Kaip gaminamas pramoninis silicis

Silicis, antras pagal gausumą elementas žemės plutoje, plačiai naudojamas metalurgijoje, aliuminio lydiniuose, cheminėse medžiagose, baterijose, saulės energetikoje ir elektronikoje. Šioje didžiulėje pramoninėje grandinėje metalurginis silicis (MG{1}}Si) atlieka pagrindinės žaliavos vaidmenį ir yra visų didelio -grynumo silicio medžiagų (tokių kaip polisilicis ir elektroninio silicio) pradinis taškas.
 

Taigi, kaip metalurginis silicis išgaunamas iš natūralios kvarco rūdos? Šiame straipsnyje mes padėsime jums giliai pasinerti į visą pramoninio silicio gamybos procesą.

Metalurginis silicis yra spalvotųjų metalų lydinio žaliava, kurioje gausu silicio, o silicio kiekis yra nuo 95 % iki 99,5 %. Paprastai jis yra pilkų metalinių gabalėlių pavidalo, bet paprašius gali būti perdirbamas į granuliuotus arba miltelių pavidalo produktus.

Nepaisant pavadinimo „silicio metalas“, metalurginis{0}}klasis silicis yra ne grynas metalas, o geležies (Fe), aliuminio (Al), kalcio (Ca) ir kitų priemaišų mišinys. Šių priemaišų kiekis lemia jų taikymo sritį ir rinkos vertę.

Pagrindiniai metalurginio silicio naudojimo būdai: plieno deoksidacija, aliuminio lydinio armatūra, ferosilicio lydinio žaliavos, cheminės žaliavos, akumuliatorių priedai, ugniai atsparios medžiagos ir pirminės fotovoltinės bei puslaidininkinės medžiagos.

Pagrindinė metalurginio silicio žaliava yra kvarcas (SiO₂) arba kvarcitas. Šiuose mineraluose yra didelio-grynumo silicio dioksido, kuris yra pagrindinė gamtoje randama silicio forma.

Silicio dioksido redukcijos procesas turi aukštą energijos slenkstį dėl labai stabilių Si{0}}O jungčių. Norint įgyvendinti redukcijos reakciją, kvarcą reikia kruopščiai sumaišyti su anglies -turinčiomis medžiagomis (pvz., koksu, anglimi, medžio drožlėmis, medžio anglimi ir kt.), kad susidarytų reakcijos mišinys. Šie anglies šaltiniai gali reaguoti su deguonimi esant aukštai temperatūrai, kad išsiskirtų grynas silicis.

Pagrindinis pramoninio silicio gamybos procesas yra karboterminės redukcijos (CR) reakcija panardinamoje elektros lankinėje krosnyje.

Aukštos{0}}temperatūrinės reakcijos aplinka

Temperatūra krosnies viduje paprastai palaikoma nuo 1500 iki 2000 laipsnių. Krosnis priklauso nuo elektrodų, kurie nukreipia stiprią elektros srovę į krūvį ir sukuria aukštos -temperatūros lanko zoną. Šios temperatūros pakanka šiai pagrindinei reakcijai sukelti: SiO₂ (kieta medžiaga) + 2C (kieta) → Si (skysta) + 2CO (dujos).

Įkrovoje vyksta redukcijos reakcija tarp silicio dioksido ir anglies, todėl susidaro skystas silicis ir anglies monoksido dujos.

Kelių{0}}pakopų reakcijos mechanizmas

Krosnis nėra vienalytė reakcijos aplinka: aukšta temperatūra centrinėje srityje sukelia greitas reakcijas ir didelio kiekio skysto silicio susidarymą.

Dėl žemesnės temperatūros periferinėse zonose gali susidaryti tarpinės dujos SiO (silicio oksidas).

Šios dujos gali arba toliau reaguoti krosnyje, kad susidarytų silicis, arba išeiti iš krosnies, kad susidarytų šalutinis -produktas silicio dūmai.

Krūvio poringumo palaikymas

Siekiant užtikrinti sklandų dujų srautą, reaguojantis sluoksnis turi būti gerai vėdinamas. Jei įkrovimo sluoksnis yra per tankus, sumažinimo efektyvumas sumažės ir energijos suvartojimas padidės.

Kai skystas silicis susilieja krosnies apačioje, jis išleidžiamas per krosnies angą ir nukreipiamas į kaušą arba tiglį. Šiuo metu silicis paprastai būna aukštos-temperatūros skystos būsenos su priemaišomis.

Vėlesnio perdirbimo metu gamintojas atlieka preliminarų rafinavimą, siekdamas kontroliuoti aliuminio, kalcio ir kitų priemaišų kiekį ir užtikrinti, kad produktas atitiktų iš anksto nustatytas chemines specifikacijas.

Po pirminio rafinavimo skystas silicis supilamas į formas ir atšaldomas, kad susidarytų luitai.

Baigus aušinti, luitai bus susmulkinti mechanine smulkinimo įranga, sijoti pagal skirtingus dalelių dydžius (pvz., . 10-100mm), supakuoti ir paruošti siuntimui.

Metalurginio silicio kokybė matuojama šiais aspektais: Si kiekis (dažniausiai nuo 95% iki 99,5%); priemaišų, tokių kaip Fe, Al ir Ca, kiekis; dalelių dydžio specifikacijos ir dalelių forma; ir partijos-į-kompozicijos stabilumą.

Gamintojai paprastai atlieka kiekvienos silicio partijos spektrinę analizę ir fizinius bandymus bei išduoda kokybės ataskaitą (COA), kad užtikrintų, jog klientai gali naudoti gaminį be rūpesčių.

Geležies ir plieno pramonė

Pridedama prie plieno kaip deoksidatoriaus, kad efektyviai pašalintų deguonį ir padidintų plieno stiprumą bei kietumą.

Aliuminio lydinio gamyba

Naudojamas aliuminio lydinio stiprumui, atsparumui korozijai ir liejimo savybėms pagerinti.

Chemijos pramonė

Naudojama kaip svarbi žaliava silano, silikato, silikoninės alyvos, silikoninės dervos ir kitų cheminių produktų gamybai.

Baterijų medžiagos

Naudojamas kaip ličio{0}}jonų akumuliatorių anodų priedas, siekiant padidinti akumuliatoriaus talpą ir ciklo tarnavimo laiką.

Fotoelektros ir puslaidininkių pramonė

Nors metalurginio -klasio silicis nėra pakankamai grynas, kad jį būtų galima tiesiogiai naudoti- aukščiausios klasės elektronikoje, jis gali būti naudojamas kaip gryninimo pirmtakas polisilicio ar cheminio -klasio silicio gamyboje.

Ugniai atsparios medžiagos

Plačiai naudojamas ugniai atspariose plytose ir kompozituose, skirtuose aukštos{0}}temperatūros krosnių židiniams, keramikai ir stiklui.

Nuo natūralaus kvarco rūdos iki didelio -grynumo silicio luitų – metalurginio-klasio silicio gamybos procese integruojamos daugiadisciplinės technologijos, pvz., aukštos temperatūros fizikinės ir cheminės reakcijos, medžiagų mokslas ir procesų valdymas. Kaip silicio medžiagų pramonės grandinės „šaltinio procesas“, jo kokybė ir stabilumas tiesiogiai veikia tolesnių programų veikimą ir kainą.

Pasaulinei ekologiškos energijos, energijos kaupimo, elektrinių transporto priemonių ir išmaniųjų elektroninių gaminių paklausai ir toliau augant, metalurginio -klasio silicio svarba tampa vis ryškesnė, o tai taip pat suteikia naujų galimybių pramonės atnaujinimui ir aplinkos apsaugos technologijų plėtrai.