Krzem, drugi najobficiej występujący pierwiastek w skorupie ziemskiej, jest szeroko stosowany w metalurgii, stopach aluminium, chemikaliach, bateriach, energii słonecznej i elektronice. W tym ogromnym łańcuchu przemysłowym krzem metalurgiczny (MG-Si) odgrywa rolę podstawowego surowca i jest punktem wyjścia do wszystkich materiałów krzemowych-o wysokiej czystości (takich jak polikrzem i krzem klasy elektronicznej).
Jak zatem ekstrahuje się krzem metalurgiczny z naturalnej rudy kwarcu? W tym artykule szczegółowo omówimy cały proces produkcji krzemu przemysłowego.
Co to jest krzem metalurgiczny?
Krzem metalurgiczny to-surowiec ze stopu metali nieżelaznych bogaty w krzem, którego zawartość wynosi od 95% do 99,5%. Zwykle ma postać szarych metalicznych grudek, ale na życzenie można go również przetworzyć na produkty granulowane lub sproszkowane.
Pomimo nazwy „krzem metaliczny”, krzem-metalurgiczny nie jest czystym metalem, lecz mieszaniną żelaza (Fe), aluminium (Al), wapnia (Ca) i innych zanieczyszczeń. Zawartość tych zanieczyszczeń determinuje zakres jego stosowania i wartość rynkową.
Główne zastosowania krzemu metalurgicznego obejmują: odtlenienie stali, wzmocnienie stopów aluminium, surowce ze stopów żelazokrzemu, surowce chemiczne, dodatki do akumulatorów, materiały ogniotrwałe oraz pierwotne materiały fotowoltaiczne i półprzewodnikowe.
Przygotowanie surowców: od kwarcu po mieszanki reaktywne
Podstawowym surowcem do produkcji krzemu metalurgicznego jest kwarc (SiO₂) lub kwarcyt. Minerały te zawierają-dwutlenek krzemu o wysokiej czystości, który jest główną formą krzemu występującą w przyrodzie.
Proces redukcji dwutlenku krzemu charakteryzuje się wysokim progiem energetycznym ze względu na bardzo stabilne wiązania Si-O. Aby przeprowadzić reakcję redukcji, kwarc należy dokładnie wymieszać z substancjami zawierającymi węgiel-(np. koksem, węglem, zrębkami drzewnymi, węglem drzewnym itp.), aby utworzyć mieszaninę reakcyjną. Te źródła węgla są w stanie reagować z tlenem w wysokich temperaturach, uwalniając czysty krzem.
Proces podstawowy: redukcja karbotermiczna w elektrycznym piecu łukowym
Podstawowym procesem produkcji krzemu przemysłowego jest reakcja redukcji karbotermicznej (CR) w zanurzonym piecu łukowym.
Środowisko reakcji o wysokiej-temperaturze
Temperatura wewnątrz pieca jest zwykle utrzymywana na poziomie 1500 do 2000 stopni. Piec wykorzystuje elektrody, które przewodzą silny prąd elektryczny do wsadu, tworząc-strefę łuku o wysokiej temperaturze. Temperatura ta jest wystarczająca do zajścia następującej głównej reakcji: SiO₂ (ciało stałe) + 2C (ciało stałe) → Si (ciecz) + 2CO (gaz).
We wsadzie zachodzi reakcja redukcji krzemionki i węgla, w wyniku której powstaje ciekły krzem i gazowy tlenek węgla.
Wieloetapowy-mechanizm reakcji
Piec nie jest jednorodnym środowiskiem reakcji: wysokie temperatury w środkowej części prowadzą do szybkich reakcji i tworzenia się dużych ilości ciekłego krzemu.
Niższe temperatury w obszarach peryferyjnych mogą prowadzić do powstania gazu pośredniego SiO (tlenku krzemu).
Gazy te mogą zostać poddane dalszej reakcji w piecu, tworząc krzem, lub ulatniać się z pieca, tworząc-produkt uboczny – pył krzemionkowy.
Utrzymanie porowatości ładunku
Aby zapewnić płynny przepływ gazów, warstwa reagentów musi być dobrze wentylowana. Jeśli warstwa ładunku będzie zbyt gęsta, skuteczność redukcji zostanie zmniejszona, a zużycie energii wzrośnie.
Wytapianie i wstępna rafinacja
Gdy ciekły krzem zbierze się na dnie pieca, jest on spuszczany przez otwór pieca i kierowany do kadzi lub tygla. W tym momencie krzem jest zwykle w stanie-ciekłym o wysokiej temperaturze i zawiera zanieczyszczenia.
W dalszej obróbce producent przeprowadza wstępną rafinację, mającą na celu kontrolę zawartości aluminium, wapnia i innych zanieczyszczeń oraz zapewnienie, że produkt spełnia założone parametry chemiczne.
Chłodzenie, formowanie i kruszenie
Po wstępnej rafinacji ciekły krzem wlewa się do form i chłodzi do postaci wlewków.
Po całkowitym schłodzeniu wlewki zostaną rozdrobnione za pomocą mechanicznego sprzętu do kruszenia, przesiane według różnych rozmiarów cząstek (np.. 10-100 mm), zapakowane i przygotowane do wysyłki.
Kluczowe cechy i kontrola jakości krzemu metalurgicznego
Jakość krzemu metalurgicznego mierzy się na podstawie następujących aspektów: zawartość Si (zwykle od 95% do 99,5%); zawartość zanieczyszczeń takich jak Fe, Al i Ca; specyfikacje dotyczące wielkości cząstek i kształtu cząstek; i stabilność składu partii-do-partii.
Producenci zazwyczaj przeprowadzają analizę spektralną i testy fizyczne każdej partii krzemu oraz wydają raport jakości (COA), aby mieć pewność, że klienci mogą korzystać z produktu bez obaw.
Zastosowania metalurgicznego metalu krzemowego
Przemysł żelaza i stali
Dodawany do stali jako odtleniacz, aby skutecznie usuwać tlen i zwiększać wytrzymałość i wiązkość stali.
Produkcja stopów aluminium
Stosowany w celu poprawy wytrzymałości, odporności na korozję i właściwości odlewniczych stopu aluminium.
Przemysł chemiczny
Używany jako ważny surowiec do wytwarzania silanu, krzemianu, oleju silikonowego, żywicy silikonowej i innych produktów chemicznych.
Materiały akumulatorowe
Stosowany jako dodatek do anod akumulatorów litowo-jonowych w celu zwiększenia pojemności akumulatora i jego żywotności.
Przemysł fotowoltaiczny i półprzewodników
Chociaż krzem-metalurgiczny nie jest wystarczająco czysty, aby można go było stosować bezpośrednio w-wysokiej jakości elektronice, można go stosować jako prekursor oczyszczania do produkcji polikrzemu lub krzemu-chemicznego.
Materiały ogniotrwałe
Szeroko stosowany w cegłach ogniotrwałych i kompozytach do-kompozytów pieców wysokotemperaturowych, ceramiki i szkła.
Wniosek
Od naturalnej rudy kwarcu po wlewki krzemu-o wysokiej czystości, proces produkcji krzemu-metalurgicznego integruje technologie multidyscyplinarne, takie jak reakcje fizykochemiczne w-wysokiej temperaturze, inżynieria materiałowa i kontrola procesu. Jako „proces źródłowy” łańcucha przemysłu materiałów krzemowych, jego jakość i stabilność bezpośrednio wpływają na wydajność i koszty dalszych zastosowań.
Wraz ze wzrostem globalnego zapotrzebowania na zieloną energię, magazynowanie energii, pojazdy elektryczne i inteligentne produkty elektroniczne, znaczenie krzemu-metalurgicznego staje się coraz bardziej widoczne, co stwarza również nowe możliwości modernizacji przemysłu i rozwoju technologii ochrony środowiska.
