Kako se proizvodi industrijski silicij

Silicij, drugi najzastupljeniji element u zemljinoj kori, naširoko se koristi u metalurgiji, aluminijskim legurama, kemikalijama, baterijama, solarnoj energiji i elektronici. U ovom ogromnom industrijskom lancu metalurški silicij (MG-Si) igra ulogu osnovne sirovine i početna je točka svih silicijskih materijala visoke-čistoće (kao što su polisilicij i silicij elektroničke kvalitete).
 

Dakle, kako se metalurški silicij ekstrahira iz prirodne kvarcne rude? U ovom ćemo vas članku povesti u dubinu cjelovitog procesa proizvodnje industrijskog silicija.

Silicij metalurške kvalitete sirovina je legure obojenih metala bogata silicijem, s udjelom silicija između 95% i 99,5%. Obično je u obliku sivih metalnih grudica, ali se također može preraditi u zrnate ili praškaste proizvode na zahtjev.

Unatoč nazivu "metalni silicij", metalurški-silicij nije čisti metal, već mješavina željeza (Fe), aluminija (Al), kalcija (Ca) i drugih nečistoća. Sadržaj ovih nečistoća određuje njegovu primjenu i tržišnu vrijednost.

Glavne upotrebe silicija metalurške kvalitete uključuju: deoksidaciju čelika, ojačanje aluminijskih legura, sirovine ferosilicijevih legura, kemijske sirovine, aditive za baterije, vatrostalne materijale i primarne fotonaponske i poluvodičke materijale.

Primarna sirovina za silicij metalurške kvalitete je kvarc (SiO₂) ili kvarcit. Ovi minerali sadrže silicijev dioksid visoke -čistoće, koji je glavni oblik silicija koji se nalazi u prirodi.

Proces redukcije silicijeva dioksida ima visok energetski prag zbog vrlo stabilnih Si{0}}O veza. Kako bi se ostvarila reakcija redukcije, kvarc treba temeljito pomiješati sa tvarima koje sadrže ugljik- (npr. koks, ugljen, drvena sječka, drveni ugljen, itd.) kako bi nastala reakcijska smjesa. Ovi izvori ugljika mogu reagirati s kisikom na visokim temperaturama i osloboditi čisti silicij.

Osnovni proizvodni proces za industrijski silicij je reakcija karbotermalne redukcije (CR) u potopljenoj elektrolučnoj peći.

Okruženje visoke{0}}temperature reakcije

Temperatura unutar peći obično se održava na 1500 do 2000 stupnjeva. Peć se oslanja na elektrode koje provode snažnu električnu struju u punjenje, stvarajući zonu luka visoke-temperature. Ova temperatura je dovoljna za pokretanje sljedeće glavne reakcije: SiO₂ (krutina) + 2C (krutina) → Si (tekućina) + 2CO (plin).

U naboju se odvija reakcija redukcije između silicija i ugljika, pri čemu nastaje tekući silicij i plin ugljični monoksid.

Više{0}}fazni mehanizam reakcije

Peć nije homogeno reakcijsko okruženje: visoke temperature u središnjem području dovode do brzih reakcija i stvaranja velikih količina tekućeg silicija.

Niže temperature u perifernim područjima mogu dovesti do stvaranja srednjeg plina SiO (silicijev oksid).

Ovi plinovi mogu ili dalje reagirati unutar peći da bi formirali silicij, ili pobjeći iz peći da bi formirali nusproizvod -Silica Fume.

Održavanje poroznosti naboja

Kako bi se osigurao nesmetan protok plinova, sloj reaktanta mora biti dobro prozračen. Ako je sloj naboja pregust, smanjit će se učinkovitost redukcije i povećati potrošnja energije.

Nakon što se tekući silicij skupio na dnu peći, izvlači se kroz otvor peći i preusmjerava u lonac ili lončić. U ovom trenutku silicij je obično u visoko{1}}tekućem stanju s nečistoćama.

U daljnjoj preradi proizvođač provodi preliminarno rafiniranje kako bi kontrolirao sadržaj aluminija, kalcija i drugih nečistoća te osigurao da proizvod zadovoljava unaprijed postavljene kemijske specifikacije.

Nakon početnog pročišćavanja, tekući silicij se ulijeva u kalupe i hladi kako bi se formirali ingoti.

Nakon završetka hlađenja, ingoti će biti usitnjeni mehaničkom opremom za drobljenje, prosijani prema različitim veličinama čestica (npr. . 10-100 mm), pakirani i pripremljeni za otpremu.

Kvaliteta silicija metalurške kvalitete mjeri se prema sljedećim aspektima: sadržaj Si (obično 95% do 99,5%); sadržaj nečistoća kao što su Fe, Al i Ca; specifikacije veličine čestica i oblik čestica; i stabilnost sastava --serija.

Proizvođači obično provode spektralnu analizu i fizičko testiranje svake serije silicija i izdaju izvješće o kvaliteti (COA) kako bi osigurali da korisnici mogu koristiti proizvod bez brige.

Industrija željeza i čelika

Dodaje se čeliku kao dezoksidant za učinkovito uklanjanje kisika i povećanje čvrstoće i žilavosti čelika.

Proizvodnja aluminijskih legura

Koristi se za poboljšanje čvrstoće, otpornosti na koroziju i učinkovitost lijevanja aluminijske legure.

Kemijska industrija

Koristi se kao važna sirovina za pripremu silana, silikata, silikonskog ulja, silikonske smole i drugih kemijskih proizvoda.

Materijali baterija

Koristi se kao aditiv za anode litij-ionskih baterija za povećanje kapaciteta baterije i trajanja ciklusa.

Fotonaponska i poluvodička industrija

Iako metalurški-silicij nije dovoljno čist da bi se izravno koristio u visoko-elektronici, može se koristiti kao prekursor za pročišćavanje za proizvodnju polisilicija ili kemijskog-silicija.

Vatrostalni materijali

Široko se koristi u vatrostalnim opekama i kompozitima za visoko{0}}temperaturna ložišta peći, keramiku i staklo.

Od prirodne kvarcne rude do ingota silicija visoke-čistoće, proizvodni proces metalurškog-silicija integrira multidisciplinarne tehnologije kao što su visoko-temperaturne fizikalno-kemijske reakcije, znanost o materijalima i kontrola procesa. Kao "izvorni proces" lanca industrije silicijskih materijala, njegova kvaliteta i stabilnost izravno utječu na performanse i troškove daljnjih aplikacija.

Kako globalna potražnja za zelenom energijom, skladištenjem energije, električnim vozilima i pametnim elektroničkim proizvodima nastavlja rasti, važnost metalurškog-silicija postaje sve istaknutija, što također donosi nove prilike za industrijsku nadogradnju i razvoj tehnologije zaštite okoliša.