Hvordan produseres silisium av industrikvalitet

Silisium, det nest mest tallrike grunnstoffet i jordskorpen, er mye brukt i metallurgi, aluminiumslegeringer, kjemikalier, batterier, solenergi og elektronikk. I denne enorme industrikjeden spiller metallurgisk silisium (MG-Si) rollen som grunnleggende råmateriale, og er utgangspunktet for alle silisiummaterialer med høy-renhet (som polysilisium og elektronisk silisium).
 

Så hvordan utvinnes metallurgisk silisium fra naturlig kvartsmalm? I denne artikkelen tar vi deg med på et dypdykk i hele produksjonsprosessen av industriell silisium.

Metallurgisk silisium er et råmateriale av ikke--jernholdig legering rik på silisium, med et silisiuminnhold på mellom 95 % og 99,5 %. Det er vanligvis i form av grå metalliske klumper, men kan også bearbeides til granulerte eller pulveriserte produkter på forespørsel.

Til tross for navnet "silisiummetall", er metallurgisk-silisium ikke et rent metall, men en blanding av jern (Fe), aluminium (Al), kalsium (Ca) og andre urenheter. Innholdet av disse urenhetene bestemmer bruksomfanget og markedsverdien.

De viktigste bruksområdene for metallurgisk silisium inkluderer: deoksidering av stål, armering av aluminiumslegering, råmaterialer av ferrosilisiumlegering, kjemiske råmaterialer, batteritilsetningsstoffer, ildfaste materialer og primære fotovoltaiske og halvledermaterialer.

Det primære råmaterialet for metallurgisk silisium er kvarts (SiO₂) eller kvartsitt. Disse mineralene inneholder silisiumdioksid med høy-renhet, som er hovedformen for silisium som finnes i naturen.

Reduksjonsprosessen av silisiumdioksid har en høy energiterskel på grunn av dens meget stabile Si-O-bindinger. For å realisere reduksjonsreaksjonen, må kvarts blandes grundig med karbon-holdige stoffer (f.eks. koks, kull, flis, trekull, etc.) for å danne en reaksjonsblanding. Disse karbonkildene er i stand til å reagere med oksygen ved høye temperaturer for å frigjøre rent silisium.

Kjerneproduksjonsprosessen for industrielt silisium er reaksjonen Carbothermal Reduction (CR) i en nedsenket elektrisk lysbueovn.

Reaksjonsmiljø med høy-temperatur

Temperaturen inne i ovnen holdes vanligvis på 1500 til 2000 grader. Ovnen er avhengig av elektroder for å lede en sterk elektrisk strøm inn i ladningen, og skaper en lysbuesone med høy-temperatur. Denne temperaturen er tilstrekkelig til å drive følgende hovedreaksjon: SiO₂ (fast) + 2C (fast) → Si (flytende) + 2CO (gass).

I ladningen foregår reduksjonsreaksjonen mellom silika og karbon, og produserer flytende silisium og karbonmonoksidgass.

Fler-reaksjonsmekanisme

Ovnen er ikke et homogent reaksjonsmiljø: Høye temperaturer i det sentrale området fører til raske reaksjoner og dannelse av store mengder flytende silisium.

Lavere temperaturer i de perifere områdene kan føre til dannelse av mellomgassen SiO (Silisiumoksid).

Disse gassene kan enten reageres videre inne i ovnen for å danne silisium, eller unnslippe fra ovnen for å danne-biproduktet Silica Fume.

Opprettholde porøsiteten til ladningen

For å sikre en jevn strøm av gasser, må reaktantlaget være godt ventilert. Hvis ladelaget er for tett, vil reduksjonseffektiviteten reduseres og energiforbruket øke.

Etter at det flytende silisiumet har konvergert i bunnen av ovnen, tappes det gjennom ovnsåpningen og ledes inn i øsen eller digelen. På dette tidspunktet er silisiumet vanligvis i flytende tilstand med høy-temperatur med urenheter.

I etterfølgende bearbeiding utfører produsenten foreløpig raffinering for å kontrollere innholdet av aluminium, kalsium og andre urenheter og for å sikre at produktet oppfyller de forhåndsinnstilte kjemiske spesifikasjonene.

Etter den første raffineringen helles det flytende silisiumet i former og avkjøles for å danne blokker.

Etter at avkjølingen er fullført, vil blokkene bli knust av mekanisk knuseutstyr, siktet i henhold til forskjellige partikkelstørrelser (f.eks. . 10-100mm), pakket og klargjort for forsendelse.

Kvaliteten på silisium av metallurgisk kvalitet måles ved følgende aspekter: Si-innhold (vanligvis 95% til 99,5%); innhold av urenheter som Fe, Al og Ca; partikkelstørrelsesspesifikasjoner og partikkelform; og batch-til-komposisjonsstabilitet.

Produsenter utfører vanligvis spektralanalyse og fysisk testing på hvert parti silisium, og utsteder en kvalitetsrapport (COA) for å sikre at kundene kan bruke produktet uten bekymringer.

Jern- og stålindustri

Lagt til stål som et deoksideringsmiddel for effektivt å fjerne oksygen og forbedre styrken og seigheten til stål.

Produksjon av aluminiumslegeringer

Brukes for å forbedre styrken, korrosjonsmotstanden og støpeytelsen til aluminiumslegering.

Kjemisk industri

Brukes som et viktig råmateriale for fremstilling av silan, silikat, silikonolje, silikonharpiks og andre kjemiske produkter.

Batterimaterialer

Brukes som et tilsetningsstoff for litium-ion-batterianoder for å forbedre batterikapasiteten og levetiden.

Fotovoltaisk og halvlederindustri

Selv om metallurgisk-silisium ikke er rent nok til å brukes direkte i-elektronikk, kan det brukes som en renseforløper for produksjon av polysilisium eller kjemisk-silisium.

Ildfaste materialer

Mye brukt i ildfaste murstein og kompositter for høy-temperaturovner, keramikk og glass.

Fra naturlig kvartsmalm til silisiumblokker med høy-renhet, produksjonsprosessen av metallurgisk-silisium integrerer multidisiplinære teknologier som fysisk-kjemiske høy-temperaturreaksjoner, materialvitenskap og prosesskontroll. Som "kildeprosessen" til silisiummaterialindustrikjeden, påvirker kvaliteten og stabiliteten direkte ytelsen og kostnadene til nedstrømsapplikasjoner.

Ettersom den globale etterspørselen etter grønn energi, energilagring, elektriske kjøretøy og smarte elektroniske produkter fortsetter å vokse, blir viktigheten av metallurgisk-silisium mer og mer fremtredende, noe som også gir nye muligheter for industriell oppgradering og utvikling av miljøvernteknologi.