Kako se proizvaja industrijski silicij

Silicij, drugi najpogostejši element v zemeljski skorji, se pogosto uporablja v metalurgiji, aluminijevih zlitinah, kemikalijah, baterijah, sončni energiji in elektroniki. V tej ogromni industrijski verigi ima silicij metalurške kakovosti (MG-Si) vlogo osnovne surovine in je izhodišče vseh -silicijevih materialov visoke čistosti (kot sta polisilicij in silicij elektronske kakovosti).
 

Torej, kako se silicij metalurške kakovosti pridobiva iz naravne kremenove rude? V tem članku vas bomo popeljali na globok potop v celoten proizvodni proces industrijskega silicija.

Silicij metalurške kakovosti je surovina iz neželeznih zlitin, bogata s silicijem, z vsebnostjo silicija med 95 % in 99,5 %. Običajno je v obliki sivih kovinskih grudic, vendar se lahko na zahtevo predela tudi v zrnate ali praškaste izdelke.

Kljub imenu »silicijeva kovina« metalurški -silicij ni čista kovina, temveč mešanica železa (Fe), aluminija (Al), kalcija (Ca) in drugih nečistoč. Vsebnost teh nečistoč določa obseg njegove uporabe in tržno vrednost.

Glavne uporabe silicija metalurške kakovosti vključujejo: deoksidacijo jekla, ojačitev iz aluminijevih zlitin, surovine iz ferosilicijevih zlitin, kemične surovine, dodatke za baterije, ognjevzdržne materiale ter primarne fotovoltaične in polprevodniške materiale.

Primarna surovina za metalurški silicij je kremen (SiO₂) ali kvarcit. Ti minerali vsebujejo -silicijev dioksid visoke čistosti, ki je glavna oblika silicija v naravi.

Postopek redukcije silicijevega dioksida ima visok energijski prag zaradi zelo stabilnih vezi Si-O. Za izvedbo redukcijske reakcije je treba kremen temeljito zmešati s snovmi, ki vsebujejo ogljik- (npr. koks, premog, lesni sekanci, oglje itd.), da nastane reakcijska mešanica. Ti viri ogljika lahko pri visokih temperaturah reagirajo s kisikom in sprostijo čisti silicij.

Osnovni proizvodni proces za industrijski silicij je reakcija karbotermalne redukcije (CR) v potopljeni elektroobločni peči.

Okolje z visoko{0}}temperaturno reakcijo

Temperatura v peči se običajno vzdržuje pri 1500 do 2000 stopinjah. Peč se opira na elektrode, ki vodijo močan električni tok v naboj, kar ustvarja visoko-temperaturno obločno območje. Ta temperatura zadostuje za poganjanje naslednje glavne reakcije: SiO₂ (trdno) + 2C (trdno) → Si (tekoče) + 2CO (plin).

V polnjenju poteka redukcijska reakcija med silicijevim dioksidom in ogljikom, pri čemer nastane tekoči silicij in plin ogljikov monoksid.

Več{0}}stopenjski reakcijski mehanizem

Peč ni homogeno reakcijsko okolje: visoke temperature v osrednjem območju vodijo do hitrih reakcij in tvorbe velikih količin tekočega silicija.

Nižje temperature na obrobnih območjih lahko povzročijo nastanek vmesnega plina SiO (silicijev oksid).

Ti plini lahko nadalje reagirajo v peči in tvorijo silicij ali pa uidejo iz peči in tvorijo stranski produkt silicijev dioksid.

Ohranjanje poroznosti naboja

Da bi zagotovili nemoten pretok plinov, mora biti plast reaktanta dobro prezračena. Če je plast naboja pregosta, se zmanjša učinkovitost redukcije in poveča poraba energije.

Ko se tekoči silicij združi na dnu peči, se izloči skozi odprtino peči in preusmeri v zajemalko ali lonček. Na tej točki je silicij običajno v visoko{1}}tekočem stanju z nečistočami.

Pri nadaljnji predelavi proizvajalec izvede predhodno rafinacijo, da nadzoruje vsebnost aluminija, kalcija in drugih nečistoč ter zagotovi, da izdelek ustreza prednastavljenim kemijskim specifikacijam.

Po začetnem rafiniranju se tekoči silicij vlije v kalupe in ohladi, da se oblikujejo ingoti.

Po končanem ohlajanju bodo ingoti zdrobljeni z mehansko drobilno opremo, presejani glede na različne velikosti delcev (npr. . 10-100 mm), pakirani in pripravljeni za odpremo.

Kakovost silicija metalurške kakovosti se meri z naslednjimi vidiki: vsebnost Si (običajno 95 % do 99,5 %); vsebnost nečistoč, kot so Fe, Al in Ca; specifikacije velikosti in oblike delcev; in stabilnost sestave-za-sestavo.

Proizvajalci običajno izvedejo spektralno analizo in fizikalno testiranje vsake serije silicija ter izdajo poročilo o kakovosti (COA), da zagotovijo, da lahko stranke brez skrbi uporabljajo izdelek.

Železarska in jeklarska industrija

Dodano jeklu kot dezoksidant za učinkovito odstranjevanje kisika in povečanje trdnosti in žilavosti jekla.

Proizvodnja aluminijevih zlitin

Uporablja se za izboljšanje trdnosti, odpornosti proti koroziji in učinkovitosti litja aluminijeve zlitine.

Kemična industrija

Uporablja se kot pomembna surovina za pripravo silana, silikata, silikonskega olja, silikonske smole in drugih kemičnih izdelkov.

Baterijski materiali

Uporablja se kot dodatek za anode litij{0}}ionskih baterij za povečanje zmogljivosti baterije in življenjske dobe.

Fotovoltaična in polprevodniška industrija

Čeprav metalurški-silicij ni dovolj čist, da bi ga lahko neposredno uporabili-v vrhunski elektroniki, ga je mogoče uporabiti kot prekurzor za čiščenje za proizvodnjo polisilicija ali kemičnega-silicija.

Ognjevzdržni materiali

Pogosto se uporablja v ognjevzdržnih opekah in kompozitih za visoko{0}}temperaturna kurišča, keramiko in steklo.

Od naravne kremenčeve rude do silicijevih ingotov visoke-čistosti, proizvodni proces metalurškega-silicija združuje multidisciplinarne tehnologije, kot so visoko{2}}temperaturne fizikalno-kemijske reakcije, znanost o materialih in nadzor procesa. Ker je "izvorni proces" v verigi industrije silicijevih materialov, njegova kakovost in stabilnost neposredno vplivata na zmogljivost in stroške nadaljnjih aplikacij.

Ker svetovno povpraševanje po zeleni energiji, shranjevanju energije, električnih vozilih in pametnih elektronskih izdelkih še naprej narašča, postaja vse bolj pomemben pomen metalurškega-silicija, kar prinaša tudi nove priložnosti za industrijsko nadgradnjo in razvoj tehnologije varovanja okolja.