תהליך התכת מתכת סיליקון: הפחתת פחמימות בתנור קשת שקוע

סקירה כללית של תהליך מתכת הסיליקון

מתכת סיליקון מיוצרת על ידי הפחתת פחמימות: קוורץ מותך עם חומר מפחית פחמי בכבשן קשת שקוע, המתואר גם ככבשן חום מינרלי. ההפחתה מתרחשת בטמפרטורה גבוהה במטען המקיף את קצות האלקטרודה, והסיליקון הנוזלי נאסף בתחתית הכבשן לפני הקשה.

חומר הריח הראשון- הוא סיליקון מתכתי בטוהר של כ-97% עד 98%, המתאים לסגסוגת אלומיניום ולשימושי יציקה ומטלורגים רבים. כדי להגיע לדרגה כימית, המתכת מזוקקת להסרת אלומיניום, סידן וברזל, ומעניקה סיליקון בטוהר של 99.7% עד 99.8% עבור סיליקונים, חומרי גלם של מוליכים למחצה ודרכים כימיות אחרות. ייעודי הציונים בשימוש נרחב מבוססים על תכולת סיליקון מינימלית מובטחת, למשל Si99, Si99.5 ו-Si99.7 תחת GB/T 2881.

חומרי גלם ומפחיתים

למטען התנור יש שלושה תפקידים למילוי: מקור סיליקון, מקור פחמן ומבנה המאפשר לגז לברוח בזמן שהמטען יורד. השילוב הזה הוא מה שהופך את הכנת המטען לחלק הרגיש ביותר בתהליך.

מקור סיליקון: קוורץ או קוורציט עם תכולת דו תחמוצת הסיליקון גבוהה וברזל, אלומיניום וסידן נמוכים

חומר מפחית: קולה נפט לאפר נמוך ופחמן קבוע גבוה, פחם לתגובתיות ואפר נמוך, ופחם כרכיב תערובת-נמוך יותר

מבנה וחדירות: שבבי עץ או חומר פחמן מגושם אחר ששומר על המטען נקבובי ומוליך חשמלי

סיווג גודל: קוורץ נמעך ומסונן לטווח מבוקר, וחומרים מפחיתים מותאמים כך שהם לא מתבדלים או מגשרים בכבשן

גישור, הפרדה וקנסות מופרזים הם תקלות הטעינה הקלאסיות. גישור עוצר את ירידת המטען ומאלץ את החום כלפי מעלה, בעוד שההפרדה משבשת את הנתיב החשמלי בין האלקטרודה לאמבטיה. שניהם מנוהלים על ידי סינון ועל ידי שמירת היחס בין חומר גס לעדין ברצועה צרה.

תנור הקשת השקוע ותגובות ההתכה

תנור עגול או מלבני עם שלוש אלקטרודות פחמן -אפייה עצמית או אפויה מראש נושא את העומס. קצות האלקטרודה קבורים במטען, הקשת והחימום ההתנגדות של המטען מספקים את האנרגיה, וסיליקון מותך מצטבר מתחת לאזור התגובה.

ניתן לכתוב את ההפחתה הכוללת כך:

SiO₂+ 2C → Si + 2CO

במציאות ההמרה מתרחשת באמצעות שלבי ביניים, מכיוון שסיליקון חד חמצני וסיליקון קרביד לוקחים חלק:

SiO₂+ C → SiO (גז) + CO

SiO + C → Si + CO

SiO₂+ 3C → SiC + 2CO

SiC + SiO → 2Si + CO

טמפרטורות התגובה באזור החם ביותר הן בדרך כלל סביב 1800 מעלות עד 2000 מעלות. סיליקון חד חמצני הנוצר בפנים יכול להימלט עם הגז- ולהתחמצן מחדש-לסיליקה עדינה, הנלכדת במפעל לניקוי הגז כמוצר לוואי- שניתן למכירה. פחמן חד חמצני יוצא מהכבשן דרך המטען ונשרף מעל פני המטען.

עדיפויות בקרת תהליכים

מיקום האלקטרודה וכניסת הכוח: המנוף הראשי על טמפרטורת האמבט ועל עומק אזור התגובה

מאזן פחמן: מעט מדי פחמן משאיר את הסיליקה לא מופחת, יותר מדי בונה סיליקון קרביד באח ובסופו של דבר חוסם אותו

תערובת מטען וחדירות: שולטת בריחת גז, חלוקת חום וסכנת גישור

לוח זמנים של הקשה: הקשה רגילה שומרת על רמת האח יציבה ומגבילה את כניסת הסיליקון מחדש- לאזור התגובה

עוצמת אנרגיה: התכת סיליקון היא אינטנסיבית בחשמל, וצריכה לטון מתכת היא אינדיקטור העלות והפליטה העיקריים של המפעל

תפוקה והתאוששות: יש למזער את הסיליקון שאבד כדקים בזרם הגז וכחומר לא מופחת בסיג

זיקוק מדרגת מטלורגית לכימית

סיליקון כבשן עם ניקיון של 97% עד 98% מכיל אלומיניום, סידן וברזל, הנאספים בעיקר מהקוורץ ומהאפר המפחית. הזיקוק מתבצע במצקת ולא בכבשן.

טיפול בחמצון: חמצן או אוויר מוזרקים למתכת הנוזלית, מחמצן אלומיניום וסידן עדיפות

טיפול בסלג: סיגים סינתטיים או תגובתיים סופגים את תוצרי התחמוצת ומורחים ממנו

זיקוק חוזר: מספר טיפולי מצקת ברצף מורידים את שאריות האלומיניום והסידן לרמות כימיקלים

התמצקות ויציקה כיוונית: התמצקות איטית יותר מעודדת הפרדת ברזל וזיהומים אחרים, כך שניתן להפריד את החומר הטהור ביותר

ריסוק והקרנה: המתכת המקוררת נשברת ומדורגת, ושברים מזוהמים מאוד מוסרים

לאחר הזיקוק, טוהר הסיליקון מגיע ל-99.7% עד 99.8%, המהווה את נקודת הכניסה לייצור סיליקון ולשדרוג נוסף לעבר דרגות אלקטרוניות.

טפסי יציקה, גודל ומוצר

מתכת מוצמדת נוצקת לתבניות או על מצע יציקה, מתקררת ואז נמעכת. מכיוון שהסיליקון שביר, המתכת מתפרקת לגושים נקיים ולא לשבבים רקיעים, והמפעל מסנן את המוצר לשברים בגודל מוגדר.

גדלי גושים לשימוש מתכות ותעשיית האלומיניום

קנס ושברי אבקה שנוצרו במהלך ריסוק והקרנה

ארוז בשקיות, תופים או שקיות בתפזורת עם הגנה מפני לחות, מכיוון שאבקת סיליקון עדינה יכולה להתחמצן לאט בחנות לחה

ציונים ואזורי יישום

חומר שנבחר עבור יישום ספציפי חייב להתאים לגבולות הטומאה של אותו שימוש, לא רק לתכולת הסיליקון: אלומיניום וסידן הם היסודות שמחליטים לרוב אם כמות קבילה להמרה כימית.

שאלות נפוצות

ש: איזה טוהר מייצר תנור קשת שקוע ישירות?
הכבשן מספק סיליקון מתכות ברמת טוהר של בערך 97% עד 98%. דרגת כימיקלים, של 99.7% עד 99.8%, מושגת רק לאחר זיקוק מצקת להסרת אלומיניום, סידן וברזל.

ש: מדוע לעתים קרובות מעורבב קולה נפט עם פחם כמפחית?
קוק נפט מציע פחמן קבוע גבוה ואפר נמוך, בעוד שפחם מגיב יותר ועוזר לשמור על חדירות מטען. מיזוג שני האיזונים תגובתיות, עלות ועומס הטומאה הנכנס לכבשן.

ש: מדוע יצירת סיליקון קרביד מהווה בעיה בכבשן?
סיליקון קרביד הוא חומר ביניים רגיל, אך אם מאזן הפחמן גבוה מדי הוא מצטבר באח. הבנייה-מפחיתה את נפח העבודה, משבשת את חלוקת הזרם ובסופו של דבר מחייבת את ניקוי התנור.

ש: מה קורה לגז המופעל-?
פחמן חד חמצני עוזב את המטען ונשרף על פני השטח, והסיליקה העדינה הנישאת עם הגז נאספת במערכת ניקוי הגז. מיקרוסיליקה זו היא מוצר אחר שניתן למכירה-בשימוש ביישומי עקשן ובטון.

ש: מדוע צריך להקפיד על גודל קוורץ כל כך?
קוורץ עדין מאוד חוסם בריחת גזים וקוורץ גס מאוד יוצא מאזור התגובה לפני שהוא מצטמצם. טווח גודל מבוקר שומר על חדיר המטען ומאפשר לגז לעבור בזמן שהמטען יורד בהתמדה סביב האלקטרודות.

ש: עד כמה ייצור מתכת סיליקון עתיר אנרגיה?
זהו אחד מתהליכי ההיתוך-האינטנסיביים ביותר בחשמל, מכיוון שההפחתה דורשת טמפרטורות מתמשכות קרוב ל-2000 מעלות צלזיוס. צריכת החשמל לטון היא גורם העלות השולט, ומפעלים ממוקמים בדרך כלל היכן שהכוח יציב ובמחיר תחרותי.