Hvordan raffineres siliciummetal

Som et uundværligt grundmateriale i det enorme system af moderne industri er siliciummetal meget udbredt inden for mange nøgleområder som metallurgi, halvledere og silikoner. Fra at hjælpe med at forbedre ydeevnen af ​​stål til at blive et kerneråmateriale til spånfremstilling, kvaliteten og udbyttet af siliciummetal påvirker direkte udviklingen af ​​mange downstream-industrier. I denne artikel vil vi analysere raffineringsprocessen af ​​siliciummetal (industriel silicium) og optrevle mysterierne i produktionen fra råmateriale til færdigt produkt.

Definition

Siliciummetal, også kendt som industriel silicium eller krystallinsk silicium, er en form for siliciummonomerer med vigtig industriel værdi inden for det kemiske område. På grund af dens brede vifte af anvendelser i industriel produktion, er disse forskellige betegnelser meget brugt i industrien.

Klassifikationssystem

Siliciummetal klassificeres hovedsageligt på basis af indholdet af tre hovedurenheder: jern, aluminium og calcium. Denne klassificering afspejles af specifikke tal, for eksempel repræsenterer "553"-kvaliteten af ​​siliciummetal 5% jern, 5% aluminium og 3% calcium, mens "3303" betyder 3% jern, 3% aluminium og 0,3% calcium. Det har branchen kunnet opnå gennem klare nummereringsregler. Gennem denne klare nummereringsregel kan industrien hurtigt bestemme urenhedssituationen og kvalitetsniveauet for siliciummetal.

Procentdel af downstream-applikationer

Siliciummetal har en bred vifte af downstream-applikationer, og andelen varierer inden for forskellige områder. Blandt dem bruges 30,28% til produktion af polysilicium, som tjener halvleder- og solenergiindustrien; 26,82 % raffineres til metallurgisk-silicium, som bruges til fremstilling af aluminiumslegeringer; og 38,03 % raffineres yderligere gennem den hydrometallurgiske proces til kemisk-silicium, som bruges til fremstilling af silikonegummi og silan. Forskellige anvendelser kræver forskellig renhed og urenhedsindhold af siliciummetal, hvilket bestemmer forskellene i raffineringsprocessen.

Silica, det centrale råmateriale

Sammensætningskrav

Silica, som kerneråmaterialet til siliciummetalproduktion, er underlagt strenge sammensætningsstandarder. Industriel produktion kræver, at SiO2-indholdet i silica skal være større end eller lig med 99 %, mens Fe2O3 Mindre end eller lig med 0,15 %, Al2O3 < 0,2 %, CaO < 0,1 %, og de samlede urenheder helst skal være < 0,6 %. For højt indhold af urenheder vil direkte påvirke smelteprocessen, øge energiforbruget og endda reducere kvaliteten af ​​siliciummetal.

Fysiske egenskaber

Ud over dets kemiske sammensætning er silicaens fysiske egenskaber lige så kritiske. Det skal være meget modstandsdygtigt over for varme og bør minimere revner, når det udsættes for termiske faseændringer, når det tilføjes til ovnen. Jo højere starttemperatur for intens forstyrrelse, jo bedre for at sikre stabilitet i ovnens højtemperaturmiljø. Derudover er reducerbarheden af ​​SiO2 en vigtig egenskab, der bestemmer, om silica med succes kan reduceres til siliciummetal.

Råvareklassificering og anvendelse

Kvaliteten af ​​silicaråmaterialer varierer, og det samme gør deres anvendelser. Kvartssand af høj-kvalitet bliver på grund af dets renhed og kvalitet sædvanligvis brugt direkte i produktionen af ​​høj-kvalitets kvartsglasprodukter og kan endda forarbejdes til ædelstenskrystaller og turmaliner osv., hvorimod silica med lidt lavere kvaliteter, men med større reserver, bedre minedriftsforhold og lavere omkostninger ved silicium er mere velegnet til produktion af silicium.

Kulholdige reduktionsmidler

Typer af reduktionsmiddel

Kulholdige reduktionsmidler, der almindeligvis anvendes i smeltningsprocessen af ​​siliciummetal, omfatter trækul, petroleumskoks og kul. Disse reduktionsmidler reagerer med silica ved høje temperaturer for at reducere silicium fra silica.

Ydeevnekrav

Ikke alle kulholdige materialer er egnede til brug som reduktionsmidler, og produktionen har strenge krav til ydeevne. Generelt skal reduktionsmidlet være karakteriseret ved højt fikseret kulstof, lav aske, moderat flygtigt materiale, lav fugtighed, høj resistivitet, høj reaktivitet og en vis mekanisk styrke. Kun ved at opfylde disse krav kan vi sikre en effektiv reduktion af silica i smelteprocessen og samtidig reducere tilførslen af ​​urenheder for at reducere byrden af ​​den efterfølgende dekontamineringsproces.

Smelteprincip og metode

Smeltning af siliciummetal anvender hovedsageligt den elektriske ovnmetode, dvs. den carbotermiske metode. Kerneprincippet er, at i en lysbueovn reagerer silica (SiO2) kemisk med et kulstofholdigt reduktionsmiddel. Under høje temperaturforhold reagerer SiO2 med carbon (C) og danner silicium (Si) og carbonmonoxid (CO), med den kemiske ligning: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Denne proces kræver præcis kontrol af temperaturen og reaktionsbetingelserne for at realisere den effektive reduktion af silicium.

Nøgle produktionsprocesser

Dosering og blanding

Dosering og blanding er de grundlæggende stadier af smeltning. De skal tilpasses nøjagtigt til den kemiske sammensætning og partikelstørrelse af silica og kulstofholdige reduktionsmiddel for at sikre ensartetheden og stabiliteten af ​​ladningen med hensyn til sammensætning og fysiske egenskaber. Kun ensartet ladning kan realisere stabil og effektiv reaktion i den elektriske ovn.

Ovnladning og opladning

Opladningsprocessen er strengt sekventiel, og ladningen indlæses i ovnen på en bestemt måde. Med den gradvise sænkning af elektroderne startes strømforsyningen, og strømmen øges gradvist i henhold til reaktionsprocessen. Dette trin kræver, at operatøren er meget opmærksom på alle parametre for at sikre, at fodringsprocessen er glat, og at reaktionen ikke påvirkes af unormale strømmen.

Kogning og raffinering

Kogning og raffinering er nøglen til hele smelteprocessen. Ved præcis justering af spændingen, strømstyrken og andre parametre for den elektriske ovn, holdes temperaturen inde i ovnen i et passende område for at sikre, at SiO2 reduceres fuldstændigt til siliciummetal. Samtidig kan nogle urenheder effektivt fjernes under processen, hvilket forbedrer den oprindelige kvalitet af siliciummetal.

Adskillelse af urenheder

Siliciummetal opnået ved smeltning indeholder visse urenheder, som skal raffineres og renses yderligere. En almindelig metode er at behandle flygtige siliciumforbindelser gennem destillation for at adskille urenhederne, og dermed forbedre renheden af ​​silicium markant for at imødekomme behovene ved forskellige applikationer.

Støbeproces

Renset silicium efter urenhedsadskillelse støbes i faste former såsom ingots, blokke eller pellets. Derefter knuses, males og behandles i henhold til anvendelseskravene fra forskellige industrier for at fremstille siliciummetalprodukter, der opfylder specifikationerne.

Pakning og distribution

Efter støbning og forarbejdning vil de færdige siliciummetalprodukter blive pakket i henhold til produktegenskaber og kundekrav. Efter emballering vil disse produkter blive distribueret til forskellige industrier såsom elektronik, metallurgi, kemikalier osv. og sat ind i forskellige produktionsprocesser.

Energiforbrug

Højt energiforbrug

Siliciummetalproduktion er typisk en høj-energiindustri med et gennemsnitligt elforbrug på 13.000 kWh pr. ton silicium. I lysbueovne kræves reaktionstemperaturer på op til 1800 grader for at sikre, at reduktionen af ​​silica og kulstof foregår jævnt. Dette gør produktionen af ​​siliciummetal meget afhængig af el-ressourcer, og produktionen foregår normalt i områder med tilstrækkelige el-ressourcer.

Energibesparende-tiltag

Der er truffet forskellige tiltag for at reducere energiforbruget. Den udvælger silicakildemalme og kulholdige reduktionsmidler af-kvalitet med høj aktivitet og lavt askeindhold for at forbedre reaktionseffektiviteten fra råvaresiden; vedtager avancerede termoelektriske ovne for at optimere udstyrets ydeevne; og reducerer energiforbruget yderligere ved at optimere procesdriften for at reducere problemer såsom varmestop og ujævne tekstiler, for at opnå energibesparelse og reduktion i energiforbrug.

Råvarekvalitet

Silica urenhedskontrol

Urenhedsindholdet i silicaråvarer har en væsentlig indflydelse på produktionen. Ved fremstilling af industrisilica af høj-kvalitet er Fe2O3 mindre end 15 %, Al2O3 er mindre end 20 %, CaO er mindre end 15 %; hvis man producerer industrisilica af super-kvalitet, er kontrolstandarden for disse oxider mere streng. Det høje indhold af urenheder vil føre til klæbrig materialeoverflade af ovnmundingen, dårlig permeabilitet, øget varmetab og strømforbrug.

Fysiske egenskaber af silica

Den termiske stabilitet og eksplosionsbestandigheden af ​​silica er lige så vigtige. Hvis den termiske stabilitet af silica er dårlig, let at bryde efter opvarmning, overfladeafskalning, vil alvorligt påvirke ovnens permeabilitet, hvilket resulterer i, at den øvre del af ovnladningen binder, varme kan ikke overføres effektivt, og i sidste ende øges strømforbruget betydeligt. Derudover bør silicapartikelstørrelsen være strengt kontrolleret til 50 - 120mm, for lille eller for stor en partikelstørrelse vil have en negativ indvirkning på produktionen.

Med den fortsatte udvikling af industriel teknologi vil siliciummetalraffineringsteknologi også udvikle sig i retning af energibesparelse, høj effektivitet og høj renhed. Industrien vil i fremtiden stå over for udfordringer som at reducere energiforbruget og forbedre produkternes renhed, og der er også muligheder som teknologisk innovation og åbning af nye anvendelsesområder. Gennem kontinuerlig teknologisk forskning og udvikling og procesoptimering vil siliciummetalindustrien med sikkerhed yde mere solid støtte til moderne industriel udvikling.