工业硅测定及完善思索

工业硅也称金属硅，通常由硅石和焦炭在电热炉内冶炼而成的产品，其纯度为98%左右，由于其熔点高、耐热性能好，具有较强的抗氧化作用，在陶瓷和耐火材料行业中应用越来越广泛，如工业硅与金属铝和碳化硅结合能提高产品的耐高温性、耐磨损性、抗冲击性，广泛应用于炼钢炉、窑炉、窑具等。对于工业硅含硅量的检测方法标准却相对落后，耐火材料检测方法国家标准GB/T14849-2007中规定了工业硅中杂质铁、铝、钙、锰、钛、镍的测定，而对于工业硅中的含硅量检测却没有详细说明，工业硅产品标准GB/T2881-2008只注明了一句话:硅含量以100%减去杂质含量总和来确定。现在一些实验室也只检测工业硅中的主要杂质铁、铝、钛、残渣的含量，忽略其他杂质，再用差减法来计算硅含量，而现在市场上的工业硅质量参差不齐，如果测硅含量用100%仅仅减去铁、铝、钙、锰、钛、镍、残渣的百分含量的差减法是不够的，还要减去碳的含量，本文主要研究工业硅中的杂质和碳的检测。工业硅通常是在电炉内由碳还原二氧化硅而制得，总过程可表示为：SiO2+2C→Si+2CO。所用原料是硅石和碳素原料，硅石是天然形态的二氧化硅，要求SiO2含量在99%以上，Fe2O3含量小于0.5%、Al2O3含量小于0.2%、CaO含量小于0.1%,杂质总和不大于0.6%。碳素原料即炭质还原剂，主要有焦炭、烟煤、木炭等，要求还原剂固定碳含量要高、灰分要少。在生产工业硅过程中，硅石和碳素原料中的杂质氧化物也被还原，所以工业硅有生产原料所带进的氧化物被还原的杂质，通常认为工业硅的主要杂质是铁、铝、钙，但是在生产过程中由于控制条件不同以及后序加工条件差异，导致有一部分残留的碳存在。现在市场上工业硅的牌号就是根据主要杂质铁、铝、钙的含量来定的。主要类型见表1。所以现在一些实验室也只检测工业硅中的杂质铁、铝、钙、残渣的含量，再用差减法计算工业硅中的硅含量，公式为：ω（Si）=100-［ω（Fe）﹢ω（Al）﹢ω（Ca）﹢ω（残渣）］根据工业硅的冶炼工艺，其反应为2C+SiO2→Si+2CO，业硅中会有残留的碳，如果用差减法测定硅含量还必须减去测出的碳含量。

1实验：碳的测定

1.1原理

工业硅在900℃高温氧气流中加热燃烧生成二氧化碳，二氧化碳用烧碱石棉吸收，根据烧碱石棉的增重借以计算出碳的含量。C+O2→CO2CO2+2NaOH→NaCO3+H2O。

1.2仪器

定碳炉装置、分析天平

1.3分析步骤

定碳炉各部分连接好，检查整个装置是否漏气，直到每一部分都不漏气，开始通电升温并接通氧气。首先断开接收部分，通氧以排除空气，直至炉温升至850℃~900℃将吸收部分接通，继续通氧，调节减压阀使氧气流量保持50ml/min左右，持续30分钟后断氧，关闭全部活塞，取下吸收二氧化碳的U型管，用绸布擦净，置于干燥器中冷却至室温后转动瓶盖，使瓶内压力与大气压力平衡，并立即关紧称量，反复操作直至最后两次称量之差不超过0.0002克为止，如此反复操作时通氧20分钟直至恒重。准确称取干燥500mg（视含碳量而定）均匀平铺于瓷舟中（瓷舟需先在1050℃马弗炉中煅烧以除碳，然后存放在干燥器中备用），打开燃烧管的塞子，用长钩将瓷舟送入燃烧管表2的高温处，立即塞上燃烧管的塞子，将吸收部分的活塞全部打开，吸收约20分钟后关闭全部活塞，取下二氧化碳吸收U形管用绸布擦净，置于干燥器中冷却至室温后打开瓶盖并立即盖严、称量。如此反复操作时通氧20分钟，直至恒重。分析结果的计算：式中：m2———吸收管与二氧化碳质量的数值，单位为克（g）；m1———吸收管质量的数值，单位为克（g）；0.2729———二氧化碳换算成碳的换算系数。

2结果与讨论

本实验对六个工业硅样品进行了碳和其他一些杂质的测定，见表2。由表2可以看出对于现在市场上的工业硅质量参差不齐，4号样和5号样已不是通常的纯度为98%左右的工业硅了，5号样的碳含量甚至高达7.95%，如果只检测工业硅中的铁、铝、钙、残渣，只能是对照一下工业硅的牌号，若用差减法100%减去铁、铝、钙、残渣的含量而得出硅含量显然是不对的，还必须减去碳的含量。

3结论

（1）通过对工业硅中的测定分析，可以确定工业硅中的主要杂质不仅是铁、铝、钙、残渣，还有碳。

（2）GB/T14849-2007工业硅化学分析方法中有必要增加碳的检测方法。

（3）在用差减法测定工业硅的含硅量时，必需增加碳杂质的测定，硅含量以100%减去铁、铝、钙、残渣、碳等杂质含量之和来确定。