Hvordan fremstilles silicium af industriel kvalitet

Silicium, det næstmest udbredte grundstof i jordskorpen, er meget udbredt i metallurgi, aluminiumlegeringer, kemikalier, batterier, solenergi og elektronik. I denne enorme industrielle kæde spiller Metallurgical Grade Silicon (MG-Si) rollen som grundlæggende råmateriale og er udgangspunktet for alle høj-rene siliciummaterialer (såsom polysilicium og elektronisk silicium).
 

Så hvordan udvindes metallurgisk silicium fra naturlig kvartsmalm? I denne artikel tager vi dig med på et dybt dyk ned i den komplette produktionsproces af industriel silicium.

Silicium af metallurgisk kvalitet er et ikke--jernholdig legeringsråmateriale rigt på silicium med et siliciumindhold på mellem 95 % og 99,5 %. Det er normalt i form af grå metalliske klumper, men kan også forarbejdes til granulerede eller pulveriserede produkter efter anmodning.

På trods af navnet "siliciummetal" er silicium af metallurgisk-kvalitet ikke et rent metal, men en blanding af jern (Fe), aluminium (Al), calcium (Ca) og andre urenheder. Indholdet af disse urenheder bestemmer dets anvendelsesområde og markedsværdi.

De vigtigste anvendelser af silicium af metallurgisk kvalitet omfatter: ståldeoxidation, forstærkning af aluminiumslegeringer, ferrosiliciumlegeringsråmaterialer, kemiske råmaterialer, batteriadditiver, ildfaste materialer og primære fotovoltaiske og halvledermaterialer.

Det primære råmateriale til silicium af metallurgisk kvalitet er kvarts (SiO₂) eller kvartsit. Disse mineraler indeholder høj-ren siliciumdioxid, som er den vigtigste form for silicium, der findes i naturen.

Reduktionsprocessen for siliciumdioxid har en høj energitærskel på grund af dens meget stabile Si-O-bindinger. For at realisere reduktionsreaktionen skal kvarts blandes grundigt med kulstof-holdige stoffer (f.eks. koks, kul, træflis, trækul osv.) for at danne en reaktionsblanding. Disse kulstofkilder er i stand til at reagere med oxygen ved høje temperaturer for at frigive rent silicium.

Kernefremstillingsprocessen for industriel silicium er reaktionen Carbothermal Reduction (CR) i en neddykket lysbueovn.

Reaktionsmiljø med høj-temperatur

Temperaturen inde i ovnen holdes typisk på 1500 til 2000 grader. Ovnen er afhængig af elektroder til at lede en stærk elektrisk strøm ind i ladningen, hvilket skaber en høj-temperaturbuezone. Denne temperatur er tilstrækkelig til at drive følgende hovedreaktion: SiO₂ (fast) + 2C (fast) → Si (flydende) + 2CO (gas).

I ladningen finder reduktionsreaktionen mellem silica og kul sted, hvorved der dannes flydende silicium og kuliltegas.

Reaktionsmekanisme i flere-trin

Ovnen er ikke et homogent reaktionsmiljø: Høje temperaturer i det centrale område fører til hurtige reaktioner og dannelse af store mængder flydende silicium.

Lavere temperaturer i de perifere områder kan føre til dannelsen af ​​mellemgassen SiO (Silicon Oxide).

Disse gasser kan enten reageres yderligere inde i ovnen for at danne silicium eller undslippe fra ovnen for at danne biproduktet Silica Fume.

Opretholdelse af ladningens porøsitet

For at sikre en jævn strøm af gasser skal reaktantlaget være godt ventileret. Hvis ladningslaget er for tæt, vil reduktionseffektiviteten blive reduceret, og energiforbruget vil stige.

Efter at det flydende silicium er konvergeret i bunden af ​​ovnen, tappes det gennem ovnåbningen og ledes ned i øsen eller diglen. På dette tidspunkt er silicium normalt i en flydende-høj temperatur med urenheder.

I den efterfølgende forarbejdning udfører producenten forraffinering for at kontrollere indholdet af aluminium, calcium og andre urenheder og for at sikre, at produktet opfylder de forud fastsatte kemiske specifikationer.

Efter den indledende raffinering hældes det flydende silicium i forme og afkøles til dannelse af barrer.

Efter afkøling er færdig, vil barrerne blive knust af mekanisk knusningsudstyr, sigtet i henhold til forskellige partikelstørrelser (f.eks. . 10-100mm), pakket og klargjort til forsendelse.

Kvaliteten af ​​silicium af metallurgisk kvalitet måles ved følgende aspekter: Si-indhold (normalt 95% til 99,5%); indhold af urenheder såsom Fe, Al og Ca; partikelstørrelsesspecifikationer og partikelform; og batch-til-kompositionsstabilitet.

Producenter udfører normalt spektralanalyse og fysisk testning af hvert parti silicium og udsteder en kvalitetsrapport (COA) for at sikre, at kunderne kan bruge produktet uden bekymring.

Jern- og stålindustrien

Tilføjet til stål som et deoxidationsmiddel for effektivt at fjerne ilt og forbedre stålets styrke og sejhed.

Fremstilling af aluminiumslegeringer

Bruges til at forbedre styrken, korrosionsbestandigheden og støbeydelsen af ​​aluminiumslegering.

Kemisk industri

Anvendes som et vigtigt råmateriale til fremstilling af silan, silikat, silikoneolie, silikoneharpiks og andre kemiske produkter.

Batterimaterialer

Bruges som et additiv til lithium-ion-batterianoder for at forbedre batterikapaciteten og levetiden.

Fotovoltaisk og halvlederindustri

Selvom metallurgisk-silicium ikke er rent nok til at blive brugt direkte i high-elektronik, kan det bruges som en rensningsprækursor til fremstilling af polysilicium eller kemisk-silicium.

Ildfaste materialer

Udbredt i ildfaste mursten og kompositter til høje-temperaturovne, keramik og glas.

Fra naturlig kvartsmalm til siliciumbarrer med høj-renhed integrerer produktionsprocessen af ​​metallurgisk-silicium multidisciplinære teknologier såsom fysisk-kemiske høje-temperaturer, materialevidenskab og proceskontrol. Som "kildeprocessen" i siliciummaterialeindustriens kæde påvirker dens kvalitet og stabilitet direkte ydeevnen og omkostningerne ved downstream-applikationer.

Efterhånden som den globale efterspørgsel efter grøn energi, energilagring, elektriske køretøjer og smarte elektroniske produkter fortsætter med at vokse, bliver betydningen af ​​silicium af metallurgisk-kvalitet mere og mere fremtrædende, hvilket også giver nye muligheder for industriel opgradering og udvikling af miljøbeskyttelsesteknologi.