8月27日，在由上海有色网信息科技股份有限公司、山东爱思信息科技有限公司主办的2026 SMM（第十五届）硅业峰会上，云南大学二级教授、校长 马文会围绕“工业硅冶金物理化学研究进展”的话题展开分享。
研究背景
一、硅能源的提出的背景
第七十五届联合国大会，12月举行的气候雄心峰会，中国庄重承诺：力争2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和
2025年9月24日，习近平主席在联合国气候变化峰会上宣布了中国新一轮国家自主贡献：到2035年，中国全经济范围温室气体净排放量比峰值下降7%-10%，力争做得更好。非化石能源消费占能源消费总量的比重达到30%以上，风电和太阳能发电总装机容量达到2020年的6倍以上、力争达到36亿千瓦，全国碳排放权交易市场覆盖主要高排放行业。
硅产业链
2025年，产量达到470万吨，消费量约为450万吨，数万亿产业的关键基础原材料
我国工业硅总产能达727.7万吨，产能占比达到全球84%，全球产业的核心；
2023年，工业硅正式纳入新10种有色金属行列，国家重大战略需求导向。
工业硅生产流程
亟需从原料适配的电炉参数-原料物化性能提升-可再生能源开发等方面解决
生物质还原剂
二、生物质还原剂—新思路的提出
碳质还原剂要求：
工业硅生产碳质还原剂的选择主要应该考虑：固定碳、灰分、挥发份和水分含量，以固定碳含量高、灰分含量低、电阻率高、化学性质活泼、高温下不易石墨化、粒度和机械强度适宜。
生物质是世界第四大能源，可占发展中国家能源的35%；
生物质具有分布广泛，可再生，污染低，孔隙率高，比表面积大，反应活性好等特点，还是唯一可转化成液体、固体和气体燃料的可再生能源；
生物质内含有的碱金属或碱土金属具有协同强化作用。
核心优势一：高于标准煤/商业褐煤的热值
传统生物炭的热值通常在14-18 MJ/kg之间，同时燃速快，易结渣；
标准煤和商业褐煤的LHV和HHV分别在20、25和16、20 MJ/kg左右；
850℃时废弃咖啡壳的生物炭HHV和LHV分别为24.73和21.85MJ/kg，与标准煤的热值相当；
可控燃烧且灰分小于5%。
核心优势二：具有较大的比表面积和定向孔隙排列
孔隙由于挥发物的释放而出现明显增多；
生物炭呈现明显的蜂窝状多孔结构，而气孔内形成了椭圆状碳质结构；
具有微孔-介孔-大孔协同的多级孔隙结构设计，定向孔隙排列，可平衡燃烧速率与热值；
在EDS中发现生物炭中存在一定含量的碱金属K，而适量的K具有协同强化碳质还原剂的特性。
核心优势三：具有良好的反应活性及较低的活化能
核心优势四：内含碱金属的促进作用及协同作用
生物质还原剂工业化试验
提出了生物质、石油焦、煤、兰炭为原料的新型复合碳质还原剂制备新技术，实现了在工业硅冶炼过程的产业化应用。
生物质/生物质炭的应用技术实现协同强化并降低碳排放；高比电阻生物质炭的调配使用提高物料利用效率。
云南一公司使用本技术，产生积极效果：加入CS后，工业硅的日产量、直收率、有功功率、碳利用率提高，生产一吨硅的冶炼电单耗、固定碳单耗、硅石单耗、碳过剩系数降低，并且精炼时长和出硅时长也在降低。
生物质还原剂试用过程有功功率、电耗对比
随着生物质的添加日产量与直收率均呈现小幅提升，而渣量及渣率均表现下降的趋势，这表明咖啡壳的适量加入对生产过程具有积极影响；
碳单耗，电极单耗，硅石耗的下降也进一步佐证了这一点；
有功功率并无明显差异，而电耗的持续下降也证实了生物质的添加对于生产的有效改善。
综上所述，生物质因其本身的特性，适当的作为还原剂添加对于工业硅生产过程产生了有效的改善。
关键问题：解决炉底SiC沉积导致的炉底上涨问题和提高高焦高煤复合还原剂反应活性强化熔炼；
解决思路：提出富含碱金属生物质协同强化焦、煤硅矿碳热还原反应过程，实现强化冶炼；
构建了复合生物质碳还原剂的组分设计理论基础、扩大了高温“坩埚”反应区域，实现了强化熔炼。
关键问题：炉外精炼渣金分离效果差，渣粘包严重导致单个抬包精炼次数较少等问题；
解决思路：自主研发设计偏心底吹抬包耦合复合精炼剂强化炉外精炼技术，实现渣金分离效果提升；
发明了炉外复合精炼剂匹配的抬包精炼装置，渣金分离效果及抬包寿命显著提升
工业硅冶炼
工业硅冶炼—矿热炉强化熔炼工业硅技术
（1）矿热炉结构参数优化设计与改进
矿热炉结构参数优化，提高反应区温度，扩大“坩埚”区，增加反应界面，提高反应速度与生产效率，降低单耗
（2）矿热炉电气参数优化
通过矿热炉电气参数优化，减少电损耗，高功率因数，增加有功功率，提高产量，降低电单耗；
在25500KVA 工业硅矿热炉上单炉产量提高约8%，电耗降低956kW∙h/t Si。
（3）12500kVA和25500kVA矿热炉强化熔炼技术
利用复合生物质还原剂进行工艺改进：
解决了炉底上涨技术难题；扩大了“坩埚”反应区域；实现了矿热炉的强化熔炼。
（4）新型矿热炉强化熔炼技术
结构-工艺-电气-操作耦合，低频炉粗硅直收率达88.12%，直流炉粗硅直收率达81.36%。
三、工业硅精炼与凝固—金属间化合物可控析出技术
技术难点：工业硅熔体凝固过程中杂质偏析不可控，导致工业硅中金属间化合物析出随机化；
解决思路：基于多元相图和热力学平衡理论，系统解析物相析出规律、构建化合物调控模型。
（1）金属间化合物析出规律和转变机制
基于工业熔体凝固过程杂质偏析理论，探明了硅熔体凝固过程中金属间化合物析出规律；
研究了复杂金属间化合物转变规律及影响因素，揭示了金属间化合物物相析出转变机制。
（2）熔体成份调控强化金属间化合物析出
研究了硅熔体成份与析出物相之间的相互影响规律，实现金属间化合物可控生成；
构建了硅熔体成份调控金属间化合物析出数学模型，实现金属间化合物定向转化。
（3）凝固条件调控强化金属间化合物析出
降低凝固过程凝固速度、引入外场强化，可促进有害相FeSi2向有益相Si8Al6Fe4Ca转化；
设计硅熔体凝固控温装置，产品中Si8Al6Fe4Ca含量为0.10-0.50%，FeSi2含量小于0.60%。
“成分-温度-外场”联合调控硅熔体过程，可实现工业硅中金属间化合物量化析出。
工业硅炉外精炼
四、工业硅炉外精炼：造渣精炼
4.1 工业硅造渣精炼机理
界面氧化反应与传质过程协同控制工业硅中硼杂质的迁移行为。
硼元素经氧化后进入渣相并部分挥发，是造渣精炼除硼的主要机制。
4.1 渣与杂质硼的电化学反应模型
4.2 工业硅造渣精炼的热力学
熔渣中SiO2和CaO的活度越大，越有利于杂质硼的去除。
四、工业硅炉外精炼：造渣精炼
4.3杂质硼在不同渣中的扩散动力学研究
4.3CaO-SiO2去除硅中杂质硼的边界层理论
硼由硅主体相通过边界层扩散至反应界面，与渣中SiO2发生氧化反应，生成的BO1.5通过渣侧边界层进入渣主体。整个过程由两侧边界层内的扩散步骤混合控制。
此外，他还介绍了造渣精炼过程杂质硼在硅中的扩散动力学研究、造渣精炼过程杂质硼在37%CaO-63%SiO2渣中的扩散动力学研究等的相关情况。
4.4工业硅熔渣-吹气协同联合精炼构思与协同机理
随后，他还介绍了Ar-O2与硅酸钙联合精炼中CaCl2添加对硼去除的影响以及不同精炼时间对硅酸钙基熔渣与气体精炼的影响。
努力目标：
产业集群绿色发展-进一步延链强链完善产业链，积极融入国家重大战略，打造我国硅能源绿色生产产业体系，为国家双碳目标贡献力量；
产业创新驱动发展-积极开发低碳绿色新技术，建设世界一流水平的绿色低碳硅能源国际创新中心，驱动产业可持续发展，加强安全管理；
产业标准引领发展-加强绿色产业标准体系构建，建设世界一流水平的硅能源人才培养高地，引领产业国际化发展。
