Pregled procesa silikonskog metala
Metalni silicijum se proizvodi karbotermalnom redukcijom: kvarc se topi sa ugljičnim reduktorom u peći s potopljenim lukom, koja se također opisuje kao peć na mineralnu toplinu. Redukcija se odvija na visokoj temperaturi u naboju koji okružuje vrhove elektroda, a tečni silicijum se skuplja na dnu peći pre nego što se ispusti.
Prvi-materijal za topljenje je silicijum metalurškog kvaliteta sa čistoćom od oko 97% do 98%, koji je pogodan za legiranje aluminijuma i za mnoge livničke i metalurške upotrebe. Da bi se postigao hemijski stepen, metal se rafinira kako bi se uklonio aluminijum, kalcijum i gvožđe, dajući silicijum čistoće od 99,7% do 99,8% za silikone, poluprovodničke sirovine i druge hemijske puteve. Oznake razreda u širokoj upotrebi temelje se na garantiranom minimalnom sadržaju silicija, na primjer Si99, Si99.5 i Si99.7 prema GB/T 2881.
Sirovine i reduktori
Punjenje peći ima tri uloge koje treba ispuniti: izvor silicija, izvor ugljika i strukturu koja omogućava da plin izlazi dok se punjenje spušta. Ta kombinacija je ono što pripremu punjenja čini najosjetljivijim dijelom procesa.
Izvor silicija: kvarc ili kvarcit sa visokim sadržajem silicijum dioksida i niskim sadržajem gvožđa, aluminijuma i kalcijuma
Reduktor: petrolejski koks za malo pepela i visoko fiksiran ugljik, drveni ugalj za reaktivnost i malo pepela i ugalj kao jeftiniju-komponentu mješavine
Struktura i propusnost: drvena sječka ili drugi glomazni ugljični materijal koji održava naboj poroznim i električno provodljivim
Razvrstavanje veličine: kvarc se drobi i prosijava do kontrolisanog opsega, a reduktori su dimenzionisani tako da se ne odvajaju ili premošćuju u peći
Premošćivanje, segregacija i prekomjerne kazne su klasične greške u naplati. Premošćavanje zaustavlja spuštanje naboja i tjera toplinu prema gore, dok segregacija remeti električni put između elektrode i kupke. Oba se upravljaju prosijavanjem i zadržavanjem omjera grubog i finog materijala unutar uskog pojasa.
Potopljena lučna peć i reakcije topljenja
Kružna ili pravougaona peć sa tri samopečene ili prethodno pečene karbonske elektrode nosi opterećenje. Vrhovi elektroda su ukopani u naboj, luk i otporno zagrijavanje punjenja dovode energiju, a rastopljeni silicijum se akumulira ispod reakcione zone.
Ukupno smanjenje se može zapisati kao:
SiO2+ 2C → Si + 2CO
U stvarnosti, konverzija se dešava kroz međukorake, budući da i silicijum monoksid i silicijum karbid učestvuju:
SiO2+ C → SiO (gas) + CO
SiO + C → Si + CO
SiO2+ 3C → SiC + 2CO
SiC + SiO → 2Si + CO
Reakcione temperature u najtoplijoj zoni su obično oko 1800 do 2000 stepeni. Silicijum monoksid koji nastaje u unutrašnjosti može izaći sa otpadnim-gasom i ponovo-oksidirati u fini silicijum dioksid, koji se hvata u postrojenju za čišćenje gasa kao nusproizvod koji se može prodati-. Ugljični monoksid napušta peć kroz punjenje i sagorijeva se iznad površine punjenja.
Prioriteti kontrole procesa
Položaj elektrode i ulazna snaga: glavna poluga za temperaturu kupke i za dubinu reakcione zone
Ravnoteža ugljika: premalo ugljika ostavlja silicijum nesmanjenim, previše stvara silicijum karbid u ložištu i na kraju ga blokira
Mešavina punjenja i propusnost: kontroliše izlaz gasa, distribuciju toplote i rizik od premošćavanja
Raspored tapkanja: redovno tapkanje održava nivo ložišta stabilnim i ograničava ponovni{0}}ulazak silicijuma u zonu reakcije
Energetski intenzitet: topljenje silicijuma zahtijeva električnu energiju, a potrošnja po toni metala je ključni indikator troškova i emisija za postrojenje
Prinos i povrat: silicij koji se gubi kao finoće u struji plina i kao nereducirani materijal u šljaci mora se svesti na minimum
Rafiniranje od metalurške do hemijske klase
Silicijum iz peći koji je isceđen sa čistoćom od 97% do 98% sadrži aluminijum, kalcijum i gvožđe, uglavnom pokupljene iz kvarca i redukcionog pepela. Rafiniranje se odvija u kutlači, a ne u peći.
Oksidirajući tretman: kisik ili zrak se ubrizgavaju u tečni metal, oksidirajući prvenstveno aluminij i kalcij
Tretman šljake: sintetička ili reaktivna šljaka apsorbira oksidne proizvode i uklanja se
Ponovljeno rafiniranje: nekoliko tretmana lopaticom u nizu svodi preostali aluminijum i kalcij na nivoe hemijskog kvaliteta
Usmjereno skrućivanje i lijevanje: sporije skrućivanje potiče segregaciju željeza i drugih nečistoća, tako da se najčistiji materijal može odvojiti
Drobljenje i prosijavanje: ohlađeni metal se lomi i sortira, a jako kontaminirane frakcije se uklanjaju
Nakon rafiniranja, čistoća silikona dostiže 99,7% do 99,8%, što je ulazna tačka za proizvodnju silikona i za daljnju nadogradnju prema elektronskim razredima.
Lijevanje, dimenzioniranje i oblici proizvoda
Urezani metal se lijeva u kalupe ili na podlogu za livenje, hladi, a zatim drobi. Budući da je silicijum krt, metal se raspada u čiste grudice, a ne na duktilne komadiće, a postrojenje prosijava proizvod u frakcije određene veličine.
Veličine gruda za metaluršku i aluminijsku industriju
Fine i praškaste frakcije nastale tokom drobljenja i prosijavanja
Pakovano u vreće, bubnjeve ili vreće za rasuti teret sa zaštitom od vlage, jer fini silicijum u prahu može sporo oksidirati u vlažnom skladištu
Ocjene i područja primjene
| Proizvod | Sadržaj silicija | Praksa nečistoća | Glavna upotreba |
|---|---|---|---|
| Metalurški kvalitet, rezan | oko 97–98% | najveća količina gvožđa, aluminijuma i kalcijuma | legiranje aluminijuma, opšta metalurgija |
| Si99 | 99,0% min | umjerene granice željeza i aluminija | legure, deoksidacija, opšta hemijska upotreba |
| Si99.5 | 99,5% min | strože granice, kontrolisan kalcijum | silikonska sirovina, legure višeg kvaliteta |
| Si99.7 | 99,7% min | malo gvožđa, aluminijuma i kalcijuma nakon rafiniranja | silikoni, hemijski intermedijeri, sirovine za elektroniku |
Materijal odabran za određenu primjenu mora odgovarati granicama nečistoća te upotrebe, a ne samo sadržaju silicija: aluminij i kalcij su elementi koji najčešće odlučuju da li je puno prihvatljivo za kemijsku konverziju.
Često postavljana pitanja
P: Koju čistoću direktno proizvodi potopljena lučna peć?
Peć isporučuje silicijum metalurškog kvaliteta sa otprilike 97% do 98% čistoće. Hemijski kvalitet, od 99,7% do 99,8%, postiže se tek nakon rafiniranja u loncu za uklanjanje aluminijuma, kalcijuma i gvožđa.
P: Zašto se petrolejski koks često miješa s drvenim ugljem kao reduktorom?
Naftni koks nudi visoku količinu fiksiranog ugljika i malo pepela, dok je drveni ugljen reaktivniji i pomaže u održavanju propusnosti punjenja. Kombinacija ova dva balansira reaktivnost, trošak i opterećenje nečistoća koje ulaze u peć.
P: Zašto je stvaranje silicijum karbida problem u peći?
Silicijum karbid je normalan intermedijer, ali ako je ravnoteža ugljika previsoka, akumulira se u ognjištu. Nagomilavanje-smanjuje radni volumen, remeti distribuciju struje i na kraju zahtijeva čišćenje peći.
P: Šta se dešava sa otpadnim-gasom?
Ugljenmonoksid napušta naboj i sagoreva na površini, a fini silicijum dioksid koji se nosi sa gasom sakuplja se u sistemu za čišćenje gasa. Taj mikrosilicijum je nusproizvod koji se može prodati-koji se koristi u vatrostalnim i betonskim aplikacijama.
P: Zašto kvarc treba tako pažljivo dimenzionirati?
Vrlo fini kvarc blokira izlaz plina, a vrlo grubi kvarc napušta reakcijsku zonu prije nego što se reducira. Kontrolirani raspon veličina održava naboj propusnim i pušta plin da prođe dok se naboj stalno spušta oko elektroda.
P: Koliko je energetski intenzivna proizvodnja silicijum metala?
To je jedan od -najintenzivnijih procesa topljenja, jer redukcija zahtijeva stalne temperature blizu 2000 stepeni Celzijusa. Potrošnja električne energije po toni je odlučujući faktor troškova, a postrojenja se obično nalaze tamo gdje je energija stabilna i po konkurentnim cijenama.
