Ako sa rafinuje kremíkový kov

Ako nepostrádateľný základný materiál v obrovskom systéme moderného priemyslu je kremíkový kov široko používaný v mnohých kľúčových oblastiach, ako je metalurgia, polovodiče a silikóny. Od pomoci pri zlepšovaní výkonu ocele až po to, aby sa stala hlavnou surovinou na výrobu čipov, kvalita a výťažnosť kremíkového kovu priamo ovplyvňuje rozvoj mnohých nadväzujúcich odvetví. V tomto článku rozoberieme proces rafinácie kremíkového kovu (priemyselného kremíka) a odhalíme tajomstvá výroby od suroviny až po hotový výrobok.

Definícia

Kremíkový kov, tiež známy ako priemyselný kremík alebo kryštalický kremík, je formou kremíkových monomérov s dôležitou priemyselnou hodnotou v chemickej oblasti. Vďaka širokému spektru aplikácií v priemyselnej výrobe sú tieto rôzne označenia široko používané v priemysle.

Klasifikačný systém

Kov kremíka sa klasifikuje najmä na základe obsahu troch hlavných nečistôt: železa, hliníka a vápnika. Táto klasifikácia je vyjadrená konkrétnymi číslami, napríklad trieda „553“ kremíka predstavuje 5 % železa, 5 % hliníka a 3 % vápnika, zatiaľ čo „3303“ znamená 3 % železa, 3 % hliníka a 0,3 % vápnika. Odvetviu sa to podarilo dosiahnuť prostredníctvom jasných pravidiel číslovania. Prostredníctvom tohto jasného pravidla číslovania môže priemysel rýchlo určiť situáciu nečistôt a úroveň kvality kremíkového kovu.

Percento následných aplikácií

Kremíkový kov má širokú škálu následných aplikácií a ich podiel sa v rôznych oblastiach líši. Spomedzi nich sa 30,28 % používa na výrobu polysilikónu, ktorý slúži priemyslu polovodičov a solárnej energie; 26,82 % sa rafinuje na metalurgický- kremík, ktorý sa používa na výrobu hliníkových zliatin; a 38,03 % sa ďalej rafinuje prostredníctvom hydrometalurgického procesu na kremík chemickej kvality, ktorý sa používa na výrobu silikónového kaučuku a silánu. Rôzne aplikácie vyžadujú rôznu čistotu a obsah nečistôt kremíkového kovu, čo určuje rozdiely v procese rafinácie.

Oxid kremičitý, hlavná surovina

Kompozičné požiadavky

Oxid kremičitý, ako hlavná surovina na výrobu kremíkového kovu, podlieha prísnym normám na zloženie. Priemyselná výroba vyžaduje, aby obsah SiO2 v kremíku bol väčší alebo rovný 99 %, zatiaľ čo Fe2O3 menší alebo rovný 0,15 %, Al2O3 < 0,2 %, CaO < 0,1 % a celkové nečistoty by mali byť výhodne < 0,6 %. Nadmerný obsah nečistôt priamo ovplyvní proces tavenia, zvýši spotrebu energie a dokonca zníži kvalitu kremíkového kovu.

Fyzikálne vlastnosti

Okrem chemického zloženia sú rovnako dôležité aj fyzikálne vlastnosti oxidu kremičitého. Musí byť vysoko odolný voči teplu a mal by minimalizovať praskanie, keď je vystavený zmenám tepelnej fázy pri pridávaní do pece. Čím vyššia je počiatočná teplota pre intenzívne narušenie, tým lepšie pre zabezpečenie stability vo vysokoteplotnom prostredí pece. Okrem toho je redukovateľnosť Si02 dôležitou charakteristikou, ktorá určuje, či je možné oxid kremičitý úspešne redukovať na kremíkový kov.

Klasifikácia a použitie surovín

Kvalita surovín oxidu kremičitého je rôzna a mení sa aj ich použitie. Kremenný piesok vysokej{1}}kvality sa vďaka svojej čistote a kvalite zvyčajne používa priamo pri výrobe -kvalitných produktov z kremenného skla a možno ho dokonca spracovať na drahokamy-kvalitné kryštály a turmalíny atď., zatiaľ čo na výrobu kremíka je vhodnejší oxid kremičitý s o niečo nižšími kvalitami, ale s väčšími zásobami, lepšími podmienkami ťažby a nižšími nákladmi na elektrinu v okolitej oblasti.

Uhlíkaté redukčné činidlá

Druhy redukčných činidiel

Uhlíkové redukčné činidlá bežne používané v procese tavenia kremíkového kovu zahŕňajú drevené uhlie, ropný koks a uhlie. Tieto redukčné činidlá reagujú s oxidom kremičitým pri vysokých teplotách a redukujú kremík z oxidu kremičitého.

Požiadavky na výkon

Nie všetky uhlíkaté materiály sú vhodné na použitie ako redukčné činidlá a výroba má prísne požiadavky na výkon. Všeobecne povedané, redukčné činidlo musí byť charakterizované vysokým obsahom pevného uhlíka, nízkym obsahom popola, stredne prchavými látkami, nízkou vlhkosťou, vysokým odporom, vysokou reaktivitou a určitou mechanickou pevnosťou. Len splnením týchto požiadaviek môžeme zabezpečiť efektívne zníženie oxidu kremičitého v procese tavenia a súčasne znížiť vnášanie nečistôt, aby sa znížila záťaž následného procesu dekontaminácie.

Princíp a metóda tavenia

Tavenie kremíkového kovu využíva hlavne metódu elektrickej pece, tj karbotermálnu metódu. Základným princípom je, že v elektrickej oblúkovej peci oxid kremičitý (SiO2) chemicky reaguje s uhlíkatým redukčným činidlom. V podmienkach vysokej teploty reaguje SiO2 s uhlíkom (C) za vzniku kremíka (Si) a oxidu uhoľnatého (CO) podľa chemickej rovnice: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Tento proces vyžaduje presné riadenie teploty a reakčných podmienok, aby sa dosiahla účinná redukcia kremíka.

Kľúčové výrobné procesy

Dávkovanie a miešanie

Dávkovanie a miešanie sú základné fázy tavenia. Musia byť presne prispôsobené chemickému zloženiu a veľkosti častíc oxidu kremičitého a uhlíkatého redukčného činidla, aby sa zabezpečila rovnomernosť a stabilita náboja z hľadiska zloženia a fyzikálnych vlastností. Stabilnú a účinnú reakciu v elektrickej peci možno realizovať iba rovnomernou náplňou.

Nabíjanie a nabíjanie v peci

Proces vsádzania je prísne sekvenčný a vsádzka sa vkladá do pece špecifickým spôsobom. Postupným spúšťaním elektród sa spustí napájanie a prúd sa postupne zvyšuje podľa reakčného procesu. Táto fáza vyžaduje, aby operátor venoval veľkú pozornosť všetkým parametrom, aby sa zabezpečilo, že proces podávania je hladký a že reakcia nie je ovplyvnená abnormalitami v prúde.

Dusenie a rafinácia

Dusenie a rafinácia je kľúčom k celému procesu tavenia. Presným nastavením napätia, prúdu a iných parametrov elektrickej pece sa teplota vo vnútri pece udržiava vo vhodnom rozsahu, aby sa zabezpečila úplná redukcia Si02 na kremíkový kov. Zároveň je možné počas procesu účinne odstrániť niektoré nečistoty, čo zlepšuje počiatočnú kvalitu kremíkového kovu.

Separácia nečistôt

Kremíkový kov získaný tavením obsahuje určité nečistoty, ktoré je potrebné ďalej rafinovať a čistiť. Bežnou metódou je úprava prchavých zlúčenín kremíka destiláciou, aby sa oddelili nečistoty, čím sa výrazne zlepší čistota kremíka, aby vyhovovala potrebám rôznych aplikácií.

Proces formovania

Vyčistený kremík sa po oddelení nečistôt odlieva do pevných foriem, ako sú ingoty, bloky alebo pelety. Potom sa drví, melie a spracováva podľa aplikačných požiadaviek rôznych priemyselných odvetví, aby sa vyrobili výrobky z kremíkového kovu, ktoré spĺňajú špecifikácie.

Balenie a distribúcia

Po lisovaní a spracovaní budú hotové výrobky z kremíkového kovu balené podľa vlastností produktu a požiadaviek zákazníka. Po zabalení budú tieto produkty distribuované do rôznych priemyselných odvetví, ako je elektronika, metalurgia, chemikálie atď., a zaradené do rôznych výrobných procesov.

Spotreba energie

Vysoká spotreba energie

Výroba kremíkového kovu je zvyčajne vysokoenergetické odvetvie{0}} s priemernou spotrebou elektriny 13 000 kWh na tonu kremíka. V elektrických oblúkových peciach sú potrebné reakčné teploty až do 1800 stupňov, aby sa zabezpečilo, že redukcia oxidu kremičitého a uhlíka prebieha hladko. Vďaka tomu je výroba kremíkového kovu veľmi závislá od zdrojov elektriny a výroba sa zvyčajne uskutočňuje v oblastiach s dostatočnými zdrojmi elektriny.

Opatrenia-úspory energie

Na zníženie spotreby energie boli prijaté rôzne opatrenia. Vyberá vysokokvalitné-zdrojové rudy oxidu kremičitého a uhlíkaté redukčné činidlá s vysokou aktivitou a nízkym obsahom popola na zlepšenie účinnosti reakcie zo strany surovín; využíva pokročilé termoelektrické pece na optimalizáciu výkonu zariadenia; a ďalej znižuje spotrebu energie optimalizáciou prevádzky procesu, aby sa znížili problémy, ako sú zastavovanie za tepla a nerovné tkaniny, aby sa dosiahla úspora energie a zníženie spotreby energie.

Kvalita suroviny

Kontrola nečistôt oxidu kremičitého

Obsah nečistôt v surovinách oxidu kremičitého má významný vplyv na výrobu. Pri výrobe -kvalitného priemyselného oxidu kremičitého je Fe2O3 menej ako 15 %, Al2O3 je menej ako 20 %, CaO je menej ako 15 %; ak vyrábate super-kvalitný priemyselný oxid kremičitý, kontrolný štandard týchto oxidov je prísnejší. Vysoký obsah nečistôt povedie k lepkavému povrchu materiálu ústia pece, zlej priepustnosti, zvýšeným tepelným stratám a spotrebe energie.

Fyzikálne vlastnosti oxidu kremičitého

Tepelná stabilita a odolnosť oxidu kremičitého voči výbuchu sú rovnako dôležité. Ak je tepelná stabilita oxidu kremičitého zlá, ľahko sa po zahriatí roztrhne, odlupovanie povrchu vážne ovplyvní priepustnosť pece, čo má za následok lepenie hornej časti vsádzky pece, teplo sa nemôže efektívne prenášať a v konečnom dôsledku sa výrazne zvýši spotreba energie. Okrem toho by sa veľkosť častíc oxidu kremičitého mala prísne kontrolovať na 50 - 120 mm, príliš malá alebo príliš veľká veľkosť častíc bude mať negatívny vplyv na výrobu.

S neustálym pokrokom priemyselnej technológie sa technológia rafinácie kremíkového kovu bude rozvíjať aj v smere úspory energie, vysokej účinnosti a vysokej čistoty. V budúcnosti bude toto odvetvie čeliť výzvam, ako je zníženie spotreby energie a zlepšenie čistoty produktov, a existujú aj príležitosti, ako sú technologické inovácie a otváranie nových oblastí použitia. Vďaka nepretržitému technologickému výskumu a vývoju a optimalizácii procesov priemysel kremíkového kovu určite poskytne spoľahlivejšiu podporu pre moderný priemyselný rozvoj.