Hogyan készül az ipari minőségű szilícium?

A szilíciumot, a földkéreg második legelterjedtebb elemét széles körben használják a kohászatban, alumíniumötvözetek, vegyszerek, akkumulátorok, napenergia és elektronika területén. Ebben a hatalmas ipari láncban a Metallurgical Grade Silicon (MG{1}}Si) az alapvető nyersanyag szerepét tölti be, és ez az összes nagy-tisztaságú szilícium (például poliszilícium és elektronikus minőségű szilícium) kiindulópontja.
 

Tehát hogyan nyerik ki a Metallurgical Grade Szilíciumot a természetes kvarcércből? Ebben a cikkben elvezetjük Önt az ipari szilícium teljes gyártási folyamatába.

A kohászati ​​minőségű szilícium szilíciumban gazdag színesfémötvözet-alapanyag, amelynek szilíciumtartalma 95% és 99,5% közötti. Általában szürke fémes csomók formájában van, de kérésre granulált vagy porított termékké is feldolgozható.

A "szilíciumfém" elnevezés ellenére a kohászati ​​-minőségű szilícium nem tiszta fém, hanem vas (Fe), alumínium (Al), kalcium (Ca) és egyéb szennyeződések keveréke. E szennyeződések tartalma határozza meg alkalmazási körét és piaci értékét.

A kohászati ​​minőségű szilícium fő felhasználási területei a következők: acél deoxidáció, alumíniumötvözet-erősítés, ferroszilíciumötvözet alapanyagok, vegyi nyersanyagok, akkumulátoradalékok, tűzálló anyagok, valamint elsődleges fotovoltaikus és félvezető anyagok.

A kohászati ​​minőségű szilícium elsődleges nyersanyaga a kvarc (SiO₂) vagy a kvarcit. Ezek az ásványok nagy-tisztaságú szilícium-dioxidot tartalmaznak, amely a természetben előforduló szilícium fő formája.

A szilícium-dioxid redukciós folyamatának energiaküszöbe magas a nagyon stabil Si-O kötések miatt. A redukciós reakció megvalósításához a kvarcot alaposan össze kell keverni szén-tartalmú anyagokkal (pl. koksz, szén, faforgács, faszén stb.), hogy reakcióelegyet képezzenek. Ezek a szénforrások képesek reagálni az oxigénnel magas hőmérsékleten, és így tiszta szilícium szabadul fel.

Az ipari szilícium fő gyártási folyamata a karbotermikus redukciós (CR) reakció egy merülő elektromos ívkemencében.

Magas{0}}hőmérsékletű reakciókörnyezet

A kemence belsejében a hőmérsékletet általában 1500-2000 fok között tartják. A kemence elektródákra támaszkodik, amelyek erős elektromos áramot vezetnek a töltésbe, és magas hőmérsékletű ívzónát hoznak létre. Ez a hőmérséklet elegendő a következő fő reakció elindításához: SiO₂ (szilárd) + 2C (szilárd) → Si (folyékony) + 2CO (gáz).

A töltésben a szilícium-dioxid és a szén közötti redukciós reakció megy végbe, folyékony szilícium és szén-monoxid gáz keletkezik.

Több-lépcsős reakciómechanizmus

A kemence nem homogén reakciókörnyezet: a középső területen a magas hőmérséklet gyors reakciókhoz és nagy mennyiségű folyékony szilícium képződéséhez vezet.

Az alacsonyabb hőmérséklet a perifériás területeken SiO (Szilícium-oxid) közbenső gáz képződéséhez vezethet.

Ezek a gázok tovább reagálhatnak a kemencében, hogy szilíciumot képezzenek, vagy a kemencéből kilépve szilikafüst keletkezik.

A töltés porozitásának fenntartása

A gázok egyenletes áramlásának biztosítása érdekében a reagens réteget jól szellőztetni kell. Ha a töltőréteg túl sűrű, csökken a csökkentés hatékonysága és nő az energiafogyasztás.

Miután a folyékony szilícium összegyűlt a kemence alján, átverik a kemence nyílásán, és az üstbe vagy a tégelybe vezetik. Ezen a ponton a szilícium általában magas hőmérsékletű,{1}}folyékony állapotban van, szennyeződésekkel.

Az utólagos feldolgozás során a gyártó előzetes finomítást végez az alumínium-, kalcium- és egyéb szennyeződések ellenőrzésére, valamint annak biztosítására, hogy a termék megfeleljen az előre meghatározott kémiai előírásoknak.

A kezdeti finomítás után a folyékony szilíciumot öntőformákba öntik, és lehűtik, így ingot formálnak.

A lehűlés befejezése után a tömböket mechanikus zúzóberendezéssel összetörik, különböző szemcseméretek (pl. . 10-100mm) szerint szitálják, csomagolják és előkészítik a szállításra.

A kohászati ​​minőségű szilícium minőségét a következő szempontok alapján mérjük: Si-tartalom (általában 95-99,5%); szennyeződések, például Fe, Al és Ca; részecskeméret-specifikációk és részecskeforma; és köteg-a-kompozíciós stabilitás.

A gyártók általában spektrális elemzést és fizikai vizsgálatot végeznek minden egyes szilícium-tételen, és minőségi jelentést (COA) adnak ki annak biztosítására, hogy a vásárlók gond nélkül használhassák a terméket.

Vas- és acélipar

Az acélhoz deoxidálószerként adják, hogy hatékonyan eltávolítsák az oxigént, és növeljék az acél szilárdságát és szívósságát.

Alumíniumötvözetek gyártása

Az alumíniumötvözetek szilárdságának, korrózióállóságának és öntési teljesítményének javítására szolgál.

Vegyipar

Fontos nyersanyagként használják szilán, szilikát, szilikonolaj, szilikongyanta és egyéb vegyi termékek előállításához.

Akkumulátor anyagok

A lítium-{0}}ion akkumulátor anódok adalékaként használják az akkumulátor kapacitásának és a ciklus élettartamának növelésére.

Fotovoltaikus és félvezető ipar

Bár a kohászati ​​-minőségű szilícium nem elég tiszta ahhoz, hogy közvetlenül a csúcskategóriás{1}elektronikában felhasználható legyen, felhasználható tisztítási előanyagként poliszilícium vagy kémiai -minőségű szilícium előállításához.

Tűzálló anyagok

Széles körben használják tűzálló téglákban és magas hőmérsékletű kemencékben,{0}}kerámiákban és üvegben készült kompozitokban.

A természetes kvarcérctől a nagy-tisztaságú szilíciumöntvényekig a kohászati-minőségű szilícium gyártási folyamata olyan multidiszciplináris technológiákat integrál, mint a magas hőmérsékletű fiziko-kémiai reakciók, az anyagtudomány és a folyamatirányítás. Mint a szilíciumanyag-ipari lánc "forrásfolyamata", minősége és stabilitása közvetlenül befolyásolja a későbbi alkalmazások teljesítményét és költségeit.

Ahogy a zöld energia, az energiatárolás, az elektromos járművek és az intelligens elektronikai termékek iránti globális kereslet folyamatosan növekszik, a kohászati{0}}minőségű szilícium jelentősége egyre hangsúlyosabbá válik, ami új lehetőségeket kínál az ipari korszerűsítés és a környezetvédelmi technológia fejlesztése terén.