Механизм восстановления кремния был предметом большого числа исследований и целого ряда дискуссий. В результате их установлено, что восстановление SiO2 углеродом — это сложный многоступенчатый процесс. В ходе его образуется целый ряд промежуточных газообразных и конденсированных соединений. Однако в литературе нет единодушия ни в вопросе о механизме взаимодействия SiO2(Т, Ж) с другими конденсированными веществами (углеродом, карбидом), ни в вопросе о механизме и условиях разрушения карбида. Так, одни авторы  основным процессом газификации SiO2  считают реакцию (SiO2(т, ж) + C(T) =SiO(T)+ CO), другие — реакцию (SiO2(т, ж) + CO = SiO(Г) + CO2), третьи — реакцию (SiO2(т, ж) + Si(Ж) =2SiO(T)), четвертые — реакцию испарения (SiO2(т, ж) → SiO2(Г). Взаимоисключающие мнения высказываются в литературе и о механизме заключительной стадии процесса. Нет единодушия и в оценке температурных и других условий и отдельных стадий и процесса в целом. В связи с этим ниже с привлечением рисунок 1 рассматривается как последовательность превращений SiO2 в ходе его восстановления углеродом, так и условия их осуществления, а в некоторых случаях и факторы, определяющие их полноту.

Из рассмотрения рисунка 1 несложно видеть, во-первых, что как в результате взаимодействия SiO2 с углеродом но реакции (SiO2(т, ж) + 2C(T) =SiO(T)+ CO), так и при более высоких температурах в результате его взаимодействия с карбидом или кремнием по реакциям (2SiO2(т, ж) + SiC(T) =3SiO(Ж)+ 2CO) и (SiO2(т, ж) + Si(Ж) =2SiO(T)) единственным продуктом является газовая фаза, состоящая из оксидов углерода и кремния. Это означает, что первой стадией восстановления SiO2 в любых случаях и при любых температурах является его газификация по схеме SiO2(Т,Ж) → SiO(Г). Во-вторых, образующийся по реакциям

SiO2(т, ж) + C(T) =SiO(T)+ CO

2SiO2(т, ж) + SiC(T) =3SiO(Ж)+ 2CO

SiO2(т, ж) + Si(Ж) =2SiO(T)

SiO может улавливаться только при низких температурах в результате его взаимодействия с углеродом по реакции (SiO(Г) + 2C(Т) = SiC(T) +CO). Это означает, что второй стадией процесса восстановления кремнезема является улавливание продуктов его газификации по схеме SiO(Г)→SiC(Т). В-третьих, конечный продукт — кремний — получается лишь при высоких температурах и только лишь в результате разрушения карбида по схеме SiC(Т)→Si(Ж). Из рисунка 1 также видно, что в том случае, когда при Т ≤ 1796 К углерод расходуется не полностью, наряду с газификацией SiO2 по схеме SiO2 → SiO(г) становится теоретически возможным и прямое его восстановление по реакции (SiO2(т, ж) + 3C(T) =SiC(T)+ 2CO). Однако, с одной стороны, реакция (SiO2(т, ж) + 3C(T) =SiC(T)+ 2CO) приводит также к получению лишь промежуточного продукта — карбида. С другой стороны, сама реакция (SiO2(т, ж) + 3C(T) =SiC(T)+ 2CO) также является многостадийным процессом, включающим как минимум две стадии, и происходит по схеме, одной из стадий которой является газификация кремнезема:

1

Таким образом, из диаграммы системы Si-O-C, построенной на рисунке 1 в координатах температура — состав газовой фазы, следует, что восстановление кремнезема углеродом включает три стадии: 1) газификацию; 2) улавливание продуктов газификации; 3) разрушение карбида конденсированными или газообразными веществами — и происходит по схеме SiO2(т,ж)→SiO(Г)→SiC(Т)→Si(Ж).

Из рассмотрения метастабильной части диаграммы системы Si-O-C (см. рисунок 1) видно, что при особо высокой концентрации  SiO в газовой фазе, например при 1964-2080 К (в этой области pSiO(3) = 50,66 кПа), возможно участие доли SiO в реакции (SiO(Г) + C(Т) = Si(Ж) + CO). Вероятность подобной реакции значительно возрастает при плавке сплавов Fe-Si, особенно с содержанием ≤ 24 % Si.  В этих условиях становится возможным получение части кремния по схеме SiO2(т, ж)→SiO(Г)→Si(Ж)([Si]Fe). Подобный механизм наиболее вероятен в области температур 1934-1995 К, в которой (см. рисунок 1) карбид неустойчив, а парциальное давление pSiO может значительно превышать равновесное для реакции (SiO(Г) + C(Т) = Si(Ж) + CO). Подтверждением его возможности можно считать опыты , в которых при этих температурах при наличии в шихте углерода получен кремний в виде сплава с 54 % Si.

Из рисунка 1 и приведенных выше соображений следует, что газификация SiO2 начинается при Т≈1700 К. Верхней температурной границы у этого процесса нет. Он может происходить при Т > 1700 К во всех зонах, в которых присутствует кремнезем.

Концентрация SiO(Г), образующегося в ходе газификации SiO2, как это хорошо видно из рисунка 1, зависит от температуры и характера конденсированных веществ. В соответствии со стабильной диаграммой (pSiO(1)) и с учетом метастабильной части ((pSiO(2)) диаграммы равновесное парциальное давление SiO(Г), кПа, при газификации SiO2 в зависимости от температуры изменяется следующим образом:

Безымянный

Из рисунка 1 также видно, что улавливание SiO и образование в ходе него SiC происходит в стабильных условиях при Т ≤ 1796 К. Однако подобный процесс при наличии свободного углерода теоретически возможен и при других температурах вплоть до 3193 К. Равновесное парциальное давление pSiO(SiO(Г) + 2C(Т) = SiC(T) +CO) ничтожно, поэтому при наличии в шихте свободного углерода SiO из отходящих газов может улавливаться практически нацело.

Разрушение карбида с получением кремния при наличии SiO2 начинается при Т > 2090 К. Однако с большой скоростью разрушение карбида может происходить лишь при Т > 2094 К, когда pSiO((2SiO2(т, ж) + SiC(T) =3SiO(Ж)+ 2CO) >> pSiO(SiO(Г) + SiC(Т) = 2Si(Ж) + CO).

Наконец, из рисунка 1 следует, что, как по условиям газификации SiO2(т, ж), так и по условиям осуществления других процессов рабочее пространство электропечи, выплавляющей кремний, можно разделить на три зоны: I — низкотемпературную; II — среднетемпературную; III — высокотемпературную. В I зоне (в равновесных условиях Т ≤ 1796 К; в метастабильных условиях Т≤ 2080 К) газификация SiO2 определяется реакцией (SiO2(т, ж) + C(T) =SiO(T)+ CO); во II зоне (соответственно 1796-2090 или 2080-2090 К) — реакцией (2SiO2(т, ж) + SiC(T) =3SiO(Ж)+ 2CO); в III зоне (Т > 2090 К) — реакциями (2SiO2(т, ж) + SiC(T) =3SiO(Ж)+ 2CO) и (SiO2(т, ж) + Si(Ж) =2SiO(T)).

Диаграмма фазовых равновесий системы Si-O-C
Рисунок 1.- Диаграмма фазовых равновесий системы Si-O-C