Il silicio metallico, chiamato anche silicio industriale o silicio metallico, è il materiale di base dietro le leghe di alluminio, i siliconi, le materie prime in polisilicio e gran parte dei moderni additivi per la produzione dell'acciaio. Quasi tutto viene prodotto mediante lo stesso percorso: riduzione carbotermica del quarzo in un forno ad arco sommerso. La chimica è semplice, ma la pratica del forno, la preparazione della carica e le fasi di raffinazione determinano se il prodotto avrà un grado metallurgico al 98% o un grado chimico al 99,7%.
Riduzione carbotermica: la chimica di base
La reazione complessiva è la riduzione della silice da parte del carbonio:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
La reazione è fortemente endotermica e procede ad una velocità utile solo nella parte più calda del forno, dove la temperatura nella zona di reazione raggiunge circa 1800-2000 gradi. In pratica la conversione non avviene in un unico passaggio. La silice viene prima ridotta a monossido di silicio gassoso, che sale attraverso la carica e viene ulteriormente ridotto dal carbonio a silicio:
SiO2 + C → SiO + CO (primo stadio, nella zona di reazione)
SiO + C → Si + CO (secondo stadio, nella colonna di carica)
Poiché parte del silicio lascia la zona di reazione sotto forma di vapore di SiO e fuoriesce con il-gas di scarico, il processo è intrinsecamente meno che perfettamente efficiente e parte del silicio viene perso come sottoprodotto di silice fine-. La chimica spiega anche perché il processo viene descritto come privo di scorie-: con materie prime pulite i prodotti di riduzione sono silicio liquido e monossido di carbonio, senza alcuna fase di scorie da sfruttare.
Materie prime e preparazione della carica
| Ingresso | Ruolo | Requisito pratico |
|---|---|---|
| Quarzo o quarzite | Fonte di silicio | Elevato contenuto di SiO2, dimensione controllata dei grumi, basso contenuto di ferro e allumina |
| Coke di petrolio | Riducente primario | Basso contenuto di ceneri, basso contenuto di zolfo, carbonio fisso prevedibile |
| Carbone o trucioli di legno | Riducente e permeabilità di carica | Mantiene il carico poroso in modo che il gas possa fuoriuscire |
| Carbone a basso-ceneri | Carbonio supplementare | Chimica delle ceneri controllata per limitare le tracce di impurità |
| Elettrodi di carbonio | Apporto energetico | Auto-cottura o precotto, alimentazione continua |
La selezione della qualità inizia nella cava. La materia prima convenzionale è il quarzo molto puro con grandi riserve e elettricità a basso costo nelle vicinanze; il materiale più adatto al vetro o ai prodotti di qualità-gemma viene solitamente deviato lì. La preparazione della carica bilancia quindi il rapporto carbonio-e-silice, poiché una carenza di carbonio lascia silice non reagita e un eccesso aumenta l'accumulo di carburo di silicio-nel focolare del forno. Il quarzo viene selezionato secondo una distribuzione dimensionale controllata in modo che il carico mantenga una permeabilità stabile dalla punta dell'elettrodo alla parte superiore del forno.
Funzionamento e spillatura del forno ad arco sommerso
I forni per silicio sono generalmente costruiti nella gamma da 10 a 30 MVA e funzionano con gli elettrodi immersi nella carica, che è ciò che li distingue dalla fusione ad arco aperto-. L'arco fornisce il calore, la colonna di carica filtra il gas e la crosta sopra la zona di reazione mantiene il processo in gran parte sigillato. Gli operatori controllano la posizione degli elettrodi, la miscelazione della carica e il ritmo del prelievo, oltre a monitorare il gas in uscita-per individuare eventuali segni di riduzione sbilanciata.
Il silicio fuso si raccoglie nel focolare e viene periodicamente spillato attraverso un foro di rubinetto in un mestolo. La temperatura di spillatura è elevata, in genere 1600 gradi e oltre, e il metallo viene maneggiato rapidamente perché inizia a congelare non appena lascia il forno. La vita operativa del forno è limitata principalmente dall'erosione del rivestimento del focolare e dall'accumulo di carburo di silicio, entrambi i quali dipendono da quanto bene viene mantenuto il bilancio di carica.
Raffinazione, fusione e gradi
Il silicio estratto direttamente dal forno è solitamente puro dal 97% al 99% ed è adatto per usi metallurgici come la disossidazione e la lega. I gradi superiori vengono prodotti raffinando il metallo liquido, tipicamente mediante trattamento di siviera con ossigeno o aria e aggiungendo scorie sintetiche per ossidare l'alluminio e il calcio in una fase rimovibile. In questo modo si raggiunge la purezza dal 99,7% al 99,8% richiesta per le applicazioni chimiche ed elettroniche.
| Designazione tipica del grado | Fe, massimo | Al massimo | Ca, massimo | Applicazione abituale |
|---|---|---|---|---|
| Si5530 | 0.5 % | 0.5 % | 0.3 % | Disossidazione metallurgica, uso generale |
| Si4410 | 0.4 % | 0.4 % | 0.1 % | Leghe di alluminio, uso chimico generale |
| Si3303 | 0.3 % | 0.3 % | 0.03 % | Siliconi, leghe-di qualità superiore |
| Si2202 | 0.2 % | 0.2 % | 0.02 % | Materie prime chimiche e polisilicio |
| Si1101 | 0.1 % | 0.1 % | 0.01 % | Materie prime elettroniche e fotovoltaiche |
In queste designazioni le cifre danno a turno il contenuto massimo di ferro, alluminio e calcio, con la cifra finale che esprime il calcio in centesimi di percentuale, quindi Si3303 è silicio con ferro e alluminio ciascuno limitato allo 0,3% e calcio allo 0,03%. I requisiti equivalenti per il silicio industriale generale sono stabiliti nella norma GB/T 25135. Dopo la raffinazione, il metallo viene colato in lingotti o suddiviso in pezzi, quindi vagliato fino alle frazioni dimensionali utilizzate a valle: pezzi da 10 a 100 mm per la lega, polvere fine per l'industria chimica.
Consumo energetico, rendimento e-prodotti
La fusione del silicio è uno dei processi metallurgici-a maggior consumo di elettricità. Il consumo è comunemente riportato intorno agli 11-13 MWh per tonnellata di silicio estratto, motivo per cui le fonderie sono ubicate dove l’energia è economica e affidabile e perché la stabilità operativa ha un effetto diretto sui costi. La resa dipende dal bilanciamento della carica, dalle perdite di monossido di silicio nei gas di scarico-e dalla quantità di silicio inviata al focolare del forno invece che al sistema delle polveri.
Il-gas di scarico trasporta silice fine, raccolta come microsilice, che è un sottoprodotto-pregiato per applicazioni refrattarie e concrete. Il silicio che lascia il forno sotto forma di vapore e i fini generati durante la frantumazione vengono entrambi recuperati e reimmessi nel processo, ove possibile, quindi un impianto ben gestito considera le perdite di silicio come un problema di materia prima piuttosto che come uno spreco inevitabile.
Domande frequenti
D: Qual è la differenza tra silicio metallico e ferrosilicio?
R: Il silicio metallico è essenzialmente l'elemento puro, tipicamente al 98% e oltre, prodotto solo dal quarzo. Il ferrosilicio è una lega di silicio e ferro, normalmente dal 45% al 75% di silicio, prodotta con una fonte di ferro nella carica e utilizzata principalmente per la disossidazione dell'acciaio e l'inoculazione della fusione.
D: Perché il processo viene descritto come privo di scorie-?
R: Con i riducenti al quarzo pulito e a basso-cenere, i prodotti di riduzione sono silicio liquido e monossido di carbonio, pertanto non è necessario estrarre e smaltire scorie sfuse separate. Le impurità vengono rimosse successivamente durante la raffinazione in siviera.
D: A quale temperatura avviene la riduzione del silicio?
R: La velocità di reazione utile richiede una temperatura della zona- di reazione compresa tra circa 1800 e 2000 gradi, motivo per cui viene utilizzata la fusione in forno ad arco sommerso anziché la fusione in cubilotto convenzionale.
D: Come viene aumentata la purezza del silicio metallico al 99,7%?
R: Il metallo spillato viene raffinato in siviera, solitamente con ossigeno o aria e una scoria ossidante sintetica, che porta l'alluminio e il calcio in una fase rimovibile. Il risultato è il grado di purezza-più elevato richiesto dalle industrie chimiche ed elettroniche.
D: Cosa fa la polvere di silicio metallico nella fusione e nella produzione dell'acciaio?
R: Agisce come disossidante, combinandosi con l'ossigeno disciolto per formare silice che galleggia fuori dalla massa fusa. Il silicio rinforza anche l'acciaio attraverso la soluzione solida e viene aggiunto come elemento di lega negli acciai speciali.
D: Che misura di silicone metallico viene normalmente fornita?
R: Il pezzo standard viene vagliato a circa 10-100 mm per la lega e la rifusione, mentre vengono prodotti gradi e polveri fini per la sintesi chimica e per applicazioni in cui è richiesta una rapida dissoluzione.
