Metallisk silisium, også kalt industrielt silisium eller silisiummetall, er basismaterialet bak aluminiumslegeringer, silikoner, polysilisiumråstoff og en stor andel av moderne stålproduksjonstilsetninger. Nesten alt produseres på samme måte: karbotermisk reduksjon av kvarts i en nedsenket lysbueovn. Kjemien er enkel, men ovnspraksis, ladningsforberedelse og raffineringstrinn avgjør om produktet ender opp som en 98 % metallurgisk kvalitet eller en 99,7 % kjemisk kvalitet.
Karbotermisk reduksjon: kjernekjemien
Den generelle reaksjonen er reduksjonen av silika med karbon:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Reaksjonen er sterkt endoterm og foregår kun med en nyttig hastighet i den varmeste delen av ovnen, hvor temperaturen i reaksjonssonen når omtrent 1800 grader til 2000 grader. I praksis skjer ikke konverteringen i et enkelt trinn. Silika reduseres først til gassformig silisiummonoksid, som stiger gjennom ladningen og reduseres ytterligere av karbon til silisium:
SiO2 + C → SiO + CO (første trinn, i reaksjonssonen)
SiO + C → Si + CO (andre trinn, i ladningskolonnen)
Fordi en del av silisiumet forlater reaksjonssonen som SiO-damp og slipper ut med-avgassen, er prosessen i seg selv mindre enn perfekt effektiv, og en del av silisiumet går tapt som et fint silisiumdioksyd-biprodukt. Kjemien forklarer også hvorfor prosessen beskrives som slagg-fri: med rene råvarer er reduksjonsproduktene flytende silisium og karbonmonoksid, uten bulkslaggfase å tappe.
Råvarer og ladningsforberedelse
| Inndata | Rolle | Praktisk krav |
|---|---|---|
| Kvarts eller kvartsitt | Silisiumkilde | Høyt SiO2-innhold, kontrollert klumpstørrelse, lite jern og alumina |
| Petroleumskoks | Primær reduksjonsmiddel | Lite aske, lite svovel, forutsigbart fast karbon |
| Kull eller flis | Reduksjonsmiddel og ladningspermeabilitet | Holder byrden porøs slik at gass kan unnslippe |
| Lite-askekull | Supplerende karbon | Kontrollert askekjemi for å begrense spor av urenheter |
| Karbonelektroder | Energitilførsel | Selv-bakt eller forhåndsbakt, matet kontinuerlig |
Karaktervalg starter ved steinbruddet. Veldig ren kvarts med store reserver og billig elektrisitet i nærheten er det konvensjonelle råstoffet; materiale som er bedre egnet til glass eller til smykkeprodukter-, blir vanligvis omdirigert dit. Ladningsforberedelse balanserer deretter forholdet mellom karbon-til-silika, fordi mangel på karbon etterlater ureagert silisium og et overskudd øker oppbyggingen av silisiumkarbid- i ovnens ildsted. Kvarts skjermes til en kontrollert størrelsesfordeling slik at belastningen holder en stabil permeabilitet fra elektrodespissen til ovnstoppen.
Nedsenket bueovn drift og tapping
Silisiumovner bygges vanligvis i området 10 til 30 MVA og opererer med elektrodene nedsenket i ladningen, noe som skiller dem fra smelting med åpen-bue. Buen gir varmen, ladningskolonnen filtrerer gassen, og skorpen over reaksjonssonen holder prosessen stort sett forseglet. Operatører kontrollerer elektrodeposisjon, ladeblanding og tapperytme, og overvåker av-gassen for tegn på ubalansert reduksjon.
Smeltet silisium samler seg ved ildstedet og tappes med jevne mellomrom gjennom et tappehull inn i en øse. Tappetemperaturen er høy, typisk 1600 grader og over, og metallet håndteres raskt fordi det begynner å fryse så snart det forlater ovnen. Ovnskampanjens levetid begrenses hovedsakelig av erosjon av ildstedet og av silisiumkarbidakkumulering, som begge avhenger av hvor godt ladningsbalansen holdes.
Raffinering, støping og karakterer
Silisium tappet rett fra ovnen er vanligvis 97 % til 99 % rent og er egnet for metallurgisk bruk som deoksidering og legering. Høyere kvaliteter produseres ved å raffinere det flytende metallet, typisk ved øsebehandling med oksygen eller luft og ved å tilsette en syntetisk slagg for å oksidere aluminium og kalsium til en fjernbar fase. Slik oppnås renheten på 99,7 % til 99,8 % som kreves for kjemiske og elektroniske applikasjoner.
| Typisk karakterbetegnelse | Fe, maks | Al, maks | Ca, maks | Vanlig applikasjon |
|---|---|---|---|---|
| Si5530 | 0.5 % | 0.5 % | 0.3 % | Metallurgisk deoksidering, generell bruk |
| Si4410 | 0.4 % | 0.4 % | 0.1 % | Aluminiumslegeringer, generell kjemisk bruk |
| Si3303 | 0.3 % | 0.3 % | 0.03 % | Silikoner, legeringer av høyere-kvalitet |
| Si2202 | 0.2 % | 0.2 % | 0.02 % | Kjemisk og polysilisium råstoff |
| Si1101 | 0.1 % | 0.1 % | 0.01 % | Elektronikk og fotovoltaisk råstoff |
I disse betegnelsene gir sifrene det maksimale jern-, aluminium- og kalsiuminnholdet etter tur, med det siste sifferet som uttrykker kalsium i hundredeler av en prosent, så Si3303 er silisium med jern og aluminium hver begrenset til 0,3 % og kalsium til 0,03 %. Tilsvarende krav til generell industrisilisium er fastsatt i GB/T 25135. Etter raffinering støpes metallet til ingots eller brytes til klump, deretter siktes til størrelsesfraksjonene som brukes nedstrøms: 10 til 100 mm klump for legering, fint pulver for kjemisk industri.
Energiforbruk, avkastning og-biprodukter
Silisiumsmelting er en av de mest elektrisitetsintensive-metallurgiske prosessene. Vanligvis rapporteres forbruket til rundt 11 til 13 MWh per tonn tappet silisium, som er grunnen til at smelteverk er lokalisert der kraften er både billig og pålitelig, og hvorfor driftsstabilitet har en direkte effekt på kostnadene. Utbytte avhenger av balansen i ladningen, av tap av silisiummonoksid i avgassen- og av hvor mye silisium som rapporterer til ovnens ildsted i stedet for til støvsystemet.
Avgassen- bærer fin silika, samlet som mikrosilika, som er et verdsatt biprodukt for ildfaste og betongapplikasjoner. Silisiumet som forlater ovnen som damp og finstoffet som genereres under knusing, både gjenvinnes og returneres til prosessen der det er mulig, så et veldrevet anlegg behandler silisiumtap som et råvareproblem i stedet for et uunngåelig avfall.
FAQ
Spørsmål: Hva er forskjellen mellom metallisk silisium og ferrosilisium?
A: Metallisk silisium er i hovedsak det rene elementet, typisk 98 % og over, produsert av kvarts alene. Ferrosilisium er en legering av silisium og jern, normalt 45 % til 75 % silisium, produsert med en jernkilde i ladningen og brukes hovedsakelig til ståldeoksidering og støpeinokulering.
Spørsmål: Hvorfor er prosessen beskrevet som slagg-fri?
A: Med ren kvarts og lav-aske-reduksjonsmiddel er reduksjonsproduktene flytende silisium og karbonmonoksid, så ingen separat bulkslagg må tappes og kastes. Urenheter fjernes senere under øseraffinering.
Spørsmål: Ved hvilken temperatur finner silisiumreduksjonen sted?
A: Den nyttige reaksjonshastigheten krever en reaksjons-sonetemperatur på omtrent 1800 grader til 2000 grader, og det er grunnen til at nedsenket lysbueovnssmelting i stedet for konvensjonell kuppelsmelting brukes.
Spørsmål: Hvordan økes renheten til metallisk silisium til 99,7 %?
A: Det tappet metall raffineres i øsen, vanligvis med oksygen eller luft og et syntetisk oksiderende slagg, som driver aluminium og kalsium inn i en uttagbar fase. Resultatet er den høyere-renhetsgraden som kreves av kjemisk industri og elektronikkindustri.
Spørsmål: Hva gjør metallisk silisiumpulver i støping og stålproduksjon?
A: Det fungerer som et deoksidasjonsmiddel, og kombineres med oppløst oksygen for å danne silika som flyter ut av smelten. Silisium styrker også stål gjennom fast løsning og tilsettes som legeringselement i spesialstål.
Spørsmål: Hvilken størrelse metallisk silisium leveres normalt?
A: Standard klump er siktet til ca. 10 til 100 mm for legering og omsmelting, mens fine kvaliteter og pulver produseres for kjemisk syntese og for applikasjoner hvor rask oppløsning er nødvendig.
