Kuinka teollisuuslaatuista piitä valmistetaan

Piitä, maankuoren toiseksi yleisin alkuaine, käytetään laajalti metallurgiassa, alumiiniseoksissa, kemikaaleissa, akuissa, aurinkoenergiassa ja elektroniikassa. Tässä valtavassa teollisuusketjussa Metallurgical Grade Silicon (MG-Si) toimii perusraaka-aineena ja on kaikkien erittäin -puhtaiden piimateriaalien (kuten polypiin ja elektronisen piin) lähtökohta.
 

Joten, miten metallurgisen luokan pii uutetaan luonnollisesta kvartsimalmista? Tässä artikkelissa viemme sinut syvään sukellukseen teollisuuspiin koko tuotantoprosessiin.

Metallurginen pii on ei-{0}}rautametalliseos, jossa on runsaasti piitä ja jonka piipitoisuus on 95–99,5 %. Se on yleensä harmaiden metallipakkausten muodossa, mutta voidaan pyynnöstä myös jalostaa rakeisiksi tai jauhetuiksi tuotteiksi.

Huolimatta nimestä "piimetalli", metallurginen -laadun pii ei ole puhdasta metallia, vaan raudan (Fe), alumiinin (Al), kalsiumin (Ca) ja muiden epäpuhtauksien seos. Näiden epäpuhtauksien pitoisuus määrää sen käyttöalueen ja markkina-arvon.

Metallurgisen piin pääasiallisia käyttökohteita ovat: teräksen hapettumisenesto, alumiiniseosvahvistus, ferrosiilejeerinkiraaka-aineet, kemialliset raaka-aineet, akkujen lisäaineet, tulenkestävät materiaalit sekä ensisijaiset aurinkosähkö- ja puolijohdemateriaalit.

Metallurgisen piin pääraaka-aine on kvartsi (SiO₂) tai kvartsiitti. Nämä mineraalit sisältävät korkean-puhtauden piidioksidia, joka on luonnossa esiintyvän piin pääasiallinen muoto.

Piidioksidin pelkistysprosessilla on korkea energiakynnys sen erittäin stabiilien Si-O-sidosten vuoksi. Pelkistysreaktion toteuttamiseksi kvartsi on sekoitettava perusteellisesti hiiltä sisältävien aineiden kanssa (esim. koksi, kivihiili, puuhake, puuhiili jne.) reaktioseoksen muodostamiseksi. Nämä hiililähteet pystyvät reagoimaan hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa vapauttaen puhdasta piitä.

Teollisen piin ydinvalmistusprosessi on hiilidioksidin pelkistys (CR) reaktio upotetussa valokaariuunissa.

Korkean{0}}lämpötilan reaktioympäristö

Lämpötila uunin sisällä pidetään tyypillisesti 1500-2000 asteessa. Uuni käyttää elektrodeja, jotka johtavat voimakkaan sähkövirran varaukseen, mikä luo korkean lämpötilan kaarivyöhykkeen. Tämä lämpötila riittää käynnistämään seuraavan pääreaktion: SiO₂ (kiinteä) + 2C (kiinteä) → Si (neste) + 2CO (kaasu).

Panoksessa tapahtuu piidioksidin ja hiilen välinen pelkistysreaktio, jolloin syntyy nestemäistä piitä ja hiilimonoksidikaasua.

Monivaiheinen reaktiomekanismi

Uuni ei ole homogeeninen reaktioympäristö: Keskialueen korkeat lämpötilat johtavat nopeisiin reaktioihin ja suurien määrien nestemäisen piin muodostumiseen.

Alemmat lämpötilat reuna-alueilla voivat johtaa välikaasun SiO (Piioksidi) muodostumiseen.

Nämä kaasut voivat joko reagoida edelleen uunissa piin muodostamiseksi, tai ne voivat poistua uunista muodostaen sivutuotteen piidioksidihöyryä.

Varauksen huokoisuuden säilyttäminen

Kaasujen tasaisen virtauksen varmistamiseksi reagenssikerroksen on oltava hyvin tuuletettu. Jos varauskerros on liian tiheä, vähennystehokkuus heikkenee ja energiankulutus kasvaa.

Kun nestemäinen pii on konvergoitunut uunin pohjalle, se koputetaan uunin aukon läpi ja ohjataan senkkaan tai upokkaan. Tässä vaiheessa pii on yleensä korkeassa-lämpötilassa, nestemäisessä tilassa, jossa on epäpuhtauksia.

Myöhemmässä käsittelyssä valmistaja suorittaa esijalostuksen, jolla valvotaan alumiinin, kalsiumin ja muiden epäpuhtauksien määrää ja varmistetaan, että tuote täyttää ennalta asetetut kemialliset vaatimukset.

Alkupuhdistuksen jälkeen nestemäinen pii kaadetaan muotteihin ja jäähdytetään harkkojen muodostamiseksi.

Jäähtymisen jälkeen harkot murskataan mekaanisilla murskauslaitteilla, seulotaan eri hiukkaskokojen mukaan (esim. . 10-100mm), pakataan ja valmistetaan kuljetusta varten.

Metallurgisen piin laatua mitataan seuraavilla seikoilla: Si-pitoisuus (yleensä 95-99,5 %); epäpuhtauksien, kuten Fe, Al ja Ca, pitoisuus; hiukkaskoon tiedot ja hiukkasten muoto; ja erästä-eriin-koostumuksen vakautta.

Valmistajat tekevät yleensä spektrianalyysin ja fyysisen testauksen jokaiselle piierälle ja laativat laaturaportin (COA) varmistaakseen, että asiakkaat voivat käyttää tuotetta huoletta.

Rauta- ja terästeollisuus

Lisätty teräkseen hapenpoistoaineena poistamaan tehokkaasti happea ja lisäämään teräksen lujuutta ja sitkeyttä.

Alumiiniseosten valmistus

Käytetään parantamaan alumiiniseoksen lujuutta, korroosionkestävyyttä ja valukykyä.

Kemianteollisuus

Käytetään tärkeänä raaka-aineena silaanin, silikaatin, silikoniöljyn, silikonihartsin ja muiden kemiallisten tuotteiden valmistuksessa.

Akun materiaalit

Käytetään lisäaineena litium{0}}ioni-akun anodeille akun kapasiteetin ja käyttöiän parantamiseksi.

Aurinkosähkö- ja puolijohdeteollisuus

Vaikka metallurginen{0}}pii ei ole riittävän puhdasta käytettäväksi suoraan huippuluokan-elektroniikassa, sitä voidaan käyttää puhdistuksen esiasteena polypiin tai kemiallisen -luokan piin tuotannossa.

Tulenkestävät aineet

Käytetään laajasti tulenkestävissä tiileissä ja komposiiteissa korkean lämpötilan uunien ahtaissa,{0}}keramiikassa ja lasissa.

Luonnonkvartsimalmista erittäin{0}}puhtaisiin piiharkoihin metallurgisen-laadun piin tuotantoprosessissa integroidaan monialaisia ​​teknologioita, kuten korkean lämpötilan fysikaalis-kemiallisia reaktioita, materiaalitieteitä ja prosessinohjausta. Piimateriaaliteollisuuden ketjun "lähdeprosessina" sen laatu ja vakaus vaikuttavat suoraan loppupään sovellusten suorituskykyyn ja kustannuksiin.

Vihreän energian, energian varastoinnin, sähköajoneuvojen ja älykkäiden elektroniikkatuotteiden globaalin kysynnän kasvaessa metallurgisen{0}}piin merkitys korostuu jatkuvasti, mikä tuo myös uusia mahdollisuuksia teollisuuden parantamiseen ja ympäristönsuojeluteknologian kehittämiseen.