Hoe wordt siliciummetaal verfijnd

Als onmisbaar basismateriaal in het enorme systeem van de moderne industrie wordt siliciummetaal op grote schaal gebruikt op veel belangrijke gebieden, zoals de metallurgie, halfgeleiders en siliconen. Van het helpen verbeteren van de prestaties van staal tot het worden van een kerngrondstof voor de productie van chips, de kwaliteit en de opbrengst van siliciummetaal hebben rechtstreeks invloed op de ontwikkeling van veel downstream-industrieën. In dit artikel analyseren we het raffinageproces van siliciummetaal (industrieel silicium) en ontrafelen we de mysteries van de productie, van grondstof tot eindproduct.

Definitie

Siliciummetaal, ook bekend als industrieel silicium of kristallijn silicium, is een vorm van siliciummonomeren met belangrijke industriële waarde op chemisch gebied. Vanwege het brede scala aan toepassingen in de industriële productie worden deze verschillende benamingen veel gebruikt in de industrie.

Classificatiesysteem

Siliciummetaal wordt voornamelijk geclassificeerd op basis van het gehalte aan drie belangrijke onzuiverheden: ijzer, aluminium en calcium. Deze classificatie wordt weerspiegeld door specifieke cijfers. De kwaliteit "553" van siliciummetaal vertegenwoordigt bijvoorbeeld 5% ijzer, 5% aluminium en 3% calcium, terwijl "3303" 3% ijzer, 3% aluminium en 0,3% calcium betekent. De industrie heeft dit kunnen bereiken door middel van duidelijke nummeringsregels. Door deze duidelijke nummeringsregel kan de industrie snel de onzuiverheidssituatie en het kwaliteitsniveau van siliciummetaal bepalen.

Percentage downstream-applicaties

Siliciummetaal heeft een breed scala aan downstream-toepassingen, en het aandeel varieert op verschillende gebieden. Daarvan wordt 30,28% gebruikt voor de productie van polysilicium, dat bestemd is voor de halfgeleider- en zonne-energie-industrie; 26,82% wordt geraffineerd tot metallurgisch-silicium, dat wordt gebruikt voor de vervaardiging van aluminiumlegeringen; en 38,03% wordt via het hydrometallurgische proces verder verfijnd tot silicium van chemische-kwaliteit, dat wordt gebruikt voor de productie van siliconenrubber en silaan. Verschillende toepassingen vereisen verschillende zuiverheids- en onzuiverheidsgehalten van siliciummetaal, wat de verschillen in het raffinageproces bepaalt.

Silica, de belangrijkste grondstof

Compositorische vereisten

Silica, als de belangrijkste grondstof voor de productie van siliciummetaal, is onderworpen aan strikte samenstellingsnormen. Industriële productie vereist dat het SiO2-gehalte van silica groter dan of gelijk aan 99% moet zijn, terwijl Fe2O3 kleiner dan of gelijk aan 0,15%, Al2O3 < 0,2%, CaO < 0,1% moet zijn, en de totale onzuiverheden bij voorkeur < 0,6% moeten zijn. Een overmatig gehalte aan onzuiverheden zal het smeltproces rechtstreeks beïnvloeden, het energieverbruik verhogen en zelfs de kwaliteit van siliciummetaal verminderen.

Fysieke eigenschappen

Naast de chemische samenstelling zijn de fysische eigenschappen van silica even belangrijk. Het moet zeer goed bestand zijn tegen hitte en scheuren tot een minimum beperken wanneer het wordt blootgesteld aan thermische faseveranderingen wanneer het aan de oven wordt toegevoegd. Hoe hoger de begintemperatuur voor intense verstoring, hoe beter om stabiliteit in de hoge temperatuuromgeving van de oven te garanderen. Daarnaast is de reduceerbaarheid van SiO2 een belangrijk kenmerk dat bepaalt of silica succesvol kan worden gereduceerd tot siliciummetaal.

Classificatie en gebruik van grondstoffen

De kwaliteit van de silica-grondstoffen varieert, evenals hun toepassingen. Kwartszand van hoge- kwaliteit wordt, vanwege zijn zuiverheid en kwaliteit, gewoonlijk direct gebruikt bij de productie van hoogwaardige kwartsglasproducten, en kan zelfs worden verwerkt tot kristallen en toermalijnen van edelsteen-kwaliteit, enz., terwijl silica met iets lagere kwaliteiten, maar met grotere reserves, betere mijnbouwomstandigheden en lagere elektriciteitskosten in de omgeving, geschikter is voor de productie van siliciummetaal.

Koolstofhoudende reductiemiddelen

Soorten reductiemiddel

Koolstofhoudende reductiemiddelen die gewoonlijk worden gebruikt bij het smeltproces van siliciummetaal zijn onder meer houtskool, petroleumcokes en steenkool. Deze reductiemiddelen reageren bij hoge temperaturen met silica om silicium uit silica te reduceren.

Prestatie-eisen

Niet alle koolstofhoudende materialen zijn geschikt voor gebruik als reductiemiddelen en de productie stelt strenge prestatie-eisen. Over het algemeen moet het reductiemiddel worden gekenmerkt door een hoog koolstofgehalte, een laag asgehalte, matige vluchtige stoffen, weinig vocht, hoge soortelijke weerstand, hoge reactiviteit en een bepaalde mechanische sterkte. Alleen door aan deze eisen te voldoen kunnen we de effectieve vermindering van silica in het smeltproces garanderen en tegelijkertijd de introductie van onzuiverheden verminderen, om zo de last van het daaropvolgende decontaminatieproces te verminderen.

Smelprincipe en -methode

Bij het smelten van siliciummetaal wordt voornamelijk gebruik gemaakt van de elektrische ovenmethode, dat wil zeggen de carbothermische methode. Het kernprincipe is dat silica (SiO2) in een vlamboogoven chemisch reageert met een koolstofhoudend reductiemiddel. Onder hoge temperaturen reageert SiO2 met koolstof (C) om silicium (Si) en koolmonoxide (CO) te vormen, met de chemische vergelijking: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Dit proces vereist nauwkeurige controle van de temperatuur en reactieomstandigheden om de efficiënte reductie van silicium te realiseren.

Belangrijke productieprocessen

Doseren en mengen

Doseren en mengen zijn de basisfasen van het smelten. Ze moeten nauwkeurig worden afgestemd op de chemische samenstelling en deeltjesgrootte van het silica en het koolstofhoudende reductiemiddel om de uniformiteit en stabiliteit van de lading in termen van samenstelling en fysische eigenschappen te garanderen. Alleen een uniforme lading kan een stabiele en efficiënte reactie in de elektrische oven realiseren.

Oven opladen en opladen

Het laadproces is strikt opeenvolgend en de lading wordt op een specifieke manier in de oven geladen. Met het geleidelijk laten zakken van de elektroden wordt de stroomtoevoer gestart en wordt de stroom geleidelijk verhoogd volgens het reactieproces. Deze fase vereist dat de operator nauwlettend op alle parameters let om ervoor te zorgen dat het voedingsproces soepel verloopt en dat de reactie niet wordt beïnvloed door afwijkingen in de stroming.

Stoven en verfijnen

Stoven en raffineren is de sleutel tot het hele smeltproces. Door de spanning, stroom en andere parameters van de elektrische oven nauwkeurig aan te passen, wordt de temperatuur in de oven binnen een geschikt bereik gehouden om ervoor te zorgen dat SiO2 volledig wordt gereduceerd tot siliciummetaal. Tegelijkertijd kunnen sommige onzuiverheden tijdens het proces effectief worden verwijderd, wat de initiële kwaliteit van siliciummetaal verbetert.

Scheiding van onzuiverheden

Het siliciummetaal dat door het smelten wordt verkregen, bevat bepaalde onzuiverheden, die verder moeten worden verfijnd en gezuiverd. Een gebruikelijke methode is het behandelen van vluchtige siliciumverbindingen door middel van destillatie om de onzuiverheden af ​​te scheiden, waardoor de zuiverheid van silicium aanzienlijk wordt verbeterd om aan de behoeften van verschillende toepassingen te voldoen.

Vormproces

Gezuiverd silicium wordt na scheiding van onzuiverheden in vaste vormen gegoten, zoals blokken, blokken of pellets. Daarna wordt het gemalen, gemalen en verwerkt volgens de toepassingsvereisten van verschillende industrieën om siliciummetaalproducten te maken die aan de specificaties voldoen.

Verpakking en distributie

Na het vormen en verwerken worden de afgewerkte siliciummetaalproducten verpakt volgens productkenmerken en klantvereisten. Na verpakking worden deze producten gedistribueerd naar verschillende industrieën, zoals elektronica, metallurgie, chemicaliën, enz., en in verschillende productieprocessen geplaatst.

Energieverbruik

Hoog energieverbruik

De productie van siliciummetaal is doorgaans een industrie met veel-energie, met een gemiddeld elektriciteitsverbruik van 13.000 kWh per ton silicium. In vlamboogovens zijn reactietemperaturen tot 1800 graden vereist om ervoor te zorgen dat de reductie van silica en koolstof soepel verloopt. Dit maakt de productie van siliciummetaal zeer afhankelijk van elektriciteitsbronnen, en de productie wordt meestal uitgevoerd in gebieden met voldoende elektriciteitsbronnen.

Energie-besparende maatregelen

Er zijn diverse maatregelen genomen om het energieverbruik terug te dringen. Het selecteert hoogwaardige silica-bronertsen en koolstofhoudende reductiemiddelen met hoge activiteit en een laag asgehalte om de reactie-efficiëntie van de grondstofzijde te verbeteren; maakt gebruik van geavanceerde thermo-elektrische ovens om de prestaties van de apparatuur te optimaliseren; en verlaagt het energieverbruik verder door de procesverrichting te optimaliseren om problemen zoals hot stops en ongelijkmatige stoffen te verminderen, om zo energiebesparing en vermindering van het energieverbruik te bereiken.

Kwaliteit van grondstoffen

Controle van de onzuiverheid van silica

Het onzuiverheidsgehalte van silica-grondstoffen heeft een aanzienlijke impact op de productie. Bij de productie van industrieel silica van hoge kwaliteit- is Fe2O3 minder dan 15%, Al2O3 minder dan 20% en CaO minder dan 15%; bij de productie van industriële silica van zeer hoge-kwaliteit zijn de controlenormen voor deze oxiden strenger. Het hoge gehalte aan onzuiverheden zal leiden tot een kleverig materiaaloppervlak van de ovenmond, een slechte permeabiliteit, een toenemend warmteverlies en een toenemend energieverbruik.

Fysische eigenschappen van silica

De thermische stabiliteit en explosiebestendigheid van silica zijn even belangrijk. Als de thermische stabiliteit van silica slecht is, gemakkelijk te scheuren na verwarming, zal het afbladderen van het oppervlak de permeabiliteit van de oven ernstig beïnvloeden, wat resulteert in het hechten van de lading in het bovenste deel van de oven, kan de warmte niet effectief worden overgedragen en uiteindelijk neemt het energieverbruik aanzienlijk toe. Bovendien moet de deeltjesgrootte van silica strikt worden gecontroleerd op 50 - 120 mm; een te kleine of te grote deeltjesgrootte zal een negatieve invloed hebben op de productie.

Met de voortdurende vooruitgang van de industriële technologie zal de raffinagetechnologie van siliciummetaal zich ook ontwikkelen in de richting van energiebesparing, hoge efficiëntie en hoge zuiverheid. In de toekomst zal de industrie te maken krijgen met uitdagingen zoals het terugdringen van het energieverbruik en het verbeteren van de productzuiverheid, maar er zijn ook kansen zoals technologische innovatie en het openen van nieuwe toepassingsgebieden. Door voortdurend technologisch onderzoek en ontwikkeling en procesoptimalisatie zal de siliciummetaalindustrie zeker meer solide ondersteuning bieden voor de moderne industriële ontwikkeling.