Panoramica del processo del silicio metallico
Il silicio metallico è prodotto mediante riduzione carbotermica: il quarzo viene fuso con un riducente carbonioso in un forno ad arco sommerso, descritto anche come forno a calore minerale. La riduzione avviene ad alta temperatura nella carica che circonda le punte degli elettrodi, e il silicio liquido si raccoglie sul fondo del forno prima di essere spillato.
Il materiale di prima-fusione è il silicio di grado metallurgico con una purezza compresa tra circa il 97% e il 98%, adatto per le leghe di alluminio e per molti usi metallurgici e di fonderia. Per raggiungere il grado chimico, il metallo viene raffinato per rimuovere alluminio, calcio e ferro, conferendo al silicio una purezza compresa tra il 99,7% e il 99,8% per siliconi, materie prime per semiconduttori e altri percorsi chimici. Le designazioni dei gradi ampiamente utilizzate si basano su un contenuto minimo garantito di silicio, ad esempio Si99, Si99.5 e Si99.7 secondo GB/T 2881.
Materie prime e riducenti
La carica del forno ha tre ruoli da ricoprire: una fonte di silicio, una fonte di carbonio e una struttura che lascia fuoriuscire il gas mentre la carica scende. Questa combinazione è ciò che rende la preparazione della carica la parte più delicata del processo.
Fonte di silicio: quarzo o quarzite ad alto contenuto di biossido di silicio e basso contenuto di ferro, alluminio e calcio
Riducente: coke di petrolio per un basso contenuto di ceneri e un alto contenuto di carbonio fisso, carbone per reattività e basso contenuto di ceneri e carbone come componente della miscela a-costo inferiore
Struttura e permeabilità: trucioli di legno o altro materiale ingombrante di carbonio che mantiene la carica porosa ed elettricamente conduttiva
Classificazione dimensionale: il quarzo viene frantumato e vagliato in un intervallo controllato e i riducenti vengono dimensionati in modo da non segregarsi o formare ponti nel forno
Bridging, segregazione e multe eccessive sono i classici errori di imputazione. Il collegamento a ponte arresta la discesa della carica e spinge il calore verso l'alto, mentre la segregazione disturba il percorso elettrico tra l'elettrodo e il bagno. Entrambi vengono gestiti mediante vagliatura e mantenendo il rapporto tra materiale grossolano e fine entro una fascia ristretta.
Il forno ad arco sommerso e le reazioni di fusione
Il carico è sostenuto da un forno circolare o rettangolare con tre elettrodi di carbonio auto-cotti o precotti. Le punte degli elettrodi sono sepolte nella carica, l'arco e il riscaldamento resistivo della carica forniscono l'energia e il silicio fuso si accumula sotto la zona di reazione.
La riduzione complessiva può essere scritta come:
SiO2+ 2C → Si + 2CO
In realtà la conversione avviene per passaggi intermedi, poiché vi partecipano sia monossido di silicio che carburo di silicio:
SiO2+ C → SiO (gas) + CO
SiO + C → Si + CO
SiO2+ 3C → SiC + 2CO
SiC + SiO → 2Si + CO
Le temperature di reazione nella zona più calda sono generalmente comprese tra 1800 e 2000 gradi. Il monossido di silicio generato all'interno può fuoriuscire con i gas di scarico ed essere riossidato in silice fine, che viene catturata nell'impianto di depurazione del gas come sottoprodotto vendibile. Il monossido di carbonio lascia il forno attraverso la carica e viene bruciato sopra la superficie della carica.
Priorità di controllo del processo
Posizione dell'elettrodo e potenza assorbita: la leva principale è sulla temperatura del bagno e sulla profondità della zona di reazione
Bilancio del carbonio: troppo poco carbonio lascia la silice non ridotta, troppo accumula carburo di silicio nel focolare e alla fine lo blocca
Miscela di carica e permeabilità: controlla la fuga di gas, la distribuzione del calore e il rischio di ponti
Programma di prelievo: il prelievo regolare mantiene stabile il livello del cuore e limita il rientro del silicio-nella zona di reazione
Intensità energetica: la fusione del silicio richiede molta elettricità e il consumo per tonnellata di metallo è l’indicatore chiave di costo e di emissioni dell’impianto
Resa e recupero: il silicio perso come parti fini nel flusso di gas e come materiale non ridotto nelle scorie deve essere ridotto al minimo
Raffinazione dal grado metallurgico a quello chimico
Il silicio del forno, prelevato con una purezza compresa tra il 97% e il 98%, contiene alluminio, calcio e ferro, raccolti principalmente dal quarzo e dalle ceneri riducenti. La raffinazione avviene nella siviera anziché nel forno.
Trattamento ossidante: nel metallo liquido viene iniettato ossigeno o aria, ossidando preferibilmente alluminio e calcio
Trattamento delle scorie: una scoria sintetica o reattiva assorbe i prodotti ossidi e viene scremata
Raffinazione ripetuta: diversi trattamenti in siviera in sequenza portano l'alluminio e il calcio residui a livelli di grado chimico
Solidificazione direzionale e colata: una solidificazione più lenta favorisce la separazione del ferro e di altre impurità, in modo che il materiale più puro possa essere separato
Frantumazione e vagliatura: il metallo raffreddato viene frantumato e classificato e le frazioni fortemente contaminate vengono rimosse
Dopo la raffinazione, la purezza del silicio raggiunge il 99,7%-99,8%, che rappresenta il punto di ingresso per la produzione di silicone e per l'ulteriore miglioramento verso i gradi elettronici.
Fusione, dimensionamento e forme del prodotto
Il metallo maschiato viene colato in stampi o su un letto di colata, raffreddato e quindi frantumato. Poiché il silicio è fragile, il metallo si rompe in grumi puliti anziché in trucioli duttili e l'impianto vaglia il prodotto in frazioni di dimensioni definite.
Dimensioni in pezzi per uso nell'industria metallurgica e dell'alluminio
Frazioni fini e di polvere generate durante la frantumazione e la vagliatura
Confezionato in sacchi, fusti o big bag con protezione dall'umidità, poiché la polvere fine di silicio può ossidarsi lentamente in un magazzino umido
Gradi e aree di applicazione
| Prodotto | Contenuto di silicio | Pratica dell'impurità | Utilizzo principale |
|---|---|---|---|
| Grado metallurgico, come filettato | circa 97-98% | massima indennità per ferro, alluminio e calcio | leghe di alluminio, metallurgia generale |
| Si99 | 99,0% minimo | limiti moderati su ferro e alluminio | leghe, disossidazione, uso chimico generale |
| Si99.5 | 99,5% minimo | limiti più stretti, calcio controllato | materie prime siliconiche, leghe di qualità superiore |
| Si99.7 | 99,7% minimo | basso contenuto di ferro, alluminio e calcio dopo la raffinazione | siliconi, intermedi chimici, materie prime elettroniche |
Il materiale selezionato per un'applicazione specifica deve corrispondere ai limiti di impurità di tale utilizzo, non solo al contenuto di silicio: alluminio e calcio sono gli elementi che più spesso decidono se un lotto è accettabile per la conversione chimica.
Domande frequenti
D: Quale purezza produce direttamente un forno ad arco sommerso?
Il forno fornisce silicio di grado metallurgico con una purezza compresa tra il 97% e il 98% circa. Il grado chimico, dal 99,7% al 99,8%, viene raggiunto solo dopo la raffinazione in siviera per rimuovere alluminio, calcio e ferro.
D: Perché il coke di petrolio viene spesso miscelato con il carbone come riducente?
Il coke di petrolio offre un alto contenuto di carbonio fisso e poche ceneri, mentre il carbone è più reattivo e aiuta a mantenere la permeabilità della carica. Miscelando i due equilibri tra reattività, costo e carico di impurità in ingresso nel forno.
D: Perché la formazione di carburo di silicio è un problema nel forno?
Il carburo di silicio è un normale intermedio, ma se il bilancio del carbonio è troppo alto si accumula nel focolare. L'accumulo-riduce il volume di lavoro, disturba la distribuzione della corrente e alla fine richiede la pulizia del forno.
D: Cosa succede al-gas di scarico?
Il monossido di carbonio abbandona la carica e brucia in superficie, mentre la silice fine trasportata dal gas viene raccolta nel sistema di depurazione del gas. La microsilice è un sottoprodotto vendibile-utilizzato in applicazioni refrattarie e concrete.
D: Perché il quarzo deve essere dimensionato con tanta attenzione?
Il quarzo molto fine blocca la fuga di gas, mentre il quarzo molto grosso lascia la zona di reazione prima di essere ridotto. Una gamma di dimensioni controllate mantiene la carica permeabile e lascia passare il gas mentre la carica scende costantemente attorno agli elettrodi.
D: Qual è il consumo energetico della produzione di silicio metallico?
È uno dei processi di fusione a maggior consumo di elettricità-perché la riduzione richiede temperature sostenute prossime ai 2000 gradi Celsius. Il consumo di elettricità per tonnellata è il fattore di costo determinante e gli impianti sono solitamente situati dove l’energia è stabile e a prezzi competitivi.
