Come viene prodotto il silicio di tipo industriale

Il silicio, il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre, è ampiamente utilizzato nella metallurgia, nelle leghe di alluminio, nei prodotti chimici, nelle batterie, nell'energia solare e nell'elettronica. In questa enorme catena industriale, il silicio di grado metallurgico (MG-Si) svolge il ruolo di materia prima di base ed è il punto di partenza di tutti i materiali di silicio di elevata-purezza (come il polisilicio e il silicio di grado elettronico).
 

Quindi, come viene estratto il silicio di grado metallurgico dal minerale di quarzo naturale? In questo articolo ti condurremo in un'analisi approfondita dell'intero processo di produzione del silicio industriale.

Il silicio di grado metallurgico è una materia prima in lega non-ferrosa ricca di silicio, con un contenuto di silicio compreso tra il 95% e il 99,5%. Solitamente si presenta sotto forma di grumi di colore grigio metallizzato, ma su richiesta può anche essere trasformato in prodotti granulari o in polvere.

Nonostante il nome "silicio metallico", il silicio di grado metallurgico- non è un metallo puro, ma una miscela di ferro (Fe), alluminio (Al), calcio (Ca) e altre impurità. Il contenuto di queste impurità ne determina l'ambito di applicazione e il valore di mercato.

Gli usi principali del silicio di grado metallurgico includono: disossidazione dell'acciaio, rinforzo della lega di alluminio, materie prime in lega di ferrosilicio, materie prime chimiche, additivi per batterie, materiali refrattari e materiali primari fotovoltaici e semiconduttori.

La materia prima principale per il silicio di grado metallurgico è il quarzo (SiO₂) o quarzite. Questi minerali contengono biossido di silicio ad elevata-purezza, che è la principale forma di silicio presente in natura.

Il processo di riduzione del biossido di silicio ha un'elevata soglia energetica grazie ai suoi legami Si-O molto stabili. Per realizzare la reazione di riduzione, il quarzo deve essere accuratamente miscelato con sostanze contenenti carbonio-(ad esempio, coke, carbone, trucioli di legno, carbone, ecc.) per formare una miscela di reazione. Queste fonti di carbonio sono in grado di reagire con l'ossigeno ad alte temperature per rilasciare silicio puro.

Il processo di produzione principale del silicio industriale è la reazione di riduzione carbotermica (CR) in un forno elettrico ad arco sommerso.

Ambiente di reazione ad alta-temperatura

La temperatura all'interno del forno viene generalmente mantenuta tra 1500 e 2000 gradi. Il forno si basa su elettrodi per condurre una forte corrente elettrica nella carica, creando una zona dell'arco ad alta-temperatura. Questa temperatura è sufficiente per innescare la seguente reazione principale: SiO₂ (solido) + 2C (solido) → Si (liquido) + 2CO (gas).

Nella carica avviene la reazione di riduzione tra silice e carbonio, producendo silicio liquido e monossido di carbonio gassoso.

Meccanismo di reazione a più-fasi

Il forno non è un ambiente di reazione omogeneo: le alte temperature nella zona centrale portano a reazioni rapide e alla formazione di grandi quantità di silicio liquido.

Temperature più basse nelle zone periferiche possono portare alla formazione del gas intermedio SiO (ossido di silicio).

Questi gas possono essere fatti reagire ulteriormente all'interno del forno per formare silicio oppure fuoriuscire dal forno per formare il sottoprodotto-fumi di silice.

Mantenimento della porosità della carica

Per garantire un flusso regolare di gas, lo strato reagente deve essere ben ventilato. Se lo strato di carica è troppo denso, l’efficienza di riduzione sarà ridotta e il consumo energetico aumenterà.

Dopo che il silicio liquido è confluito sul fondo del forno, viene spillato attraverso l'apertura del forno e deviato nella siviera o nel crogiolo. A questo punto, il silicio è solitamente in uno stato liquido ad alta-temperatura con impurità.

Nelle lavorazioni successive, il produttore effettua una raffinazione preliminare per controllare il contenuto di alluminio, calcio e altre impurità e per garantire che il prodotto rispetti le specifiche chimiche preimpostate.

Dopo la raffinazione iniziale, il silicio liquido viene colato in stampi e raffreddato per formare lingotti.

Una volta completato il raffreddamento, i lingotti verranno frantumati mediante apparecchiature di frantumazione meccanica, vagliati in base alle diverse dimensioni delle particelle (ad es. . 10-100 mm), imballati e preparati per la spedizione.

La qualità del silicio di grado metallurgico viene misurata dai seguenti aspetti: contenuto di Si (solitamente dal 95% al ​​99,5%); contenuto di impurità come Fe, Al e Ca; specifiche dimensionali e forma delle particelle; e stabilità compositiva da batch-a-batch.

I produttori solitamente conducono analisi spettrali e test fisici su ciascun lotto di silicio e rilasciano un rapporto di qualità (COA) per garantire che i clienti possano utilizzare il prodotto senza preoccupazioni.

Industria del ferro e dell'acciaio

Aggiunto all'acciaio come disossidante per rimuovere efficacemente l'ossigeno e migliorare la resistenza e la tenacità dell'acciaio.

Produzione di leghe di alluminio

Utilizzato per migliorare la robustezza, la resistenza alla corrosione e le prestazioni di fusione della lega di alluminio.

Industria chimica

Utilizzato come importante materia prima per la preparazione di silano, silicato, olio di silicone, resina siliconica e altri prodotti chimici.

Materiali della batteria

Utilizzato come additivo per gli anodi delle batterie agli ioni di litio- per migliorare la capacità e la durata della batteria.

Industria fotovoltaica e dei semiconduttori

Sebbene il silicio di grado metallurgico- non sia sufficientemente puro per essere utilizzato direttamente nell'elettronica-di fascia alta, può essere utilizzato come precursore di purificazione per la produzione di polisilicio o silicio di grado-chimico.

Refrattari

Ampiamente utilizzato in mattoni refrattari e compositi per forni ad alta temperatura-, ceramica e vetro.

Dal minerale di quarzo naturale ai lingotti di silicio di elevata{0}}purezza, il processo di produzione del silicio di grado metallurgico-integra tecnologie multidisciplinari come reazioni fisico-chimiche ad alta-temperatura, scienza dei materiali e controllo dei processi. Essendo il "processo di origine" della catena industriale dei materiali in silicio, la sua qualità e stabilità influiscono direttamente sulle prestazioni e sui costi delle applicazioni a valle.

Poiché la domanda globale di energia verde, stoccaggio dell'energia, veicoli elettrici e prodotti elettronici intelligenti continua a crescere, l'importanza del silicio di grado metallurgico- sta diventando sempre più evidente, il che offre anche nuove opportunità per il miglioramento industriale e lo sviluppo di tecnologie di protezione ambientale.