Kako se proizvodi industrijski silicij

Silicijum, drugi najzastupljeniji element u zemljinoj kori, široko se koristi u metalurgiji, legurama aluminijuma, hemikalijama, baterijama, solarnoj energiji i elektronici. U ovom ogromnom industrijskom lancu, metalurški silicijum (MG-Si) igra ulogu osnovne sirovine i predstavlja polaznu tačku za sve silicijumske materijale visoke-čistoće (kao što je polisilicijum i silicijum elektronskog kvaliteta).
 

Dakle, kako se metalurški silicijum ekstrahuje iz prirodne kvarcne rude? U ovom članku ćemo vas odvesti u duboko zaroniti u kompletan proces proizvodnje industrijskog silicija.

Silicijum metalurškog kvaliteta je sirovina od legure obojenih metala bogata silicijumom, sa sadržajem silicijuma između 95% i 99,5%. Obično je u obliku sivih metalnih grudica, ali se na zahtjev može preraditi i u granulirane ili praškaste proizvode.

Uprkos nazivu "silicijum metal", silicijum metalurškog{0}}klasa nije čist metal, već mešavina gvožđa (Fe), aluminijuma (Al), kalcijuma (Ca) i drugih nečistoća. Sadržaj ovih nečistoća određuje njihov opseg primjene i tržišnu vrijednost.

Glavne upotrebe silicijuma metalurškog kvaliteta uključuju: deoksidaciju čelika, ojačanje od legure aluminija, sirovine od legura ferosilicijuma, kemijske sirovine, aditive za baterije, vatrostalne materijale i primarne fotonaponske i poluvodičke materijale.

Primarna sirovina za metalurški silicijum je kvarc (SiO₂) ili kvarcit. Ovi minerali sadrže silicijum dioksid visoke -čistoće, koji je glavni oblik silicijuma koji se nalazi u prirodi.

Proces redukcije silicijum dioksida ima visok energetski prag zbog veoma stabilnih Si{0}}O veza. Da bi se realizovala reakcija redukcije, kvarc treba temeljno pomiješati sa supstancama koje sadrže ugljik-(npr. koks, ugalj, drvena sječka, drveni ugalj, itd.) kako bi se formirala reakciona smjesa. Ovi izvori ugljika mogu reagirati s kisikom na visokim temperaturama i osloboditi čisti silicijum.

Osnovni proces proizvodnje industrijskog silicijuma je reakcija ugljenotermalne redukcije (CR) u potopljenoj elektrolučnoj peći.

Visoko{0}}reakciono okruženje

Temperatura unutar peći se obično održava na 1500 do 2000 stepeni. Peć se oslanja na elektrode da provode jaku električnu struju u punjenje, stvarajući zonu luka visoke{3}}temperature. Ova temperatura je dovoljna da pokrene sljedeću glavnu reakciju: SiO₂ (čvrsta) + 2C (čvrsta) → Si (tečnost) + 2CO (gas).

U naboju se odvija reakcija redukcije između silicijum dioksida i ugljika, pri čemu nastaje tečni silicijum i gas ugljen monoksida.

Više-mehanizam reakcije

Peć nije homogeno reakciono okruženje: visoke temperature u centralnom području dovode do brzih reakcija i stvaranja velikih količina tečnog silicijuma.

Niže temperature u perifernim područjima mogu dovesti do stvaranja međuplina SiO (silicijum oksida).

Ovi gasovi mogu ili dalje reagovati unutar peći kako bi se formirao silicijum, ili pobjeći iz peći kako bi se formirao-proizvod Silicijum dima.

Održavanje poroznosti naboja

Da bi se obezbedio nesmetan protok gasova, sloj reaktanata mora biti dobro provetren. Ako je sloj punjenja previše gust, efikasnost redukcije će se smanjiti i potrošnja energije će se povećati.

Nakon što se tečni silicijum konvergirao na dnu peći, izvlači se kroz otvor peći i preusmerava u lonac ili lončić. U ovom trenutku, silicijum je obično u tečnom-tečnom stanju visoke temperature sa nečistoćama.

U naknadnoj preradi, proizvođač vrši preliminarnu rafinaciju kako bi kontrolisao sadržaj aluminijuma, kalcijuma i drugih nečistoća i kako bi osigurao da proizvod ispunjava unapred postavljene hemijske specifikacije.

Nakon početnog rafiniranja, tečni silicijum se sipa u kalupe i hladi da se formiraju ingoti.

Nakon što je hlađenje završeno, ingoti će biti usitnjeni mehaničkom opremom za drobljenje, prosijani prema različitim veličinama čestica (npr. . 10-100mm), upakovani i pripremljeni za otpremu.

Kvalitet metalurškog silicijuma se meri sledećim aspektima: sadržaj Si (obično 95% do 99,5%); sadržaj nečistoća kao što su Fe, Al i Ca; specifikacije veličine čestica i oblika čestica; i stabilnost-do-kompozicije serije.

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

Industrija željeza i čelika

Dodano čeliku kao deoksidans za efikasno uklanjanje kiseonika i poboljšanje čvrstoće i žilavost čelika.

Proizvodnja aluminijskih legura

Koristi se za poboljšanje čvrstoće, otpornosti na koroziju i performansi livenja aluminijske legure.

Hemijska industrija

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

Materijali za baterije

Koristi se kao aditiv za anode litijum{0}}jonskih baterija radi povećanja kapaciteta baterije i vijeka trajanja.

Fotonaponska i poluprovodnička industrija

Iako metalurški-silicijum nije dovoljno čist da bi se mogao direktno koristiti u-elektronici, može se koristiti kao prekursor za pročišćavanje za proizvodnju polisilicijuma ili hemijskog-silicijuma.

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 silicijuma visoke{0}}čistoće, proces proizvodnje metalurškog-silicijuma integriše multidisciplinarne tehnologije kao što su visoko{2}}fizičko-hemijske reakcije na visokim temperaturama, nauka o materijalima i kontrola procesa. Kao "izvorni proces" lanca industrije silicijumskih materijala, njegov kvalitet i stabilnost direktno utječu na performanse i cijenu daljnjih aplikacija.

Kako globalna potražnja za zelenom energijom, skladištenjem energije, električnim vozilima i pametnim elektronskim proizvodima i dalje raste, značaj metalurškog{0}}silicijuma postaje sve istaknutiji, što također donosi nove mogućnosti za industrijsku nadogradnju i razvoj tehnologije zaštite okoliša.