造渣氧化精炼的原理

　　造渣精炼工艺是在冶金级硅中加入熔点高于冶金级硅的精炼渣, 并在硅和渣的熔点温度之间进行氧化精炼。一般精炼渣中至少含有两种化合物,能富集杂质的碱性氧化物, 主要有碱金属氧化物如Na2O, 碱土金属氧化物如CaO, MgO, BaO, 和能提供游离[O] 的氧化剂, 主要有固体氧化剂( 如SiO2 ) 及合成炉渣( 如CaO-Al2O3-SiO2) 等。高温下, 熔体硅中的杂质M 扩散到渣硅界面被氧化剂所提供的氧化,形成不溶于硅熔体的氧化物后扩散进入渣相, 以CaO-SiO2 二元渣系为例, 反应原理示意图如图1 所示。

图1 反应原理示意图

　　利用熔渣与硅熔体的密度差异, 维持炉温在渣与硅熔点温度之间足够长的时间, 通过重力作用便可使富集杂质及其氧化物的熔渣与硅熔体分离, 从而完成脱除杂质的目的。若以SiO2 为造渣精炼氧化剂, 渣与硅中主要杂质反应如图2 所示。由图2 可以看出, 熔融状态下,硅中的杂质如Al, Mg, Ca 很容易被渣中的SiO2 氧化, 而且当温度接近1875 K 时, B 也可被氧化, 这些杂质被氧化后都会如图1 所示进入渣相。图2 还表明, 在1900 K 以内, Fe, Cu 杂质氧化反应的Gm 始终为正值, 反应不能发生, 因此造渣氧化精炼不能去除这些杂质。

图2 渣与硅中杂质氧化反应的吉布斯自由能变化与温度的关系