Silicon cấp công nghiệp được sản xuất như thế nào

Silicon, nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ trái đất, được sử dụng rộng rãi trong luyện kim, hợp kim nhôm, hóa chất, pin, năng lượng mặt trời và điện tử. Trong chuỗi công nghiệp khổng lồ này, Silicon cấp luyện kim (MG{1}}Si) đóng vai trò là nguyên liệu thô cơ bản và là điểm khởi đầu của tất cả các vật liệu silicon có độ tinh khiết cao-(như polysilicon và silicon cấp điện tử).
 

Vậy Silicon cấp luyện kim được chiết xuất từ ​​quặng thạch anh tự nhiên như thế nào? Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đưa bạn đi sâu vào quy trình sản xuất silicon công nghiệp hoàn chỉnh.

Silicon loại luyện kim là một-nguyên liệu thô hợp kim màu, giàu silicon, có hàm lượng silicon từ 95% đến 99,5%. Nó thường ở dạng cục kim loại màu xám, nhưng cũng có thể được chế biến thành các sản phẩm dạng hạt hoặc dạng bột theo yêu cầu.

Mặc dù có tên là "kim loại silic", nhưng silic cấp{0}} luyện kim không phải là kim loại nguyên chất mà là hỗn hợp của sắt (Fe), nhôm (Al), canxi (Ca) và các tạp chất khác. Nội dung của các tạp chất này xác định phạm vi ứng dụng và giá trị thị trường của nó.

Các ứng dụng chính của silicon loại luyện kim bao gồm: khử oxy thép, gia cố hợp kim nhôm, nguyên liệu hợp kim ferrosilicon, nguyên liệu hóa học, phụ gia pin, vật liệu chịu lửa, vật liệu quang điện và bán dẫn sơ cấp.

Nguyên liệu thô chính cho silicon loại luyện kim là thạch anh (SiO₂) hoặc thạch anh. Những khoáng chất này chứa-silicon dioxide có độ tinh khiết cao, là dạng silicon chính được tìm thấy trong tự nhiên.

Quá trình khử silicon dioxide có ngưỡng năng lượng cao do liên kết Si{0}}O rất ổn định. Để thực hiện phản ứng khử, thạch anh cần được trộn kỹ với các chất-có chứa carbon (ví dụ: than cốc, than đá, dăm gỗ, than củi, v.v.) để tạo thành hỗn hợp phản ứng. Những nguồn carbon này có khả năng phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao để giải phóng silicon nguyên chất.

Quy trình sản xuất cốt lõi của silicon công nghiệp là phản ứng Giảm nhiệt cacbon (CR) trong lò hồ quang điện chìm.

Môi trường phản ứng nhiệt độ-cao

Nhiệt độ bên trong lò thường được duy trì ở mức 1500 đến 2000 độ. Lò nung dựa vào các điện cực để dẫn dòng điện mạnh vào điện tích, tạo ra vùng hồ quang có nhiệt độ-cao. Nhiệt độ này đủ để tạo ra phản ứng chính sau: SiO₂ (rắn) + 2C (rắn) → Si (lỏng) + 2CO (khí).

Trong điện tích, phản ứng khử giữa silica và carbon diễn ra, tạo ra silicon lỏng và khí carbon monoxide.

Cơ chế phản ứng nhiều{0}}giai đoạn

Lò nung không phải là môi trường phản ứng đồng nhất: Nhiệt độ cao ở khu vực trung tâm dẫn đến phản ứng nhanh và hình thành một lượng lớn silicon lỏng.

Nhiệt độ thấp hơn ở các khu vực ngoại vi có thể dẫn đến sự hình thành khí trung gian SiO (Silicon Oxide).

Những khí này có thể được phản ứng thêm trong lò để tạo thành silicon hoặc thoát ra khỏi lò để tạo thành-sản phẩm phụ Silica Fume.

Duy trì độ xốp của điện tích

Để đảm bảo dòng khí chảy trơn tru, lớp chất phản ứng phải được thông gió tốt. Nếu lớp điện tích quá dày đặc, hiệu suất khử sẽ giảm và mức tiêu thụ năng lượng sẽ tăng lên.

Sau khi silicon lỏng hội tụ ở đáy lò, nó được gõ qua cửa lò và chuyển vào muôi hoặc nồi nấu kim loại. Tại thời điểm này, silicon thường ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ-cao và có lẫn tạp chất.

Trong quá trình xử lý tiếp theo, nhà sản xuất tiến hành tinh chế sơ bộ để kiểm soát hàm lượng nhôm, canxi và các tạp chất khác, đồng thời đảm bảo sản phẩm đáp ứng các thông số hóa học đã đặt ra.

Sau quá trình tinh chế ban đầu, silicon lỏng được đổ vào khuôn và làm nguội để tạo thành thỏi.

Sau khi làm nguội xong, các thỏi sẽ được nghiền bằng thiết bị nghiền cơ học, sàng lọc theo các kích cỡ hạt khác nhau (ví dụ:{1}}mm), đóng gói và chuẩn bị vận chuyển.

Chất lượng của silicon loại luyện kim được đo bằng các khía cạnh sau: Hàm lượng Si (thường là 95% đến 99,5%); hàm lượng tạp chất như Fe, Al, Ca; thông số kích thước hạt và hình dạng hạt; và độ ổn định của thành phần theo lô-đến-hàng loạt.

Các nhà sản xuất thường tiến hành phân tích quang phổ và kiểm tra vật lý trên từng lô silicon, đồng thời đưa ra báo cáo chất lượng (COA) để đảm bảo khách hàng có thể yên tâm sử dụng sản phẩm.

Ngành sắt thép

Được thêm vào thép như một chất khử oxy để loại bỏ oxy một cách hiệu quả và tăng cường độ bền và độ dẻo dai của thép.

Sản xuất hợp kim nhôm

Được sử dụng để cải thiện độ bền, khả năng chống ăn mòn và hiệu suất đúc của hợp kim nhôm.

Công nghiệp hóa chất

Được sử dụng làm nguyên liệu thô quan trọng để điều chế silane, silicat, dầu silicon, nhựa silicon và các sản phẩm hóa học khác.

Vật liệu pin

Được sử dụng làm chất phụ gia cho cực dương của pin lithium{0}}ion để nâng cao dung lượng và tuổi thọ của pin.

Công nghiệp quang điện và bán dẫn

Mặc dù silicon cấp luyện kim-không đủ tinh khiết để sử dụng trực tiếp trong các thiết bị điện tử-cao cấp nhưng nó có thể được sử dụng làm tiền chất tinh chế để sản xuất silicon cấp polysilicon hoặc hóa học-.

Vật liệu chịu lửa

Được sử dụng rộng rãi trong gạch chịu lửa và vật liệu tổng hợp cho lò sưởi, gốm sứ và thủy tinh có nhiệt độ cao.

Từ quặng thạch anh tự nhiên đến các thỏi silicon có độ tinh khiết cao-, quy trình sản xuất silicon cấp luyện kim- tích hợp các công nghệ đa ngành như phản ứng hóa lý ở nhiệt độ-cao, khoa học vật liệu và kiểm soát quy trình. Là "quy trình nguồn" của chuỗi công nghiệp vật liệu silicon, chất lượng và độ ổn định của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chi phí của các ứng dụng hạ nguồn.

Khi nhu cầu toàn cầu về năng lượng xanh, lưu trữ năng lượng, xe điện và sản phẩm điện tử thông minh tiếp tục tăng, tầm quan trọng của silicon cấp luyện kim-ngày càng trở nên nổi bật, điều này cũng mang đến những cơ hội mới cho việc nâng cấp công nghiệp và phát triển công nghệ bảo vệ môi trường.