سیلیکون درجه صنعتی چگونه تولید می شود

سیلیکون، دومین عنصر فراوان در پوسته زمین، به طور گسترده در متالورژی، آلیاژهای آلومینیوم، مواد شیمیایی، باتری ها، انرژی خورشیدی و الکترونیک استفاده می شود. در این زنجیره صنعتی عظیم، سیلیکون درجه متالورژی (MG-Si) نقش ماده اولیه اولیه را ایفا می‌کند و نقطه شروع همه مواد سیلیکونی با خلوص بالا (مانند پلی سیلیکون و سیلیکون با گرید الکترونیکی) است.
 

بنابراین، سیلیکون گرید متالورژی چگونه از سنگ معدن کوارتز طبیعی استخراج می شود؟ در این مقاله، ما شما را با فرآیند کامل تولید سیلیکون صنعتی آشنا خواهیم کرد.

سیلیکون گرید متالورژیکی یک ماده خام آلیاژی غیرآهنی است که غنی از سیلیکون است و دارای محتوای سیلیکون بین 95 تا 99.5 درصد است. معمولاً به شکل توده های فلزی خاکستری است، اما در صورت درخواست می تواند به محصولات دانه ای یا پودری تبدیل شود.

با وجود نام "فلز سیلیکون"، سیلیکون درجه متالورژیک-فلز خالص نیست، بلکه مخلوطی از آهن (Fe)، آلومینیوم (Al)، کلسیم (Ca) و سایر ناخالصی ها است. محتوای این ناخالصی ها دامنه کاربرد و ارزش بازار آن را تعیین می کند.

کاربردهای اصلی سیلیکون گرید متالورژیکی عبارتند از: اکسید زدایی فولاد، تقویت کننده آلیاژ آلومینیوم، مواد خام آلیاژ فروسیلیس، مواد خام شیمیایی، افزودنی های باتری، مواد نسوز و مواد اولیه فتوولتائیک و نیمه هادی.

ماده اولیه اولیه برای سیلیکون درجه متالورژی کوارتز (SiO2) یا کوارتزیت است. این مواد معدنی حاوی دی اکسید سیلیکون با خلوص{{1} بالا هستند که شکل اصلی سیلیکون موجود در طبیعت است.

فرآیند کاهش دی اکسید سیلیکون به دلیل پیوندهای Si-O بسیار پایدار، آستانه انرژی بالایی دارد. برای تحقق واکنش احیا، کوارتز باید به طور کامل با مواد حاوی کربن (مانند کک، زغال سنگ، تراشه‌های چوب، زغال چوب، و غیره) مخلوط شود تا یک مخلوط واکنش تشکیل شود. این منابع کربن قادر به واکنش با اکسیژن در دمای بالا برای آزاد کردن سیلیکون خالص هستند.

فرآیند تولید هسته برای سیلیکون صنعتی واکنش کاهش کربوترمال (CR) در یک کوره قوس الکتریکی غوطه‌ور است.

محیط واکنش در دمای بالا-

دمای داخل کوره معمولاً بین 1500 تا 2000 درجه حفظ می شود. کوره به الکترودها متکی است تا جریان الکتریکی قوی را به بار هدایت کند و یک ناحیه قوس{3}}در دمای بالا ایجاد کند. این دما برای انجام واکنش اصلی زیر کافی است: SiO2 (جامد) + 2C (جامد) → Si (مایع) + 2CO (گاز).

در بار، واکنش کاهش بین سیلیس و کربن انجام می شود و سیلیسیم مایع و گاز مونوکسید کربن تولید می شود.

مکانیسم واکنش چند مرحله ای

کوره یک محیط واکنش همگن نیست: دمای بالا در ناحیه مرکزی منجر به واکنش‌های سریع و تشکیل مقادیر زیادی سیلیکون مایع می‌شود.

دماهای پایین تر در نواحی محیطی ممکن است منجر به تشکیل گاز میانی SiO (اکسید سیلیکون) شود.

این گازها یا می‌توانند در داخل کوره واکنش داده و سیلیکون تشکیل دهند، یا از کوره خارج شوند و محصول جانبی سیلیس را تشکیل دهند.

حفظ تخلخل شارژ

برای اطمینان از جریان صاف گازها، لایه واکنش دهنده باید به خوبی تهویه شود. اگر لایه شارژ بیش از حد متراکم باشد، راندمان کاهش کاهش می یابد و مصرف انرژی افزایش می یابد.

پس از اینکه سیلیکون مایع در انتهای کوره همگرا شد، از دهانه کوره عبور کرده و به داخل ملاقه یا بوته منحرف می شود. در این مرحله، سیلیکون معمولاً در حالت مایع با دمای{1} بالا و دارای ناخالصی است.

در فرآوری بعدی، تولید کننده پالایش اولیه را برای کنترل محتوای آلومینیوم، کلسیم و سایر ناخالصی ها و اطمینان از اینکه محصول با مشخصات شیمیایی از پیش تعیین شده مطابقت دارد، انجام می دهد.

پس از تصفیه اولیه، سیلیکون مایع را در قالب ریخته و سرد می کنند تا شمش تشکیل شود.

پس از اتمام خنک‌سازی، شمش‌ها توسط تجهیزات مکانیکی خرد کردن خرد می‌شوند، با توجه به اندازه‌های مختلف ذرات (مثلاً{1}} میلی‌متر) غربال می‌شوند، بسته‌بندی می‌شوند و برای حمل و نقل آماده می‌شوند.

کیفیت سیلیکون گرید متالورژیکی با جنبه های زیر اندازه گیری می شود: محتوای Si (معمولاً 95٪ تا 99.5٪). محتوای ناخالصی هایی مانند Fe، Al و Ca. مشخصات اندازه ذرات و شکل ذرات؛ و پایداری ترکیبی دسته‌ای-به-گروهی.

تولیدکنندگان معمولاً تجزیه و تحلیل طیفی و آزمایش فیزیکی را روی هر دسته سیلیکون انجام می دهند و گزارش کیفیت (COA) را برای اطمینان از اینکه مشتریان می توانند بدون نگرانی از محصول استفاده کنند، صادر می کنند.

صنعت آهن و فولاد

به عنوان یک اکسید کننده برای حذف موثر اکسیژن و افزایش استحکام و چقرمگی فولاد به فولاد اضافه شده است.

تولید آلیاژ آلومینیوم

برای بهبود استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد ریخته گری آلیاژ آلومینیوم استفاده می شود.

صنایع شیمیایی

به عنوان یک ماده خام مهم برای تهیه سیلان، سیلیکات، روغن سیلیکون، رزین سیلیکون و سایر محصولات شیمیایی استفاده می شود.

مواد باتری

به عنوان یک افزودنی برای آندهای باتری لیتیوم{0} یون برای افزایش ظرفیت باتری و عمر چرخه استفاده می شود.

صنعت فتوولتائیک و نیمه هادی

اگرچه سیلیکون درجه متالورژیکی به اندازه کافی خالص نیست که بتوان مستقیماً در لوازم الکترونیکی پیشرفته استفاده کرد، اما می‌توان از آن به عنوان پیش ماده تصفیه برای تولید پلی سیلیکون یا سیلیکون درجه شیمیایی{{2} استفاده کرد.

نسوزها

به طور گسترده در آجرهای نسوز و کامپوزیت‌ها برای کوره‌های حرارتی{0} بالا، سرامیک و شیشه استفاده می‌شود.

از سنگ معدن کوارتز طبیعی گرفته تا شمش‌های سیلیکون با خلوص{{0}بالا، فرآیند تولید سیلیکون درجه متالورژیک{1}}فناوری‌های چند رشته‌ای مانند واکنش‌های فیزیکوشیمیایی دمای بالا، علم مواد و کنترل فرآیند را ادغام می‌کند. به عنوان "فرایند منبع" زنجیره صنعت مواد سیلیکونی، کیفیت و پایداری آن به طور مستقیم بر عملکرد و هزینه برنامه های کاربردی پایین دستی تأثیر می گذارد.

از آنجایی که تقاضای جهانی برای انرژی سبز، ذخیره انرژی، وسایل نقلیه الکتریکی و محصولات الکترونیکی هوشمند همچنان در حال رشد است، اهمیت سیلیکون درجه متالورژی-بیش از پیش برجسته می شود، که همچنین فرصت های جدیدی را برای ارتقاء صنعتی و توسعه فناوری حفاظت از محیط زیست به ارمغان می آورد.