Как рафинируют металлический кремний

В качестве незаменимого основного материала в огромной системе современной промышленности металлический кремний широко используется во многих ключевых областях, таких как металлургия, полупроводники и силиконы. Качество и выход металлического кремния напрямую влияют на развитие многих перерабатывающих отраслей: от улучшения характеристик стали до превращения ее в основное сырье для производства чипов. В этой статье мы проанализируем процесс переработки металлического кремния (технического кремния) и разгадаем тайны производства от сырья до готового продукта.

Определение

Металлический кремний, также известный как технический кремний или кристаллический кремний, представляет собой форму мономеров кремния, имеющую важное промышленное значение в химической области. Благодаря широкому спектру применения в промышленном производстве эти различные обозначения широко используются в промышленности.

Система классификации

Металлический кремний классифицируется в основном по содержанию трех основных примесей: железа, алюминия и кальция. Эта классификация отражается конкретными цифрами, например, марка металлического кремния «553» представляет собой 5% железа, 5% алюминия и 3% кальция, а «3303» означает 3% железа, 3% алюминия и 0,3% кальция. Отрасль смогла добиться этого благодаря четким правилам нумерации. Благодаря этому четкому правилу нумерации промышленность может быстро определить ситуацию с примесями и уровень качества металлического кремния.

Процент последующих приложений

Металлический кремний имеет широкий спектр применения, и его пропорция варьируется в разных областях. Из них 30,28% используется для производства поликремния, который обслуживает полупроводниковую и солнечную энергетику; 26,82% перерабатывается в кремний металлургического-чистого качества, который используется для производства алюминиевых сплавов; а 38,03% далее перерабатывается гидрометаллургическим процессом в кремний химического-чистого качества, который используется для производства силиконового каучука и силана. Различные применения требуют разной чистоты и содержания примесей металлического кремния, что определяет различия в процессе рафинирования.

Кремнезем, основное сырье

Требования к композиции

Кремнезем, как основное сырье для производства металлического кремния, подчиняется строгим стандартам состава. Промышленное производство требует, чтобы содержание SiO2 в кремнеземе было больше или равно 99%, Fe2O3 - меньше или равно 0,15%, Al2O3 <0,2%, CaO <0,1%, а общее количество примесей предпочтительно должно быть <0,6%. Чрезмерное содержание примесей напрямую повлияет на процесс плавки, увеличит энергопотребление и даже снизит качество металлического кремния.

Физические свойства

Помимо химического состава, физические свойства кремнезема не менее важны. Он должен обладать высокой термостойкостью и минимизировать растрескивание при термических фазовых изменениях при добавлении в печь. Чем выше температура начала интенсивного разрушения, тем лучше обеспечить стабильность в высокотемпературной среде печи. Кроме того, восстанавливаемость SiO2 является важной характеристикой, определяющей возможность успешного восстановления кремнезема до металлического кремния.

Классификация и использование сырья

Качество кремнеземного сырья различается, как и его использование. Высококачественный кварцевый песок-благодаря своей чистоте и качеству обычно используется непосредственно в производстве изделий из кварцевого стекла высокого-сорта и даже может быть переработан в кристаллы ювелирного-качества, турмалины и т. д., тогда как кремнезем немного более низкого качества, но с большими запасами, лучшими условиями добычи и более низкой стоимостью электроэнергии в окрестностях больше подходит для производства металлического кремния.

Углеродистые восстановители

Виды восстановителя

Углеродистые восстановители, обычно используемые в процессе плавки металлического кремния, включают древесный уголь, нефтяной кокс и уголь. Эти восстановители реагируют с кремнеземом при высоких температурах, восстанавливая кремний из кремнезема.

Требования к производительности

Не все углеродистые материалы пригодны для использования в качестве восстановителей, а при производстве предъявляются строгие требования к эксплуатационным характеристикам. Вообще говоря, восстановитель должен характеризоваться высоким содержанием фиксированного углерода, низкой зольностью, умеренным содержанием летучих веществ, низкой влажностью, высоким удельным сопротивлением, высокой реакционной способностью и определенной механической прочностью. Только выполняя эти требования, мы можем обеспечить эффективное восстановление кремнезема в процессе плавки и в то же время снизить введение примесей, чтобы снизить нагрузку на последующий процесс обеззараживания.

Принцип и метод плавки

При выплавке металлического кремния в основном используется метод электрической печи, т.е. карботермический метод. Основной принцип заключается в том, что в электродуговой печи кремнезем (SiO2) вступает в химическую реакцию с углеродистым восстановителем. В условиях высоких температур SiO2 реагирует с углеродом (C) с образованием кремния (Si) и монооксида углерода (CO) по химическому уравнению: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Этот процесс требует точного контроля температуры и условий реакции, чтобы обеспечить эффективное восстановление кремния.

Ключевые производственные процессы

Дозирование и смешивание

Дозирование и смешивание являются основными этапами плавки. Они должны быть точно подобраны к химическому составу и размеру частиц кремнезема и углеродистого восстановителя, чтобы обеспечить однородность и стабильность шихты с точки зрения состава и физических свойств. Только равномерная загрузка может обеспечить стабильную и эффективную реакцию в электропечи.

Загрузка и загрузка печи

Процесс загрузки строго последовательный и шихта загружается в печь определенным образом. При постепенном опускании электродов включают подачу питания и постепенно увеличивают силу тока в соответствии с процессом реакции. На этом этапе оператору необходимо уделять пристальное внимание всем параметрам, чтобы обеспечить плавность процесса подачи и отсутствие влияния отклонений тока на реакцию.

Тушение и рафинирование

Тушение и очистка являются ключом ко всему процессу плавки. За счет точной регулировки напряжения, тока и других параметров электропечи температура внутри печи поддерживается в подходящем диапазоне, обеспечивающем полное восстановление SiO2 до металлического кремния. В то же время в ходе процесса можно эффективно удалить некоторые примеси, что улучшает исходное качество металлического кремния.

Отделение примесей

Металлический кремний, полученный в результате плавки, содержит определенные примеси, которые необходимо дополнительно рафинировать и очищать. Распространенным методом является обработка летучих соединений кремния путем перегонки для отделения примесей, что значительно повышает чистоту кремния для удовлетворения потребностей различных применений.

Процесс формования

Очищенный кремний после отделения примесей отливается в твердые формы, такие как слитки, блоки или таблетки. После этого его измельчают, измельчают и обрабатывают в соответствии с требованиями различных отраслей промышленности для производства изделий из металлического кремния, соответствующих спецификациям.

Упаковка и распространение

После формования и обработки готовые изделия из металлического кремния будут упакованы в соответствии с характеристиками продукта и требованиями заказчика. После упаковки эта продукция будет распределяться по различным отраслям промышленности, таким как электроника, металлургия, химическая промышленность и т. д., и использоваться в различных производственных процессах.

Потребление энергии

Высокое энергопотребление

Производство металлического кремния, как правило, является высокоэнергетической-отраслью со средним потреблением электроэнергии 13 000 кВтч на тонну кремния. В электродуговых печах необходима температура реакции до 1800 градусов, чтобы обеспечить плавное восстановление кремнезема и углерода. Это делает производство металлического кремния очень зависимым от ресурсов электроэнергии, и производство обычно осуществляется в районах с достаточными ресурсами электроэнергии.

Меры по энергосбережению-

Для снижения энергопотребления были приняты различные меры. Он выбирает высококачественные-источники кремнезема и углеродистые восстановители с высокой активностью и низкой зольностью для повышения эффективности реакции со стороны сырья; использует современные термоэлектрические печи для оптимизации производительности оборудования; и еще больше снижает потребление энергии за счет оптимизации технологического процесса для уменьшения таких проблем, как перегрев и неравномерность тканей, чтобы достичь энергосбережения и снижения энергопотребления.

Качество сырья

Контроль примесей кремнезема

Содержание примесей в кремнеземном сырье оказывает существенное влияние на производство. При производстве высококачественного технического-кремнезема Fe2O3 — менее 15 %, Al2O3 — менее 20 %, CaO — менее 15 %; при производстве промышленного кремнезема сверхвысокого-качества стандарты контроля этих оксидов становятся более строгими. Высокое содержание примесей приведет к липкости материала поверхности горловины печи, плохой проницаемости, увеличению теплопотерь и энергопотребления.

Физические свойства кремнезема

Термическая стабильность и взрывостойкость кремнезема одинаково важны. Если термическая стабильность кремнезема низкая, он легко разрушается после нагрева, отслаивание поверхности серьезно влияет на проницаемость печи, в результате чего верхняя часть шихты склеивается, тепло не может эффективно передаваться, и, в конечном итоге, энергопотребление значительно увеличивается. Кроме того, размер частиц диоксида кремния должен строго контролироваться на уровне 50 - 120 мм. Слишком маленький или слишком большой размер частиц окажет негативное влияние на производство.

Благодаря постоянному развитию промышленных технологий технология рафинирования металлического кремния также будет развиваться в направлении энергосбережения, высокой эффективности и высокой чистоты. В будущем отрасль столкнется с такими проблемами, как снижение энергопотребления и повышение чистоты продукции, а также есть такие возможности, как технологические инновации и открытие новых областей применения. Благодаря непрерывным технологическим исследованиям и разработкам, а также оптимизации процессов, металлургическая промышленность кремния, несомненно, обеспечит более надежную поддержку современному промышленному развитию.