Ako sa vyrába priemyselný kremík

Kremík, druhý najrozšírenejší prvok v zemskej kôre, je široko používaný v metalurgii, hliníkových zliatinách, chemikáliách, batériách, solárnej energii a elektronike. V tomto obrovskom priemyselnom reťazci hrá kremík metalurgickej kvality (MG-Si) úlohu základnej suroviny a je východiskovým bodom všetkých- kremíkových materiálov vysokej čistoty (ako je polysilikón a kremík elektronickej kvality).
 

Ako sa teda získava kremík metalurgickej kvality z prírodnej kremennej rudy? V tomto článku vás vezmeme na hĺbkový ponor do celého výrobného procesu priemyselného kremíka.

Kremík metalurgickej kvality je ne{0}}surová zliatina železa bohatá na kremík s obsahom kremíka od 95 % do 99,5 %. Zvyčajne je vo forme sivých kovových hrudiek, ale na požiadanie môže byť spracovaný aj na granulované alebo práškové produkty.

Napriek názvu „kremíkový kov“ nie je metalurgický- kremík čistým kovom, ale zmesou železa (Fe), hliníka (Al), vápnika (Ca) a iných nečistôt. Obsah týchto nečistôt určuje rozsah jeho použitia a trhovú hodnotu.

Medzi hlavné použitia kremíka metalurgickej kvality patrí: deoxidácia ocele, výstuž z hliníkovej zliatiny, suroviny zo zliatin ferosilicia, chemické suroviny, prísady do batérií, žiaruvzdorné materiály a primárne fotovoltaické a polovodičové materiály.

Primárnou surovinou pre metalurgický kremík je kremeň (SiO₂) alebo kremenec. Tieto minerály obsahujú -oxid kremičitý s vysokou čistotou, čo je hlavná forma kremíka vyskytujúca sa v prírode.

Proces redukcie oxidu kremičitého má vysoký energetický prah vďaka jeho veľmi stabilným väzbám Si-O. Na uskutočnenie redukčnej reakcie je potrebné kremeň dôkladne premiešať s látkami obsahujúcimi uhlík- (napr. koks, uhlie, drevené štiepky, drevené uhlie atď.), aby sa vytvorila reakčná zmes. Tieto zdroje uhlíka sú schopné reagovať s kyslíkom pri vysokých teplotách za uvoľnenia čistého kremíka.

Hlavným výrobným procesom priemyselného kremíka je reakcia karbotermálnej redukcie (CR) v ponorenej elektrickej oblúkovej peci.

Prostredie s vysokou{0}}teplotou

Teplota vo vnútri pece sa zvyčajne udržiava na 1500 až 2000 stupňoch. Pec sa spolieha na elektródy, ktoré vedú silný elektrický prúd do vsádzky a vytvárajú tak zónu oblúka s vysokou-teplotou. Táto teplota je dostatočná na vyvolanie nasledujúcej hlavnej reakcie: SiO₂ (tuhá látka) + 2C (tuhá látka) → Si (kvapalina) + 2CO (plyn).

V náplni prebieha redukčná reakcia medzi oxidom kremičitým a uhlíkom, pričom vzniká kvapalný kremík a plynný oxid uhoľnatý.

Viac{0}}fázový reakčný mechanizmus

Pec nie je homogénnym reakčným prostredím: Vysoké teploty v centrálnej oblasti vedú k rýchlym reakciám a tvorbe veľkého množstva tekutého kremíka.

Nižšie teploty v okrajových oblastiach môžu viesť k tvorbe medziplynu SiO (oxid kremičitý).

Tieto plyny môžu buď ďalej reagovať v peci za vzniku kremíka, alebo môžu uniknúť z pece a vytvoriť vedľajší produkt -kremičitý dym.

Udržiavanie pórovitosti náboja

Aby sa zabezpečil plynulý tok plynov, vrstva reaktantov musí byť dobre vetraná. Ak je vrstva náboja príliš hustá, zníži sa účinnosť redukcie a zvýši sa spotreba energie.

Potom, čo sa tekutý kremík zbieha na dne pece, je odpichnutý cez otvor pece a odvádzaný do panvy alebo téglika. V tomto bode je kremík zvyčajne vo vysoko-tekutom stave s nečistotami.

Pri následnom spracovaní výrobca vykoná predbežnú rafináciu, aby sa kontroloval obsah hliníka, vápnika a iných nečistôt a aby produkt spĺňal vopred stanovené chemické špecifikácie.

Po počiatočnej rafinácii sa tekutý kremík naleje do foriem a ochladí sa na ingoty.

Po úplnom ochladení budú ingoty rozdrvené mechanickým drviacim zariadením, preosiate podľa rôznych veľkostí častíc (napr. . 10-100 mm), zabalené a pripravené na expedíciu.

Kvalita kremíka metalurgickej kvality sa meria podľa nasledujúcich aspektov: obsah Si (zvyčajne 95 % až 99,5 %); obsah nečistôt, ako je Fe, Al a Ca; špecifikácie veľkosti častíc a tvaru častíc; a dávkovú-do{3}}dávkovej stability zloženia.

Výrobcovia zvyčajne vykonávajú spektrálnu analýzu a fyzické testovanie každej šarže kremíka a vydávajú správu o kvalite (COA), aby sa zabezpečilo, že zákazníci môžu produkt používať bez obáv.

Železiarsky a oceliarsky priemysel

Pridáva sa do ocele ako deoxidátor na účinné odstránenie kyslíka a zvýšenie pevnosti a húževnatosti ocele.

Výroba hliníkovej zliatiny

Používa sa na zlepšenie pevnosti, odolnosti proti korózii a odlievania hliníkovej zliatiny.

Chemický priemysel

Používa sa ako dôležitá surovina na prípravu silánov, kremičitanov, silikónových olejov, silikónových živíc a iných chemických produktov.

Materiály batérie

Používa sa ako prísada do lítium-iónových batériových anód na zvýšenie kapacity batérie a životnosti.

Fotovoltický a polovodičový priemysel

Hoci metalurgický-kremík nie je dostatočne čistý na to, aby sa dal priamo použiť v špičkovej{1} elektronike, možno ho použiť ako čistiaci prekurzor na výrobu polysilikónu alebo kremíka chemickej{2}}triedy.

Žiaruvzdorné materiály

Široko používaný v žiaruvzdorných tehlách a kompozitoch pre nísteje vysokoteplotných pecí, keramiku a sklo.

Od prírodnej kremennej rudy až po vysoko čisté kremíkové ingoty, proces výroby metalurgického -kremíka integruje multidisciplinárne technológie, ako sú vysokoteplotné fyzikálno-chemické reakcie, vedu o materiáloch a riadenie procesov. Keďže ide o „zdrojový proces“ reťazca priemyslu kremíkových materiálov, jeho kvalita a stabilita priamo ovplyvňujú výkon a náklady následných aplikácií.

Keďže celosvetový dopyt po zelenej energii, skladovaní energie, elektrických vozidlách a inteligentných elektronických produktoch neustále rastie, význam metalurgického-kremíka sa stáva čoraz dôležitejším, čo tiež prináša nové príležitosti pre priemyselnú modernizáciu a vývoj technológií na ochranu životného prostredia.