金、精密合金及特殊钢材料，其主要产品是铸锭、精密铸件和双联熔炼用的电极母材。

真空熔炼真空电弧熔炼

在真空条件下利用电弧来加热和熔炼金属的熔炼方法。这种熔炼方法所使用的电极有自耗电极和非自耗电极两种。自耗电极是由被熔炼材料(即炉料)制成，在熔炼过程中它逐渐消耗;而非自耗电极系利用钨等高熔点材料制成，在炉料熔炼过程中它基本上不消耗。采用自耗电极的真空电弧炉称自耗电极电弧炉，简称自耗炉;采用非自耗电极的真空电弧炉称非自耗电极电弧炉，简称非自耗炉。非自耗电极熔炼已较少使用，而自耗电极熔炼大量应用于生产实践中，成为二次重熔的主要手段之一。真空电弧熔炼的坩埚一般用铜制成，外面用水冷却，称为水冷铜结晶器。熔炼时，可以将自耗电极(被熔炼材料)接负极，水冷铜结晶器接正极，通电后两极间产生弧光放电，将电能转变成热能，产生高温使材料熔化。熔炼过程中液态金属熔滴通过高温弧区后落入金属熔池，并在水冷铜结晶器内凝固成锭。通过金属液与气相间以及熔池内发生的一系列物理化学反应，达到提高金属的纯净度，改善其结晶组织和性能的目的。真空电弧熔炼不受大气、耐火材料和铸模等的沾污;可以去除钢及合金中的气体和有害金属杂质;熔炼中夹杂物也可上浮去除一部分，并可改善夹杂物在合金中的分布及形态;水冷铜结晶器中的钢锭铸态组织比普通铸锭为好。但真空电弧熔炼需预制电极，且钢锭表面较差。真空电弧熔炼可用来熔炼钛、锆、钨、钼等活泼金属、难熔金属以及它们的合金，也可用来熔炼高温合金及有特殊用途的钢和合金。

真空熔炼电子束熔炼

在高真空环境中，将阴极材料(通常选用难熔金属如钨等)加热至高温后，在高压直流电作用下发射电子，用磁透镜聚集成电子束，并在阳极的加速下，以高速射向阳极(做成电极的被熔物料相当于阳极)，当高速的电子束射到电极表面碰撞时，由动能转变成的热能将被熔物料熔化。它不仅能熔化电极，而且有一部分能量可以用来加热金属液面，使熔池保持必要的温度和时间，以利于金属的精炼。最后金属液在水冷结晶器中凝固成锭。电子束熔炼也称电子轰击炉熔炼。电子束熔炼具有突出的优点：工作真空度高(约10-～10-Pa)，非常有利于去除气体、非金属夹杂物及金属杂质;熔炼温度高，冶金反应充分，能熔炼任何难熔金属;金属熔滴汇聚在水冷结晶器内，可以有效地控制熔池温度和冷凝速度，有利于获得良好的金属锭组织。电子束熔炼的应用范围已从难熔金属扩展到高温合金、精密合金、半导体材料和一些具有特殊用途钢种的熔炼。只是由于其设备结构复杂，建设投资昂贵等原因限制了它的发展规模。

随着科学技术的进步，真空熔炼技术也取得很大进展，新的真空熔炼的炉型也不断涌现。例如，真空感应熔炼通常脱硫效果并不好，近期出现了真空感应有渣熔炼，即在真空感应熔炼过程中，造碱性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，这时就可发生下列脱硫反应：(CaO) [MeS] [C]======(CaS) [Me] {CO}。

在真空熔炼条件下，由于炉气不断被抽出，炉内pCO值可达到很低的水平，这对于合金的脱硫是极为有利的。工作表明，用200kg真空感应炉重熔高硫钴豆，造石灰萤石渣，脱硫效果达44%。真空感应有渣熔炼，还可以抑制元素的挥发过程，这对于减少贵重元素的损失和准确控制合金成分也是有利的。为克服真空电弧熔炼不能浇注成型的缺点，发明了真空凝壳炉。它是利用真空电弧熔炼原理，采用可以倾动的水冷坩埚控制冷却过程，使被熔炼金属液在坩埚内壁形成一薄层“凝壳”，将被熔炼金属液和坩埚隔离，并形成相当大的熔池，熔炼结束时快速倾转坩埚将金属液注入铸模或铸型凝固成型。凝壳炉在熔炼钛和钛合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特别适用于难熔金属提纯和单晶制取的无坩埚区域熔炼，生产定向涡轮叶片的真空定向凝固炉，以及制备金属间化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩埚悬浮熔炼等均已达到生产规模，正在进一步的完善和发展之中。2100433B