Jak rafinuje się krzemometaliczny

Jako niezbędny materiał podstawowy w ogromnym systemie współczesnego przemysłu, krzemometal jest szeroko stosowany w wielu kluczowych dziedzinach, takich jak metalurgia, półprzewodniki i silikony. Jakość i wydajność krzemometalu wpływa bezpośrednio na rozwój wielu gałęzi przemysłu, począwszy od poprawy wydajności stali, aż po stanie się głównym surowcem do produkcji wiórów. W tym artykule przeanalizujemy proces rafinacji krzemometalu (krzemu przemysłowego) i rozwikłamy tajemnice produkcji od surowca do gotowego produktu.

Definicja

Krzem metaliczny, znany również jako krzem przemysłowy lub krzem krystaliczny, jest formą monomerów krzemu o ważnej wartości przemysłowej w dziedzinie chemii. Ze względu na szeroki zakres zastosowań w produkcji przemysłowej, te różne oznaczenia są szeroko stosowane w przemyśle.

System klasyfikacji

Klasyfikacja krzemu metalicznego odbywa się głównie na podstawie zawartości trzech głównych zanieczyszczeń: żelaza, glinu i wapnia. Klasyfikacja ta znajduje odzwierciedlenie w konkretnych liczbach, na przykład gatunek krzemometalu „553” reprezentuje 5% żelaza, 5% aluminium i 3% wapnia, podczas gdy „3303” oznacza 3% żelaza, 3% aluminium i 0,3% wapnia. Branży udało się to osiągnąć dzięki jasnym zasadom numeracji. Dzięki tej jasnej zasadzie numeracji przemysł może szybko określić stopień zanieczyszczenia i poziom jakości krzemometalu.

Procent dalszych zastosowań

Krzem metaliczny ma szeroki zakres dalszych zastosowań, a jego proporcja jest różna w różnych dziedzinach. Wśród nich 30,28% wykorzystuje się do produkcji polikrzemu, który służy przemysłowi półprzewodników i energii słonecznej; 26,82% jest rafinowane na krzem-metalurgiczny, który jest używany do produkcji stopów aluminium; a 38,03% jest dalej rafinowane w procesie hydrometalurgicznym na krzem-chemiczny, który wykorzystuje się do produkcji kauczuku silikonowego i silanu. Różne zastosowania wymagają różnej czystości i zawartości zanieczyszczeń krzemometalu, co determinuje różnice w procesie rafinacji.

Krzemionka, główny surowiec

Wymagania kompozycyjne

Krzemionka, jako główny surowiec do produkcji krzemometalu, podlega rygorystycznym normom dotyczącym składu. Produkcja przemysłowa wymaga, aby zawartość SiO2 w krzemionce była większa lub równa 99%, natomiast Fe2O3 mniejsza lub równa 0,15%, Al2O3 < 0,2%, CaO < 0,1%, a całkowita zawartość zanieczyszczeń powinna korzystnie wynosić < 0,6%. Nadmierna zawartość zanieczyszczeń będzie miała bezpośredni wpływ na proces wytapiania, zwiększy zużycie energii, a nawet obniży jakość krzemometalu.

Właściwości fizyczne

Oprócz składu chemicznego równie istotne są właściwości fizyczne krzemionki. Musi być wysoce odporny na ciepło i powinien minimalizować pękanie pod wpływem termicznych zmian fazowych po dodaniu do pieca. Im wyższa temperatura początkowa intensywnego rozrywania, tym lepiej zapewniona jest stabilność w środowisku o wysokiej temperaturze pieca. Ponadto zdolność do redukcji SiO2 jest ważną cechą decydującą o tym, czy krzemionkę można skutecznie zredukować do metalicznego krzemu.

Klasyfikacja i zastosowanie surowców

Jakość surowców krzemionkowych jest różna, podobnie jak ich zastosowanie. Wysokiej-jakości piasek kwarcowy, ze względu na swoją czystość i jakość, jest zwykle używany bezpośrednio do produkcji-wysokiej jakości wyrobów ze szkła kwarcowego, a nawet może zostać przetworzony na kryształy-wysokiej jakości, turmaliny itp., podczas gdy krzemionka o nieco niższym gatunku, ale z większymi rezerwami, lepszymi warunkami wydobycia i niższymi kosztami energii elektrycznej w okolicy, jest bardziej odpowiednia do produkcji krzemometalu.

Reduktory węglowe

Rodzaje reduktorów

Węglowe środki redukujące powszechnie stosowane w procesie wytapiania krzemometalu obejmują węgiel drzewny, koks naftowy i węgiel. Te środki redukujące reagują z krzemionką w wysokich temperaturach, redukując krzem z krzemionki.

Wymagania wydajnościowe

Nie wszystkie materiały zawierające węgiel nadają się do stosowania jako środki redukujące, a produkcja ma rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności. Ogólnie rzecz biorąc, reduktor musi charakteryzować się wysoką zawartością węgla stałego, niską zawartością popiołu, umiarkowaną zawartością substancji lotnych, niską wilgocią, wysoką rezystywnością, wysoką reaktywnością i pewną wytrzymałością mechaniczną. Tylko spełniając te wymagania możemy zapewnić skuteczną redukcję krzemionki w procesie wytapiania, a jednocześnie ograniczyć wprowadzanie zanieczyszczeń, tak aby zmniejszyć obciążenie późniejszego procesu dekontaminacji.

Zasada i metoda wytapiania

Do wytapiania krzemometalu wykorzystuje się głównie metodę pieca elektrycznego, tj. metodę karbotermiczną. Podstawową zasadą jest to, że w elektrycznym piecu łukowym krzemionka (SiO2) reaguje chemicznie z węglowym środkiem redukującym. W warunkach wysokiej temperatury SiO2 reaguje z węglem (C), tworząc krzem (Si) i tlenek węgla (CO), zgodnie z równaniem chemicznym: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Proces ten wymaga precyzyjnej kontroli temperatury i warunków reakcji, aby zapewnić skuteczną redukcję krzemu.

Kluczowe procesy produkcyjne

Dozowanie i mieszanie

Dozowanie i mieszanie to podstawowe etapy wytapiania. Muszą być dokładnie dopasowane do składu chemicznego i wielkości cząstek krzemionki i reduktora węglowego, aby zapewnić jednorodność i stabilność wsadu pod względem składu i właściwości fizycznych. Tylko równomierny ładunek może zapewnić stabilną i wydajną reakcję w piecu elektrycznym.

Ładowanie i ładowanie pieca

Proces ładowania przebiega ściśle sekwencyjnie, a wsad ładowany jest do pieca w określony sposób. Wraz ze stopniowym opuszczaniem elektrod rozpoczyna się zasilanie i stopniowo zwiększa się prąd zgodnie z procesem reakcji. Na tym etapie operator musi zwracać szczególną uwagę na wszystkie parametry, aby mieć pewność, że proces podawania przebiega płynnie i że na reakcję nie mają wpływu nieprawidłowości w przepływie prądu.

Duszenie i rafinacja

Duszenie i rafinacja to klucz do całego procesu wytapiania. Poprzez precyzyjną regulację napięcia, prądu i innych parametrów pieca elektrycznego, temperatura wewnątrz pieca jest utrzymywana w odpowiednim zakresie, aby zapewnić całkowitą redukcję SiO2 do metalicznego krzemu. Jednocześnie w trakcie procesu można skutecznie usunąć część zanieczyszczeń, co poprawia początkową jakość krzemometalu.

Separacja zanieczyszczeń

Metaliczny krzem otrzymany w wyniku wytapiania zawiera pewne zanieczyszczenia, które wymagają dalszej rafinacji i oczyszczenia. Powszechną metodą jest obróbka lotnych związków krzemu poprzez destylację w celu oddzielenia zanieczyszczeń, co znacznie poprawia czystość krzemu w celu zaspokojenia potrzeb różnych zastosowań.

Proces formowania

Oczyszczony krzem po oddzieleniu zanieczyszczeń jest odlewany do postaci stałej, takiej jak wlewki, bloki lub pelety. Następnie jest on kruszony, mielony i przetwarzany zgodnie z wymaganiami różnych gałęzi przemysłu w celu wytworzenia produktów krzemowo-metalowych spełniających specyfikacje.

Pakowanie i dystrybucja

Po uformowaniu i przetworzeniu gotowe produkty z krzemometalu zostaną zapakowane zgodnie z charakterystyką produktu i wymaganiami klienta. Po zapakowaniu produkty te będą dystrybuowane do różnych gałęzi przemysłu, takich jak elektronika, metalurgia, chemia itp., i poddawane różnym procesom produkcyjnym.

Zużycie energii

Wysokie zużycie energii

Produkcja krzemometalu to zazwyczaj branża wysokoenergetyczna-, w której średnie zużycie energii elektrycznej wynosi 13 000 kWh na tonę krzemu. W elektrycznych piecach łukowych wymagane są temperatury reakcji do 1800 stopni, aby zapewnić płynną redukcję krzemionki i węgla. To sprawia, że ​​produkcja krzemometalu jest w dużym stopniu uzależniona od zasobów energii elektrycznej, a produkcja jest zwykle prowadzona na obszarach o wystarczających zasobach energii elektrycznej.

Środki-oszczędności energii

Podjęto różne środki w celu zmniejszenia zużycia energii. Wybiera wysokiej-jakości rudy krzemionkowe i węglowe reduktory o wysokiej aktywności i niskiej zawartości popiołu, aby poprawić wydajność reakcji od strony surowca; przyjmuje zaawansowane piece termoelektryczne w celu optymalizacji wydajności sprzętu; i dodatkowo zmniejsza zużycie energii poprzez optymalizację działania procesu w celu ograniczenia problemów, takich jak przegrzania i nierówne tkaniny, w celu osiągnięcia oszczędności energii i zmniejszenia zużycia energii.

Jakość surowca

Kontrola zanieczyszczeń krzemionką

Zawartość zanieczyszczeń w surowcach krzemionkowych ma znaczący wpływ na produkcję. Podczas produkcji wysokiej-krzemionki przemysłowej Fe2O3 stanowi mniej niż 15%, Al2O3 mniej niż 20%, CaO mniej niż 15%; w przypadku produkcji krzemionki przemysłowej-bardzo wysokiej jakości normy kontroli tych tlenków są bardziej rygorystyczne. Wysoka zawartość zanieczyszczeń będzie prowadzić do lepkiego materiału na powierzchni wylotu pieca, słabej przepuszczalności, zwiększenia strat ciepła i zużycia energii.

Właściwości fizyczne krzemionki

Równie ważna jest stabilność termiczna i odporność na eksplozję krzemionki. Jeśli stabilność termiczna krzemionki jest słaba, łatwo pęka po podgrzaniu, łuszczenie się powierzchni poważnie wpływa na przepuszczalność pieca, powodując wiązanie wsadu w górnej części pieca, ciepło nie może być skutecznie przenoszone, a ostatecznie zużycie energii znacznie wzrasta. Ponadto należy ściśle kontrolować wielkość cząstek krzemionki wynoszącą 50 - 120 mm; zbyt mała lub zbyt duża wielkość cząstek będzie miała negatywny wpływ na produkcję.

Wraz z ciągłym postępem technologii przemysłowej, technologia rafinacji krzemometalu będzie się również rozwijać w kierunku oszczędności energii, wysokiej wydajności i wysokiej czystości. W przyszłości branża stanie przed wyzwaniami, takimi jak zmniejszenie zużycia energii i poprawa czystości produktów, ale istnieją również możliwości, takie jak innowacje technologiczne i otwieranie nowych obszarów zastosowań. Dzięki ciągłym badaniom i rozwojowi technologicznemu oraz optymalizacji procesów przemysł krzemometalowy z pewnością zapewni solidniejsze wsparcie dla nowoczesnego rozwoju przemysłu.