El silici, el segon element més abundant a l'escorça terrestre, s'utilitza àmpliament en metal·lúrgia, aliatges d'alumini, productes químics, bateries, energia solar i electrònica. En aquesta enorme cadena industrial, el silici de grau metal·lúrgic (MG-Si) juga el paper de matèria primera bàsica i és el punt de partida de tots els materials de silici d'alta-puresa (com el polisilici i el silici de grau electrònic).
Aleshores, com s'extreu el silici de grau metal·lúrgic del mineral de quars natural? En aquest article, us portarem a una immersió profunda en el procés complet de producció de silici industrial.
Què és el silici de grau metal·lúrgic?
El silici de grau metal·lúrgic és una matèria primera d'aliatge no fèrric rica en silici, amb un contingut de silici d'entre el 95% i el 99,5%. Normalment es presenta en forma de grumolls metàl·lics grisos, però també es pot processar en productes granulars o en pols a petició.
Malgrat el nom de "silici metall", el silici de grau-metal·lúrgic no és un metall pur, sinó una barreja de ferro (Fe), alumini (Al), calci (Ca) i altres impureses. El contingut d'aquestes impureses determina el seu àmbit d'aplicació i el seu valor de mercat.
Els principals usos del silici de grau metal·lúrgic inclouen: desoxidació d'acer, reforç d'aliatge d'alumini, matèries primeres d'aliatge de ferrosilici, matèries primeres químiques, additius de bateries, materials refractaris i materials fotovoltaics i semiconductors primaris.
Preparació de matèries primeres: del quars a les mescles reactives
La matèria primera principal per al silici de grau metal·lúrgic és el quars (SiO₂) o la quarsita. Aquests minerals contenen diòxid de silici d'alta-puresa, que és la forma principal de silici que es troba a la natura.
El procés de reducció del diòxid de silici té un llindar d'energia elevat a causa dels seus enllaços Si-O molt estables. Per tal de realitzar la reacció de reducció, el quars s'ha de barrejar a fons amb substàncies que contenen carboni-(per exemple, coc, carbó, estelles de fusta, carbó vegetal, etc.) per formar una barreja de reacció. Aquestes fonts de carboni són capaços de reaccionar amb l'oxigen a altes temperatures per alliberar silici pur.
Procés bàsic: reducció carbotèrmica en un forn d'arc elèctric
El procés bàsic de fabricació del silici industrial és la reacció de reducció carbotèrmica (CR) en un forn d'arc elèctric submergit.
Entorn de reacció a -alta temperatura
La temperatura dins del forn es manté normalment entre 1500 i 2000 graus. El forn depèn d'elèctrodes per conduir un fort corrent elèctric a la càrrega, creant una zona d'arc d'alta -temperatura. Aquesta temperatura és suficient per impulsar la següent reacció principal: SiO₂ (sòlid) + 2C (sòlid) → Si (líquid) + 2CO (gas).
A la càrrega té lloc la reacció de reducció entre sílice i carboni, produint silici líquid i gas monòxid de carboni.
Mecanisme de reacció multi-etapa
El forn no és un entorn de reacció homogeni: les altes temperatures a la zona central provoquen reaccions ràpides i la formació de grans quantitats de silici líquid.
Les temperatures més baixes a les zones perifèriques poden provocar la formació del gas intermedi SiO (òxid de silici).
Aquests gasos poden reaccionar encara més dins del forn per formar silici o escapar del forn per formar el subproducte -Fum de sílice.
Manteniment de la porositat de la càrrega
Per tal d'assegurar un flux suau de gasos, la capa de reactius ha d'estar ben ventilada. Si la capa de càrrega és massa densa, l'eficiència de reducció es reduirà i augmentarà el consum d'energia.
Tapping i refinació preliminar
Després que el silici líquid hagi convergit a la part inferior del forn, es col·loca a través de l'obertura del forn i es desvia cap a la cullera o gresol. En aquest punt, el silici normalment es troba en un estat líquid d'alta-temperatura amb impureses.
En el processament posterior, el productor realitza un refinament preliminar per controlar el contingut d'alumini, calci i altres impureses i per assegurar-se que el producte compleix les especificacions químiques preestablertes.
Refrigeració, emmotllament i trituració
Després de l'afinament inicial, el silici líquid s'aboca en motlles i es refreda per formar lingots.
Un cop s'hagi completat el refredament, els lingots seran aixafats per un equip de trituració mecànica, tamisats segons diferents mides de partícules (per exemple, . 10-100mm), empaquetats i preparats per a l'enviament.
Característiques clau i control de qualitat del silici de grau metal·lúrgic
La qualitat del silici de grau metal·lúrgic es mesura pels aspectes següents: contingut de Si (normalment del 95% al 99,5%); contingut d'impureses com Fe, Al i Ca; especificacions de mida de partícula i forma de partícula; i estabilitat de la composició de lot-a-.
Els fabricants solen dur a terme anàlisis espectrals i proves físiques a cada lot de silici i emeten un informe de qualitat (COA) per garantir que els clients puguin utilitzar el producte sense preocupacions.
Usos del metall de silici de grau metal·lúrgic
Indústria siderúrgica
Afegit a l'acer com a desoxidant per eliminar eficaçment l'oxigen i millorar la força i la duresa de l'acer.
Fabricació d'aliatges d'alumini
S'utilitza per millorar la resistència, la resistència a la corrosió i el rendiment de fosa de l'aliatge d'alumini.
Indústria química
S'utilitza com a matèria primera important per a la preparació de silà, silicat, oli de silicona, resina de silicona i altres productes químics.
Materials de la bateria
S'utilitza com a additiu per als ànodes de la bateria d'ions de liti-per millorar la capacitat de la bateria i la vida útil.
Indústria fotovoltaica i semiconductors
Tot i que el silici de grau-metal·lúrgic no és prou pur per utilitzar-se directament en l'electrònica-de gamma alta, es pot utilitzar com a precursor de purificació per a la producció de polisilici o silici de grau-químic.
Refractaris
S'utilitza àmpliament en maons refractaris i materials compostos per a foguers de-forns d'alta temperatura, ceràmica i vidre.
Conclusió
Des de mineral de quars natural fins a lingots de silici d'alta-puresa, el procés de producció de silici de grau-metal·lúrgic integra tecnologies multidisciplinàries com ara reaccions fisicoquímiques d'alta-temperatura, ciència dels materials i control de processos. Com a "procés font" de la cadena de la indústria del material de silici, la seva qualitat i estabilitat afecten directament el rendiment i el cost de les aplicacions posteriors.
A mesura que la demanda mundial d'energia verda, emmagatzematge d'energia, vehicles elèctrics i productes electrònics intel·ligents continua creixent, la importància del silici de grau-metal·lúrgic és cada cop més destacada, la qual cosa també ofereix noves oportunitats per a l'actualització industrial i el desenvolupament de tecnologia de protecció del medi ambient.
