Як виготовляється промисловий кремній

Кремній, другий за поширеністю елемент у земній корі, широко використовується в металургії, алюмінієвих сплавах, хімікатах, акумуляторах, сонячній енергії та електроніці. У цьому величезному промисловому ланцюжку кремній металургійного класу (MG-Si) відіграє роль основної сировини та є відправною точкою для всіх -кремнієвих матеріалів високої чистоти (таких як полікремній та кремній електронного класу).
 

Отже, як металургійний кремній видобувається з природної кварцової руди? У цій статті ми детально зануримося у повний процес виробництва промислового кремнію.

Кремній металургійного сорту – це -сплавна сировина з кольорових металів, багата на кремній із вмістом кремнію від 95% до 99,5%. Зазвичай він має форму сірих металевих грудок, але за запитом також може бути перероблений у гранульований або порошкоподібний продукт.

Незважаючи на назву «металічний кремній», металургійний -кремній — це не чистий метал, а суміш заліза (Fe), алюмінію (Al), кальцію (Ca) та інших домішок. Вміст цих домішок визначає його сферу застосування та ринкову вартість.

Основне використання кремнію металургійного класу включає: розкислення сталі, зміцнення алюмінієвих сплавів, сировину для феросиліцієвих сплавів, хімічну сировину, добавки для акумуляторів, вогнетривкі матеріали та первинні фотоелектричні та напівпровідникові матеріали.

Основною сировиною для металургійного кремнію є кварц (SiO₂) або кварцит. Ці мінерали містять -діоксид кремнію високої чистоти, який є основною формою кремнію, що зустрічається в природі.

Процес відновлення діоксиду кремнію має високий енергетичний поріг завдяки дуже стабільним зв’язкам Si-O. Щоб здійснити реакцію відновлення, кварц необхідно ретельно змішати з вуглець-вмісними речовинами (наприклад, коксом, вугіллям, деревною стружкою, деревним вугіллям тощо) для утворення реакційної суміші. Ці джерела вуглецю здатні реагувати з киснем при високих температурах, вивільняючи чистий кремній.

Основним процесом виробництва промислового кремнію є реакція карботермічного відновлення (CR) у зануреній електродуговій печі.

Високо{0}}температурне реакційне середовище

Температура всередині печі зазвичай підтримується на рівні від 1500 до 2000 градусів. Піч використовує електроди, які пропускають сильний електричний струм у шихту, утворюючи високо-температурну дугову зону. Цієї температури достатньо для проведення наступної основної реакції: SiO₂ (тверда речовина) + 2C (тверда речовина) → Si (рідка) + 2CO (газ).

У заряді відбувається реакція відновлення між кремнеземом і вуглецем, утворюючи рідкий кремній і газоподібний окис вуглецю.

Багато{0}}механізм реакції

Піч не є однорідним реакційним середовищем: високі температури в центральній зоні призводять до швидких реакцій і утворення великої кількості рідкого кремнію.

Нижчі температури в периферійних областях можуть призвести до утворення проміжного газу SiO (оксиду кремнію).

Ці гази можуть реагувати далі в печі з утворенням кремнію або виходити з печі з утворенням -побічного продукту кремнезему.

Збереження пористості шихти

Щоб забезпечити плавний потік газів, шар реагентів повинен добре вентилюватися. Якщо шар заряду занадто щільний, ефективність відновлення буде знижена, а споживання енергії збільшиться.

Після того, як рідкий кремній зійшовся на дні печі, його пропускають через отвір печі та направляють у ківш або тигель. У цей момент кремній зазвичай перебуває у високотемпературному-рідкому стані з домішками.

При подальшій обробці виробник проводить попереднє рафінування, щоб контролювати вміст алюмінію, кальцію та інших домішок і забезпечити відповідність продукту заданим хімічним характеристикам.

Після початкового рафінування рідкий кремній розливають у форми та охолоджують для формування зливків.

Після завершення охолодження злитки будуть подрібнені за допомогою механічного дробильного обладнання, просіяні відповідно до різних розмірів частинок (наприклад, . 10-100 мм), упаковані та підготовлені до відправлення.

Якість кремнію металургійного класу вимірюється за такими аспектами: вміст Si (зазвичай від 95% до 99,5%); вміст домішок Fe, Al, Ca; специфікації розміру та форми частинок; і композиційна стабільність--від партії до партії.

Виробники зазвичай проводять спектральний аналіз і фізичні випробування кожної партії кремнію та видають звіт про якість (COA), щоб гарантувати, що клієнти можуть безтурботно використовувати продукт.

Чорна металургія

Додається до сталі як розкислювач для ефективного видалення кисню та підвищення міцності та міцності сталі.

Виробництво алюмінієвих сплавів

Використовується для підвищення міцності, стійкості до корозії та якості лиття алюмінієвого сплаву.

Хімічна промисловість

Використовується як важлива сировина для приготування силану, силікату, силіконової олії, силіконової смоли та інших хімічних продуктів.

Матеріали акумулятора

Використовується як добавка до анодів літій-{0}}іонних акумуляторів для збільшення ємності акумулятора та тривалості циклу.

Фотоелектрична та напівпровідникова промисловість

Хоча кремній металургійного-класу недостатньо чистий, щоб використовувати його безпосередньо в-електроніці високого класу, його можна використовувати як прекурсор для очищення для виробництва полікремнію або кремнію-хімічного класу.

Вогнетриви

Широко використовується у вогнетривкій цеглі та композитах для-високотемпературних подів печей, кераміки та скла.

Від природної кварцової руди до злитків кремнію високої-чистості, процес виробництва металургійного-кремнію об’єднує міждисциплінарні технології, такі як високо{2}}температурні фізико-хімічні реакції, матеріалознавство та керування процесом. Як «вихідний процес» промислового ланцюжка кремнієвих матеріалів його якість і стабільність безпосередньо впливають на продуктивність і вартість наступних програм.

Оскільки глобальний попит на екологічно чисту енергію, зберігання енергії, електромобілі та розумні електронні вироби продовжує зростати, важливість металургійного -кремнію стає дедалі помітнішою, що також відкриває нові можливості для промислової модернізації та розвитку технологій захисту навколишнього середовища.