Як рафінується металевий кремній

Як незамінний основний матеріал у величезній системі сучасної промисловості, металевий кремній широко використовується в багатьох ключових галузях, таких як металургія, напівпровідники та силікони. Якість і вихід металевого кремнію безпосередньо впливають на розвиток багатьох наступних галузей: від сприяння покращенню характеристик сталі до того, як він стає основною сировиною для виробництва мікросхем. У цій статті ми проаналізуємо процес очищення металевого кремнію (промислового кремнію) і розгадаємо таємниці виробництва від сировини до готового продукту.

Визначення

Металевий кремній, також відомий як промисловий кремній або кристалічний кремній, є формою мономерів кремнію з важливим промисловим значенням у хімічній галузі. Завдяки широкому спектру застосування в промисловому виробництві ці різні позначення широко використовуються в промисловості.

Система класифікації

Металевий кремній класифікується в основному на підставі вмісту трьох основних домішок: заліза, алюмінію і кальцію. Ця класифікація відображається конкретними цифрами, наприклад, марка металевого кремнію «553» містить 5% заліза, 5% алюмінію та 3% кальцію, а «3303» означає 3% заліза, 3% алюмінію та 0,3% кальцію. Галузь змогла досягти цього завдяки чітким правилам нумерації. Завдяки цьому чіткому правилу нумерації промисловість може швидко визначити ситуацію з домішками та рівень якості металевого кремнію.

Відсоток подальших додатків

Металевий кремній має широкий спектр подальших застосувань, і пропорція різна в різних галузях. Серед них 30,28% використовується для виробництва полікремнію, який обслуговує напівпровідникову та сонячну енергетику; 26,82% очищається в металургійний-кремній, який використовується для виробництва алюмінієвих сплавів; і 38,03% далі очищається за допомогою гідрометалургійного процесу в кремній хімічного -класу, який використовується для виробництва силіконового каучуку та силану. Різні застосування вимагають різної чистоти та вмісту домішок у металевому кремнії, що визначає відмінності в процесі рафінування.

Кремнезем, основна сировина

Композиційні вимоги

Діоксид кремнію, як основна сировина для виробництва металевого кремнію, підпорядковується суворим стандартам складу. Промислове виробництво вимагає, щоб вміст SiO2 у кремнеземі був більше або дорівнював 99%, тоді як Fe2O3 менше або дорівнював 0,15%, Al2O3 < 0,2%, CaO < 0,1%, а загальна кількість домішок має бути переважно < 0,6%. Надмірний вміст домішок безпосередньо вплине на процес плавки, збільшить споживання енергії і навіть знизить якість металевого кремнію.

Фізичні властивості

На додаток до його хімічного складу, фізичні властивості діоксиду кремнію є не менш важливими. Він повинен бути високостійким до нагрівання та мінімізувати розтріскування під час термічних фазових змін при додаванні в піч. Чим вища початкова температура для інтенсивного руйнування, тим краще забезпечити стабільність у високотемпературному середовищі печі. Крім того, відновлюваність SiO2 є важливою характеристикою, яка визначає, чи можна успішно відновити кремнезем до металевого кремнію.

Класифікація та використання сировини

Якість силікатної сировини різниться, як і її використання. Високо{1}}якісний кварцовий пісок, завдяки своїй чистоті та якості, зазвичай використовується безпосередньо у виробництві високо-якісних виробів з кварцового скла та навіть може бути перероблено на кристали-коштовної якості та турмаліни тощо, тоді як кремнезем з дещо нижчим вмістом, але з більшими запасами, кращими умовами видобутку та нижчою вартістю електроенергії в околицях більше підходить для виробництва металевого кремнію.

Вуглецеві відновники

Види відновника

Вуглецеві відновники, які зазвичай використовуються в процесі плавки металевого кремнію, включають деревне вугілля, нафтовий кокс і вугілля. Ці відновники реагують із кремнеземом при високих температурах, щоб відновити кремній із кремнезему.

Вимоги до продуктивності

Не всі вуглецеві матеріали придатні для використання як відновники, і виробництво має суворі вимоги до продуктивності. Загалом кажучи, відновник повинен характеризуватися високим вмістом зв’язаного вуглецю, низьким вмістом золи, помірним вмістом летючих речовин, низькою вологістю, високим питомим опором, високою реакційною здатністю та певною механічною міцністю. Лише дотримуючись цих вимог, ми можемо забезпечити ефективне зменшення кремнезему в процесі плавки та водночас зменшити введення домішок, щоб зменшити навантаження на подальший процес дезактивації.

Принцип і спосіб плавки

Для виплавки металевого кремнію в основному використовується метод електропечі, тобто карботермічний метод. Основний принцип полягає в тому, що в електродуговій печі кремнезем (SiO2) хімічно реагує з вуглецевим відновником. В умовах високої температури SiO2 реагує з вуглецем (C) з утворенням кремнію (Si) і монооксиду вуглецю (CO) з хімічним рівнянням: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Цей процес вимагає точного контролю температури та умов реакції, щоб реалізувати ефективне відновлення кремнію.

Ключові виробничі процеси

Дозування та змішування

Дозування і змішування є основними етапами плавки. Вони повинні бути точно узгоджені з хімічним складом і розміром частинок кремнезему і вуглецевого відновника, щоб забезпечити однорідність і стабільність заряду з точки зору складу і фізичних властивостей. Тільки рівномірний заряд може здійснити стабільну та ефективну реакцію в електропечі.

Завантаження печі та зарядка

Процес завантаження суворо послідовний і шихта завантажується в піч певним чином. При поступовому опусканні електродів запускається подача живлення і сила струму поступово збільшується відповідно до процесу реакції. Цей етап вимагає від оператора пильної уваги до всіх параметрів, щоб переконатися, що процес подачі проходить гладко і що на реакцію не впливають відхилення в струмі.

Тушкування і рафінування

Тушіння та рафінування є ключовими для всього процесу плавлення. Завдяки точному регулюванню напруги, струму та інших параметрів електричної печі температура всередині печі підтримується у відповідному діапазоні для забезпечення повного відновлення SiO2 до металевого кремнію. У той же час деякі домішки можуть бути ефективно видалені під час процесу, що покращує початкову якість металевого кремнію.

Відділення домішок

Металевий кремній, отриманий при плавці, містить певні домішки, які потребують подальшого рафінування та очищення. Загальний метод полягає в обробці летких сполук кремнію за допомогою дистиляції, щоб відокремити домішки, таким чином значно підвищивши чистоту кремнію для задоволення потреб різних застосувань.

Процес формування

Очищений кремній після відділення домішок відливають у тверді форми, такі як злитки, блоки або гранули. Після цього його подрібнюють, подрібнюють і обробляють відповідно до вимог різних галузей промисловості для виготовлення металевих кремнієвих виробів, які відповідають специфікаціям.

Упаковка та розповсюдження

Після формування та обробки готові вироби з силіконового металу будуть упаковані відповідно до характеристик продукту та вимог замовника. Після упаковки ці продукти будуть розподілені в різних галузях промисловості, таких як електроніка, металургія, хімічна промисловість тощо, і введені в різні виробничі процеси.

Енергоспоживання

Високе енергоспоживання

Виробництво металевого кремнію зазвичай є високо{0}}енергетичною галуззю із середнім споживанням електроенергії 13 000 кВт/год на тонну кремнію. В електродугових печах температура реакції становить до 1800 градусів, щоб гарантувати плавне відновлення кремнезему та вуглецю. Це робить виробництво металевого кремнію дуже залежним від ресурсів електроенергії, і виробництво зазвичай здійснюється в районах з достатніми ресурсами електроенергії.

Заходи-з енергозбереження

Були вжиті різні заходи для зменшення споживання енергії. Він вибирає високо-якісні силікатні вихідні руди та вуглецеві відновники з високою активністю та низьким вмістом золи для підвищення ефективності реакції з боку сировини; використовує вдосконалені термоелектричні печі для оптимізації продуктивності обладнання; і додатково зменшує споживання енергії шляхом оптимізації процесу, щоб зменшити такі проблеми, як гарячі зупинки та нерівні тканини, щоб досягти енергозбереження та зменшення споживання енергії.

Якість сировини

Контроль домішок кремнезему

Вміст домішок у силікатній сировині має значний вплив на виробництво. Під час виробництва високоякісного промислового кремнезему Fe2O3 становить менше 15%, Al2O3 менше 20%, CaO менше 15%; якщо виробляти надвисоко{9}}якісний промисловий кремнезем, стандарт контролю цих оксидів є суворішим. Високий вміст домішок призведе до липкості матеріалу поверхні горловини печі, поганої проникності, збільшення втрат тепла та споживання електроенергії.

Фізичні властивості кремнезему

Термічна стабільність і вибухостійкість кремнезему однаково важливі. Якщо термічна стабільність кремнезему низька, його легко розірвати після нагрівання, поверхневе відшарування серйозно вплине на проникність печі, що призведе до зв’язування верхньої частини шихти печі, тепло не може бути ефективно передано, і, зрештою, споживання електроенергії значно збільшилося. Крім того, слід суворо контролювати розмір частинок кремнезему на рівні 50 - 120 мм, занадто малий або занадто великий розмір частинок матиме негативний вплив на виробництво.

З постійним прогресом промислових технологій технологія рафінування металевого кремнію також розвиватиметься в напрямку енергозбереження, високої ефективності та високої чистоти. У майбутньому галузь зіткнеться з такими проблемами, як зменшення споживання енергії та підвищення чистоти продукції, а також є такі можливості, як технологічні інновації та відкриття нових сфер застосування. Завдяки безперервним технологічним дослідженням і розробкам, а також оптимізації процесів, промисловість металевого кремнію, безсумнівно, забезпечить надійнішу підтримку розвитку сучасної промисловості.