Πώς κατασκευάζεται το πυρίτιο βιομηχανικής ποιότητας

Το πυρίτιο, το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης, χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία, τα κράματα αλουμινίου, τα χημικά, τις μπαταρίες, την ηλιακή ενέργεια και τα ηλεκτρονικά. Σε αυτήν την τεράστια βιομηχανική αλυσίδα, το πυρίτιο μεταλλουργικής ποιότητας (MG-Si) παίζει το ρόλο της βασικής πρώτης ύλης και είναι το σημείο εκκίνησης όλων των υλικών πυριτίου υψηλής-καθαρότητας (όπως πολυπυρίτιο και πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας).
 

Λοιπόν, πώς εξάγεται το πυρίτιο μεταλλουργικής ποιότητας από φυσικό μετάλλευμα χαλαζία; Σε αυτό το άρθρο, θα σας μεταφέρουμε σε μια βαθιά βουτιά στην πλήρη διαδικασία παραγωγής βιομηχανικού πυριτίου.

Το πυρίτιο μεταλλουργικής ποιότητας είναι μια πρώτη ύλη από μη σιδηρούχα κράματα πλούσια σε πυρίτιο, με περιεκτικότητα σε πυρίτιο μεταξύ 95% και 99,5%. Συνήθως έχει τη μορφή γκρι μεταλλικών σβώλων, αλλά μπορεί επίσης να μεταποιηθεί σε κοκκώδη ή σε σκόνη προϊόντα κατόπιν αιτήματος.

Παρά το όνομα "μέταλλο πυριτίου", το μεταλλουργικό πυρίτιο-δεν είναι καθαρό μέταλλο, αλλά ένα μείγμα σιδήρου (Fe), αλουμινίου (Al), ασβεστίου (Ca) και άλλων ακαθαρσιών. Το περιεχόμενο αυτών των ακαθαρσιών καθορίζει το πεδίο εφαρμογής και την αγοραία αξία του.

Οι κύριες χρήσεις του πυριτίου μεταλλουργικής ποιότητας περιλαμβάνουν: αποξείδωση χάλυβα, ενίσχυση από κράμα αλουμινίου, πρώτες ύλες από κράμα σιδηροπυριτίου, χημικές πρώτες ύλες, πρόσθετα μπαταριών, πυρίμαχα υλικά και πρωτογενή φωτοβολταϊκά και ημιαγωγικά υλικά.

Η κύρια πρώτη ύλη για το πυρίτιο μεταλλουργικής ποιότητας είναι ο χαλαζίας (SiO2) ή ο χαλαζίτης. Αυτά τα ορυκτά περιέχουν διοξείδιο του πυριτίου υψηλής{1} καθαρότητας, το οποίο είναι η κύρια μορφή πυριτίου που βρίσκεται στη φύση.

Η διαδικασία αναγωγής του διοξειδίου του πυριτίου έχει υψηλό ενεργειακό κατώφλι λόγω των πολύ σταθερών δεσμών του Si-O. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η αντίδραση αναγωγής, ο χαλαζίας πρέπει να αναμιχθεί επιμελώς με ουσίες που περιέχουν άνθρακα- (π.χ. οπτάνθρακας, άνθρακας, ροκανίδια, κάρβουνο κ.λπ.) για να σχηματιστεί ένα μείγμα αντίδρασης. Αυτές οι πηγές άνθρακα είναι σε θέση να αντιδρούν με το οξυγόνο σε υψηλές θερμοκρασίες για να απελευθερώσουν καθαρό πυρίτιο.

Η διαδικασία κατασκευής πυρήνα για το βιομηχανικό πυρίτιο είναι η αντίδραση αναγωγής άνθρακα (CR) σε βυθισμένο κλίβανο ηλεκτρικού τόξου.

Περιβάλλον αντίδρασης σε υψηλή-θερμοκρασία

Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του κλιβάνου διατηρείται συνήθως στους 1500 έως 2000 βαθμούς. Ο κλίβανος βασίζεται σε ηλεκτρόδια για να μεταφέρει ένα ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα στο φορτίο, δημιουργώντας μια ζώνη τόξου υψηλής θερμοκρασίας. Αυτή η θερμοκρασία είναι αρκετή για να οδηγήσει την ακόλουθη κύρια αντίδραση: SiO2 (στερεό) + 2C (στερεό) → Si (υγρό) + 2CO (αέριο).

Στο φορτίο, λαμβάνει χώρα η αντίδραση αναγωγής μεταξύ πυριτίου και άνθρακα, παράγοντας υγρό πυρίτιο και αέριο μονοξείδιο του άνθρακα.

Μηχανισμός αντίδρασης πολλαπλών-σταδίων

Ο κλίβανος δεν είναι ένα ομοιογενές περιβάλλον αντίδρασης: Οι υψηλές θερμοκρασίες στην κεντρική περιοχή οδηγούν σε γρήγορες αντιδράσεις και σχηματισμό μεγάλων ποσοτήτων υγρού πυριτίου.

Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες στις περιφερειακές περιοχές μπορεί να οδηγήσουν στο σχηματισμό του ενδιάμεσου αερίου SiO (οξείδιο του πυριτίου).

Αυτά τα αέρια μπορούν είτε να αντιδράσουν περαιτέρω μέσα στον κλίβανο για να σχηματίσουν πυρίτιο είτε να διαφύγουν από τον κλίβανο για να σχηματίσουν το υποπροϊόν του καπνού πυριτίου.

Διατήρηση του πορώδους της φόρτισης

Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ομαλή ροή των αερίων, το στρώμα του αντιδρώντος πρέπει να αερίζεται καλά. Εάν το στρώμα φόρτισης είναι πολύ πυκνό, η απόδοση μείωσης θα μειωθεί και η κατανάλωση ενέργειας θα αυξηθεί.

Αφού το υγρό πυρίτιο συγκλίνει στον πυθμένα του κλιβάνου, διοχετεύεται μέσω του ανοίγματος του κλιβάνου και εκτρέπεται στην κουτάλα ή στο χωνευτήριο. Σε αυτό το σημείο, το πυρίτιο είναι συνήθως σε υγρή-υψηλή θερμοκρασία με ακαθαρσίες.

Κατά την επακόλουθη επεξεργασία, ο παραγωγός πραγματοποιεί προκαταρκτική διύλιση για να ελέγξει την περιεκτικότητα σε αλουμίνιο, ασβέστιο και άλλες ακαθαρσίες και να διασφαλίσει ότι το προϊόν πληροί τις προκαθορισμένες χημικές προδιαγραφές.

Μετά τον αρχικό καθαρισμό, το υγρό πυρίτιο χύνεται σε καλούπια και ψύχεται για να σχηματιστούν πλινθώματα.

Μετά την ολοκλήρωση της ψύξης, τα πλινθώματα θα θρυμματιστούν με μηχανικό εξοπλισμό σύνθλιψης, θα κοσκινιστούν σύμφωνα με διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων (π.χ.. 10-100mm), θα συσκευαστούν και θα προετοιμαστούν για αποστολή.

Η ποιότητα του πυριτίου μεταλλουργικής ποιότητας μετριέται από τις ακόλουθες πτυχές: Περιεκτικότητα σε Si (συνήθως 95% έως 99,5%). περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες όπως Fe, Al και Ca. προδιαγραφές μεγέθους σωματιδίων και σχήμα σωματιδίων. και σταθερότητα σύνθεσης παρτίδας-σε-παρτίδα.

Οι κατασκευαστές συνήθως διενεργούν φασματική ανάλυση και φυσικές δοκιμές σε κάθε παρτίδα πυριτίου και εκδίδουν μια αναφορά ποιότητας (COA) για να διασφαλίσουν ότι οι πελάτες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το προϊόν χωρίς ανησυχία.

Βιομηχανία σιδήρου και χάλυβα

Προστέθηκε στον χάλυβα ως αποοξειδωτικός παράγοντας για την αποτελεσματική αφαίρεση του οξυγόνου και την ενίσχυση της αντοχής και της σκληρότητας του χάλυβα.

Κατασκευή κράματος αλουμινίου

Χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της αντοχής, της αντοχής στη διάβρωση και της απόδοσης χύτευσης του κράματος αλουμινίου.

Χημική βιομηχανία

Χρησιμοποιείται ως σημαντική πρώτη ύλη για την παρασκευή σιλανίου, πυριτικού, λαδιού σιλικόνης, ρητίνης σιλικόνης και άλλων χημικών προϊόντων.

Υλικά Μπαταριών

Χρησιμοποιείται ως πρόσθετο για ανόδους μπαταριών ιόντων λιθίου-για τη βελτίωση της χωρητικότητας της μπαταρίας και της διάρκειας ζωής του κύκλου.

Βιομηχανία φωτοβολταϊκών και ημιαγωγών

Αν και το μεταλλουργικό πυρίτιο-δεν είναι αρκετά καθαρό για να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε ηλεκτρονικά υψηλής-τελικής τεχνολογίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόδρομος καθαρισμός για την παραγωγή πυριτίου πολυπυριτίου ή χημικής-ποιότητας.

Πυρίμαχα

Χρησιμοποιείται ευρέως σε πυρίμαχα τούβλα και σύνθετα υλικά για εστίες κλιβάνων υψηλής θερμοκρασίας, κεραμικά και γυαλί.

Από φυσικό μετάλλευμα χαλαζία έως πλινθώματα πυριτίου υψηλής-καθαρότητας, η διαδικασία παραγωγής πυριτίου μεταλλουργικής-ποιότητας ενσωματώνει πολυεπιστημονικές τεχνολογίες όπως φυσικοχημικές αντιδράσεις υψηλής-θερμοκρασίας, επιστήμη υλικών και έλεγχο διεργασιών. Ως "πηγαία διαδικασία" της αλυσίδας βιομηχανίας υλικών πυριτίου, η ποιότητα και η σταθερότητά του επηρεάζουν άμεσα την απόδοση και το κόστος των κατάντη εφαρμογών.

Καθώς η παγκόσμια ζήτηση για πράσινη ενέργεια, αποθήκευση ενέργειας, ηλεκτρικά οχήματα και έξυπνα ηλεκτρονικά προϊόντα συνεχίζει να αυξάνεται, η σημασία του πυριτίου μεταλλουργικής-ποιότητας γίνεται όλο και πιο έντονη, γεγονός που προσφέρει επίσης νέες ευκαιρίες για βιομηχανική αναβάθμιση και ανάπτυξη τεχνολογίας προστασίας του περιβάλλοντος.