Cos'è la polvere di silicio metallico
La polvere di silicio metallico viene prodotta macinando il silicio metallico, che l'industria chiama anche silicio cristallino o silicio industriale. Il metallo stesso viene fuso in un forno ad arco elettrico sommerso da quarzo o quarzite e un riducente del carbonio come il coke, e il contenuto di silicio del prodotto risultante è tipicamente compreso tra il 98% e il 99% circa, con ferro, alluminio e calcio come impurità principali. Poiché la polvere viene prodotta mediante fresatura del metallo solido, la sua chimica corrisponde a quella del lingotto genitore; cambiano solo la forma fisica, la dimensione delle particelle e la superficie specifica. Le famiglie di prodotti in questo settore includono polvere di silicio metallico, scorie di silicio e silicio fuori grado.
Una distinzione è importante negli acquisti. La polvere di silicio metallico macinato è un prodotto metallico con un contenuto di silicio vicino al 98% e una dimensione delle particelle normalmente compresa tra circa 45 e 200 micrometri. Il fumo di silice, a volte chiamato impropriamente micropolvere di silicio, è un sottoprodotto estremamente fine raccolto dal gas del forno con particelle di un ordine di grandezza più piccole e una struttura amorfa. I due non sono intercambiabili in nessuna applicazione e il materiale deve essere sempre specificato in base alla chimica e alla dimensione delle particelle anziché con un nome colloquiale.
Gradi e controllo chimico
Il silicio metallico è classificato in base al contenuto combinato di ferro, alluminio e calcio. Designazioni standard come Si-553, Si-441, Si-3303 e Si-2202 codificano le percentuali massime consentite di questi tre elementi, quindi Si-553 consente fino a circa lo 0,5% di ferro, 0,5% di alluminio e 0,3% di calcio, mentre Si-2202 consente circa lo 0,2% di ciascuno. La selezione del grado viene normalmente concordata rispetto a GB/T 2881, con l'analisi chimica eseguita secondo le parti pertinenti della serie GB/T 14849.
La polvere viene dimensionata mediante setacciatura in tagli di maglia come 100, 200, 325 o 400 mesh, con un tessuto setacciato specificato in GB/T 6003.1 o ASTM E11, e la distribuzione delle dimensioni delle particelle può essere riportata mediante diffrazione laser per compiti critici. L'umidità, il contenuto di fini e il livello di ossidazione superficiale dovrebbero essere controllati, poiché un'elevata percentuale di ultrafini aumenta la formazione di polvere e le perdite di ossidazione durante la fusione.
Leghe e fusioni di alluminio
Il silicio è l'elemento di lega più importante nella fusione di alluminio. La maggior parte delle leghe di alluminio e silicio colato contengono silicio come aggiunta principale e l'elemento migliora la fluidità della fusione, riduce la lacerazione a caldo, riduce la porosità da ritiro e aumenta la resistenza all'usura nelle applicazioni su pistoni e cilindri. Le forme di polvere e bricchette vengono utilizzate per le aggiunte nei forni perché si dissolvono rapidamente e consentono un controllo più attento della composizione finale rispetto al materiale in pezzi di grandi dimensioni, in particolare nei piccoli forni a induzione e a crogiolo. Le leghe ipoeutettiche vengono solitamente modificate con sodio o stronzio, mentre le leghe ipereutettiche per pistoni si basano su una fase primaria di silicio controllata e necessitano di una chimica coerente della materia prima del silicio per mantenere riproducibile la struttura.
Acciaio, ferroleghe e usi metallurgici
Nella produzione dell'acciaio, il silicio agisce come disossidante. La sua affinità per l'ossigeno è superiore a quella del manganese, quindi le aggiunte di materiale contenente silicio riducono l'ossigeno disciolto e riducono il rischio di difetti di sfiatatoio. L'elemento aumenta inoltre la resistività elettrica e migliora la permeabilità magnetica negli acciai elettrici, motivo per cui i gradi di silicio vengono fusi in ferrosilicio anziché aggiunti direttamente.
Fusione del ferrosilicioconsuma la quota maggiore di silicio industriale come materia prima per la lega.
Riduzione silicotermicautilizza il silicio come agente riducente nella produzione di ferroleghe a basso contenuto di carbonio come ferrovanadio e ferromolibdeno, dove il carbonio sarebbe inaccettabile.
Inoculazione e nodularizzazionela pratica nelle fonderie di ferro si basa sull'aggiunta di cuscinetti di silicio per controllare la forma della grafite e la profondità del raffreddamento.
Disossidazione dell'alluminio e affinamento del granonella colata continua beneficia della costante chimica del silicio nella lega madre.
Refrattari, fonderia e usi edili
La polvere di silicio viene aggiunta a calcinabili refrattari, miscele da sparo e materiali da pigiatura, dove agisce sia come riempitivo fine che come antiossidante che protegge i mattoni legati al carbonio dall'ossidazione ad alta temperatura. Nei sistemi refrattari esposti alle scorie, un'aggiunta controllata di silicio promuove la formazione di un legame protettivo al carburo di silicio o all'ossinitruro di silicio. Le fonderie utilizzano la polvere nei rivestimenti di stampi e anime, nei manicotti montanti esotermici e in alcune formulazioni di flussi di saldatura, ed è presente anche in prodotti abrasivi e di attrito dove è richiesto un riempitivo duro e chimicamente stabile.
Materie prime per l'elettronica e i semiconduttori
Il silicio è il materiale di base dell'industria dei semiconduttori. La materia prima per il silicio monocristallino ultrapuro viene prodotta convertendo il silicio di grado metallurgico in triclorosilano e quindi depositando silicio purificato, un percorso che inizia dallo stesso silicio industriale discusso qui. I dispositivi elettronici costruiti su silicio monocristallino ad elevata purezza offrono dimensioni ridotte, peso ridotto, elevata affidabilità e lunga durata e tale catena di prestazioni dipende dal mantenimento della materia prima metallurgica priva di contaminazione da boro, fosforo e metalli di transizione.
Movimentazione, stoccaggio e sicurezza
La polvere fine di silicio è una polvere combustibile e può formare un'atmosfera esplosiva se dispersa nell'aria, pertanto i punti di trasferimento devono essere messi a terra, escludere fonti di accensione e prevedere un'estrazione locale. L'umidità deve essere tenuta lontana dalle aree di stoccaggio e deve essere evitato il contatto con alcali forti perché il silicio si dissolve in soluzione alcalina con sviluppo di idrogeno. La polvere deve essere conservata in condizioni asciutte e coperte e utilizzata secondo il normale regime di controllo della polvere applicato alle polveri metalliche reattive.
Domande frequenti
D: La polvere di silicio metallico è uguale al fumo di silice?
No. La polvere di silicio metallico macinato è silicio metallico con un contenuto di silicio vicino al 98% e particelle dell'ordine di decine o centinaia di micrometri, mentre il fumo di silice è un sottoprodotto amorfo ultrafine del gas di scarico del forno.
D: Cosa significa una designazione di qualità come Si-553?
Le cifre indicano il contenuto massimo di ferro, alluminio e calcio in decimi di percentuale, quindi Si-553 significa fino a circa lo 0,5% di ferro, 0,5% di alluminio e 0,3% di calcio.
D: Quale dimensione di maglia viene utilizzata per le leghe di alluminio?
I tagli grossolani da circa 100 a 200 mesh sono tipici per le aggiunte in forno, mentre 325 mesh e più fini sono riservati per applicazioni che richiedono una rapida dissoluzione o una dispersione fine.
D: La polvere di silicio funziona come disossidante per l'acciaio?
SÌ. Il silicio ha un'elevata affinità per l'ossigeno e riduce l'ossigeno disciolto nell'acciaio, ma di solito viene aggiunto come ferrosilicio anziché come polvere pura nella produzione dell'acciaio sfuso.
D: Come deve essere conservata la polvere?
Tenerlo asciutto e coperto, lontano da alcali forti e fonti di ignizione, e maneggiarlo con la messa a terra e l'aspirazione della polvere perché la polvere fine di silicio è una polvere combustibile.
D: Perché è importante il basso contenuto di boro?
Boro e fosforo sono impurità elettricamente attive che degradano le prestazioni dei semiconduttori, pertanto la materia prima per il silicio ad elevata purezza è specificata con limiti molto rigidi su entrambi gli elementi.
