Cum este fabricat siliciul de calitate industrială

Siliciul, al doilea cel mai abundent element din scoarța terestră, este utilizat pe scară largă în metalurgie, aliaje de aluminiu, produse chimice, baterii, energie solară și electronică. În acest lanț industrial imens, siliciul de calitate metalurgică (MG-Si) joacă rolul de materie primă de bază și este punctul de plecare al tuturor materialelor de siliciu de-puritate ridicată (cum ar fi siliciul polisiliciu și siliciul de calitate electronică).
 

Deci, cum se extrage siliciul de calitate metalurgică din minereu natural de cuarț? În acest articol, vă vom face o scufundare profundă în procesul complet de producție a siliciului industrial.

Siliciul de calitate metalurgică este o materie primă din aliaj neferoase, bogată în siliciu, cu un conținut de siliciu cuprins între 95% și 99,5%. Este de obicei sub formă de bulgări metalice gri, dar poate fi prelucrat și în produse granulare sau pulverulente, la cerere.

În ciuda denumirii „siliciu metal”, siliciul metalurgic de calitate-nu este un metal pur, ci un amestec de fier (Fe), aluminiu (Al), calciu (Ca) și alte impurități. Conținutul acestor impurități determină domeniul de aplicare și valoarea de piață.

Principalele utilizări ale siliciului de calitate metalurgică includ: dezoxidarea oțelului, armarea aliajului de aluminiu, materii prime din aliaj de ferosiliciu, materii prime chimice, aditivi pentru baterii, materiale refractare și materiale fotovoltaice și semiconductoare primare.

Materia primă principală pentru siliciul de calitate metalurgică este cuarțul (SiO₂) sau cuarțitul. Aceste minerale conțin dioxid de siliciu de-puritate ridicată, care este principala formă de siliciu găsită în natură.

Procesul de reducere a dioxidului de siliciu are un prag de energie ridicat datorită legăturilor sale foarte stabile Si-O. Pentru a realiza reacția de reducere, cuarțul trebuie să fie bine amestecat cu substanțe care conțin carbon-(de exemplu, cocs, cărbune, așchii de lemn, cărbune etc.) pentru a forma un amestec de reacție. Aceste surse de carbon sunt capabile să reacționeze cu oxigenul la temperaturi ridicate pentru a elibera siliciu pur.

Procesul de bază de fabricație pentru siliciul industrial este reacția de reducere carbotermală (CR) într-un cuptor cu arc electric scufundat.

Mediu de reacție la{0}}înaltă temperatură

Temperatura din interiorul cuptorului este de obicei menținută la 1500 până la 2000 de grade. Cuptorul se bazează pe electrozi pentru a conduce un curent electric puternic în sarcină, creând o zonă de arc cu temperatură înaltă-. Această temperatură este suficientă pentru a conduce următoarea reacție principală: SiO₂ (solid) + 2C (solid) → Si (lichid) + 2CO (gaz).

În sarcină are loc reacția de reducere dintre silice și carbon, producând siliciu lichid și monoxid de carbon gazos.

Mecanism de reacție în mai multe-etape

Cuptorul nu este un mediu de reacție omogen: Temperaturile ridicate în zona centrală duc la reacții rapide și la formarea de cantități mari de siliciu lichid.

Temperaturile mai scăzute în zonele periferice pot duce la formarea gazului intermediar SiO (oxid de siliciu).

Aceste gaze pot fi reacţionate în continuare în cuptor pentru a forma siliciu, fie pot scăpa din cuptor pentru a forma produsul secundar de siliciu.

Menținerea porozității încărcăturii

Pentru a asigura o curgere lină a gazelor, stratul de reactant trebuie să fie bine ventilat. Dacă stratul de încărcare este prea dens, eficiența reducerii va fi redusă și consumul de energie va crește.

După ce siliciul lichid a convergit în partea inferioară a cuptorului, acesta este introdus prin deschiderea cuptorului și deviat în oală sau creuzet. În acest moment, siliciul este de obicei într-o stare lichidă la temperatură înaltă, cu impurități.

În procesarea ulterioară, producătorul efectuează rafinarea preliminară pentru a controla conținutul de aluminiu, calciu și alte impurități și pentru a se asigura că produsul îndeplinește specificațiile chimice prestabilite.

După rafinarea inițială, siliciul lichid este turnat în forme și răcit pentru a forma lingouri.

După ce răcirea este completă, lingourile vor fi zdrobite de un echipament mecanic de concasare, cernute în funcție de diferite dimensiuni ale particulelor (de exemplu, . 10-100mm), ambalate și pregătite pentru expediere.

Calitatea siliciului de calitate metalurgică este măsurată prin următoarele aspecte: conținut de Si (de obicei 95% până la 99,5%); conținut de impurități precum Fe, Al și Ca; specificații privind dimensiunea particulelor și forma particulelor; și stabilitatea compoziției lot-la-.

Producătorii efectuează de obicei analize spectrale și teste fizice pe fiecare lot de siliciu și emit un raport de calitate (COA) pentru a se asigura că clienții pot folosi produsul fără griji.

Industria siderurgică

Adăugat la oțel ca dezoxidant pentru a elimina eficient oxigenul și a spori rezistența și duritatea oțelului.

Fabricare aliaje de aluminiu

Folosit pentru a îmbunătăți rezistența, rezistența la coroziune și performanța de turnare a aliajului de aluminiu.

Industria chimică

Folosit ca materie primă importantă pentru prepararea silanului, silicatului, uleiului de silicon, rășinii siliconice și a altor produse chimice.

Materiale pentru baterii

Folosit ca aditiv pentru anozii bateriei cu litiu-ion pentru a spori capacitatea bateriei și durata de viață.

Industria fotovoltaică și semiconductoare

Deși siliciul de calitate-metalurgică nu este suficient de pur pentru a fi utilizat direct în electronica-de înaltă calitate, acesta poate fi folosit ca precursor de purificare pentru producerea de siliciu polisiliciu sau de calitate-chimică.

Refractare

Folosit pe scară largă în cărămizi refractare și compozite pentru focare de cuptoare cu temperatură înaltă-, ceramică și sticlă.

De la minereu natural de cuarț până la lingouri de siliciu de înaltă puritate-, procesul de producție a siliciului de calitate metalurgică- integrează tehnologii multidisciplinare, cum ar fi reacții fizico-chimice la temperatură înaltă-, știința materialelor și controlul proceselor. Fiind „procesul sursă” al lanțului industriei materialelor de siliciu, calitatea și stabilitatea acestuia afectează direct performanța și costul aplicațiilor din aval.

Pe măsură ce cererea globală de energie verde, stocare a energiei, vehicule electrice și produse electronice inteligente continuă să crească, importanța siliciului de calitate metalurgică-devine din ce în ce mai proeminentă, ceea ce aduce, de asemenea, noi oportunități pentru modernizarea industrială și dezvoltarea tehnologiei de protecție a mediului.