Kovinski silicij, imenovan tudi industrijski silicij ali silicijeva kovina, je osnovni material za aluminijeve zlitine, silikone, polisilicijevo surovino in velik delež sodobnih dodatkov za proizvodnjo jekla. Skoraj ves se proizvaja po isti poti: karbotermalna redukcija kremena v potopljeni obločni peči. Kemija je preprosta, vendar praksa v peči, priprava polnjenja in koraki rafiniranja odločajo o tem, ali bo izdelek na koncu metalurške kakovosti 98 % ali 99,7 % kemične kakovosti.
Karbotermalna redukcija: osnovna kemija
Celotna reakcija je redukcija silicijevega dioksida z ogljikom:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Reakcija je močno endotermna in poteka le z uporabno hitrostjo v najbolj vročem delu peči, kjer temperatura v reakcijskem območju doseže približno 1800 stopinj do 2000 stopinj. V praksi se pretvorba ne zgodi v enem koraku. Silicijev dioksid se najprej reducira v plinast silicijev monoksid, ki se dvigne skozi naboj in se nadalje reducira z ogljikom v silicij:
SiO2 + C → SiO + CO (prva stopnja, na reakcijskem območju)
SiO + C → Si + CO (druga stopnja, v stolpcu naboja)
Ker del silicija zapusti reakcijsko cono kot hlapi SiO in uide z od-plinom, je postopek sam po sebi manj kot popolnoma učinkovit in del silicija se izgubi kot fin stranski-kremenčev produkt. Kemija tudi pojasnjuje, zakaj je postopek opisan kot postopek brez žlindre: pri čistih surovinah sta redukcijska produkta tekoči silicij in ogljikov monoksid, brez faze žlindre v razsutem stanju.
Surovine in priprava polnjenja
| Vnos | Vloga | Praktična zahteva |
|---|---|---|
| Kremen ali kvarcit | Vir silicija | Visoka vsebnost SiO2, nadzorovana velikost grudic, malo železa in aluminijevega oksida |
| Petrolej koks | Primarni reducent | Nizka vsebnost pepela, nizka vsebnost žvepla, predvidljiv vezani ogljik |
| Oglje ali lesni sekanci | Reducent in prepustnost naboja | Breme ohranja porozno, tako da lahko plin uide |
| Premog-z nizkim pepelom | Dodatni ogljik | Nadzorovana kemija pepela za omejitev sledov nečistoč |
| Ogljikove elektrode | Vložek energije | Samo{0}}pečeno ali predhodno pečeno, neprekinjeno hranjenje |
Izbira stopnje se začne pri kamnolomu. Zelo čist kremen z velikimi zalogami in poceni elektriko v bližini je običajna surovina; material, ki je bolj primeren za steklo ali izdelke iz-dragih kamnov, se običajno preusmeri tja. Priprava polnila nato uravnoteži razmerje med ogljikom-in-silicijevim dioksidom, ker pomanjkanje ogljika pusti nezreagiran silicijev dioksid, presežek pa poveča kopičenje silicijevega karbida-v kurišču peči. Kvarc je presejan do nadzorovane porazdelitve velikosti, tako da breme ohranja stabilno prepustnost od konice elektrode do vrha peči.
Delovanje in narezovanje potopne obločne peči
Silicijeve peči so običajno zgrajene v območju od 10 do 30 MVA in delujejo z elektrodami, potopljenimi v polnilo, po čemer se razlikujejo od taljenja z odprtim{2}}lokom. Oblok zagotavlja toploto, stolpec naboja filtrira plin, skorja nad reakcijskim območjem pa ohranja proces v veliki meri zaprt. Operaterji nadzirajo položaj elektrode, mešanico polnjenja in ritem točenja ter spremljajo iz-plin za znake neuravnoteženega zmanjševanja.
Staljeni silicij se zbira na ognjišču in se skozi odprtino občasno toči v zajemalko. Temperatura izpusta je visoka, običajno 1600 stopinj in več, kovino pa obdelamo hitro, ker začne zmrzovati takoj, ko zapusti peč. Življenjska doba peči je omejena predvsem z erozijo obloge kurišča in kopičenjem silicijevega karbida, oboje pa je odvisno od tega, kako dobro se vzdržuje ravnovesje polnjenja.
Rafiniranje, litje in stopnje
Silicij, odvzet neposredno iz peči, je običajno 97- do 99-odstotno čist in je primeren za metalurško uporabo, kot sta deoksidacija in legiranje. Višje stopnje se proizvajajo z rafiniranjem tekoče kovine, običajno z obdelavo v loncu s kisikom ali zrakom in z dodajanjem sintetične žlindre za oksidacijo aluminija in kalcija v odstranljivo fazo. Tako je dosežena 99,7 % do 99,8 % čistost, ki je potrebna za kemijsko in elektronsko uporabo.
| Tipična oznaka razreda | Fe, maks | Al, maks | Ca, maks | Običajna uporaba |
|---|---|---|---|---|
| Si5530 | 0.5 % | 0.5 % | 0.3 % | Metalurška deoksidacija, splošna uporaba |
| Si4410 | 0.4 % | 0.4 % | 0.1 % | Aluminijeve zlitine, splošna kemična uporaba |
| Si3303 | 0.3 % | 0.3 % | 0.03 % | Silikoni, višje{0}}zlitine |
| Si2202 | 0.2 % | 0.2 % | 0.02 % | Kemične in polisilicijeve surovine |
| Si1101 | 0.1 % | 0.1 % | 0.01 % | Elektronika in fotovoltaični viri |
V teh označbah številke izmenično navajajo največjo vsebnost železa, aluminija in kalcija, pri čemer končna številka izraža kalcij v stotinkah odstotka, tako da je Si3303 silicij, pri čemer sta železo in aluminij vsak omejena na 0,3 %, kalcij pa na 0,03 %. Enakovredne zahteve za splošni industrijski silicij so določene v GB/T 25135. Po rafiniranju se kovina vlije v ingote ali zdrobi v kepo, nato pa se preseje na frakcije velikosti, ki se uporabljajo na koncu: 10 do 100 mm kepa za legiranje, fin prah za kemično industrijo.
Poraba energije, donos in stranski{0}}proizvodi
Taljenje silicija je eden najbolj{0}}električno intenzivnih metalurških procesov. Poraba je običajno ocenjena na približno 11 do 13 MWh na tono odvajanega silicija, zato so talilnice tam, kjer je energija poceni in zanesljiva, in zakaj stabilnost delovanja neposredno vpliva na stroške. Izkoristek je odvisen od ravnovesja polnjenja, izgub silicijevega monoksida v odpadnem-plinu in od tega, koliko silicija se odda v kurišče peči namesto v sistem za prah.
Odpadni-plin nosi fin silicijev dioksid, zbran kot mikrosilicijev dioksid, ki je cenjen stranski-izdelek za ognjevarne in betonske aplikacije. Silicij, ki zapusti peč v obliki hlapov, in drobni delci, ki nastanejo med drobljenjem, se obnovijo in vrnejo v proces, kjer je to mogoče, zato dobro{3}}voden obrat obravnava izgube silicija kot problem surovin in ne kot neizogiben odpadek.
pogosta vprašanja
V: Kakšna je razlika med kovinskim silicijem in ferosilicijem?
O: Kovinski silicij je v bistvu čisti element, običajno 98 % in več, proizveden samo iz kremena. Ferosilicij je zlitina silicija in železa, običajno 45 % do 75 % silicija, proizvedena z virom železa v polnilu in se uporablja predvsem za dezoksidacijo jekla in cepitev za ulitke.
V: Zakaj je postopek opisan kot postopek brez žlindre?{0}}
O: S čistim kremenom in reducenti z malo{0}}pepelom sta redukcijska produkta tekoči silicij in ogljikov monoksid, tako da ni treba izločati in zavreči ločene žlindre. Nečistoče se odstranijo kasneje med rafiniranjem.
V: Pri kateri temperaturi poteka redukcija silicija?
O: Uporabna hitrost reakcije zahteva temperaturo-območja reakcije približno 1800 stopinj do 2000 stopinj, zato se uporablja taljenje v potopljeni obločni peči namesto običajnega taljenja v kupoli.
V: Kako je čistost kovinskega silicija dvignjena na 99,7 %?
O: Iztočena kovina se prečisti v loncu, običajno s kisikom ali zrakom in sintetično oksidacijsko žlindro, ki potisne aluminij in kalcij v odstranljivo fazo. Rezultat je višja-stopnja čistosti, ki jo zahtevata kemična in elektronska industrija.
V: Kaj počne kovinski silicijev prah pri litju in izdelavi jekla?
O: Deluje kot dezoksidator in se združuje z raztopljenim kisikom, da tvori silicijev dioksid, ki plava iz taline. Silicij tudi utrdi jeklo s trdno raztopino in je dodan kot legirni element v posebnih jeklih.
V: Katera velikost kovinskega silicija je običajno dobavljena?
O: Standardna gruda je presejana na približno 10 do 100 mm za legiranje in ponovno taljenje, medtem ko se fini razredi in praški proizvajajo za kemično sintezo in za aplikacije, kjer je potrebno hitro raztapljanje.
