ซิลิคอนเกรดอุตสาหกรรมผลิตขึ้นมาได้อย่างไร

ซิลิคอน ซึ่งเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสองในเปลือกโลก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านโลหะวิทยา โลหะผสมอะลูมิเนียม เคมีภัณฑ์ แบตเตอรี่ พลังงานแสงอาทิตย์ และอิเล็กทรอนิกส์ ในห่วงโซ่อุตสาหกรรมขนาดใหญ่นี้ ซิลิคอนเกรดโลหะ (MG-Si) มีบทบาทเป็นวัตถุดิบพื้นฐาน และเป็นจุดเริ่มต้นของวัสดุซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูง-ทั้งหมด (เช่น โพลีซิลิคอนและซิลิคอนเกรดอิเล็กทรอนิกส์)
 

แล้ว Metallurgical Grade Silicon สกัดจากแร่ควอตซ์ธรรมชาติได้อย่างไร? ในบทความนี้ เราจะพาคุณเจาะลึกถึงกระบวนการผลิตซิลิคอนอุตสาหกรรมโดยสมบูรณ์

ซิลิคอนเกรดโลหะวิทยาเป็นวัตถุดิบโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็ก-ซึ่งอุดมไปด้วยซิลิคอน โดยมีปริมาณซิลิคอนอยู่ระหว่าง 95% ถึง 99.5% โดยปกติจะอยู่ในรูปของก้อนโลหะสีเทา แต่ยังสามารถแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นเม็ดหรือผงได้ตามคำขอ

แม้จะเรียกว่า "โลหะซิลิคอน" แต่ซิลิคอนเกรดโลหะวิทยา-ก็ไม่ใช่โลหะบริสุทธิ์ แต่เป็นส่วนผสมของเหล็ก (Fe) อลูมิเนียม (Al) แคลเซียม (Ca) และสิ่งสกปรกอื่นๆ เนื้อหาของสิ่งเจือปนเหล่านี้จะกำหนดขอบเขตการใช้งานและมูลค่าตลาด

การใช้งานหลักของซิลิคอนเกรดโลหะวิทยา ได้แก่ การดีออกซิเดชันของเหล็ก การเสริมโลหะผสมอลูมิเนียม วัตถุดิบโลหะผสมเฟอร์โรซิลิกอน วัตถุดิบเคมี สารเติมแต่งแบตเตอรี่ วัสดุทนไฟ และวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และเซมิคอนดักเตอร์หลัก

วัตถุดิบหลักสำหรับซิลิคอนเกรดโลหะคือควอตซ์ (SiO₂) หรือควอตซ์ไซต์ แร่ธาตุเหล่านี้มี-ซิลิคอนไดออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งเป็นรูปแบบหลักของซิลิคอนที่พบในธรรมชาติ

กระบวนการรีดักชันของซิลิคอนไดออกไซด์มีเกณฑ์พลังงานสูงเนื่องจากมีพันธะ Si-O ที่เสถียรมาก เพื่อให้ทราบถึงปฏิกิริยารีดักชัน ควอตซ์จะต้องผสมให้เข้ากันกับสารที่มีคาร์บอน- (เช่น โค้ก ถ่านหิน เศษไม้ ถ่าน ฯลฯ) เพื่อสร้างส่วนผสมของปฏิกิริยา แหล่งคาร์บอนเหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงเพื่อปลดปล่อยซิลิคอนบริสุทธิ์ออกมา

กระบวนการผลิตหลักสำหรับซิลิคอนอุตสาหกรรมคือปฏิกิริยาการลดความร้อนจากความร้อน (CR) ในเตาอาร์คไฟฟ้าที่จมอยู่ใต้น้ำ

สภาพแวดล้อมปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง-

โดยทั่วไปอุณหภูมิภายในเตาเผาจะอยู่ที่ 1,500 ถึง 2,000 องศา เตาหลอมอาศัยอิเล็กโทรดเพื่อนำกระแสไฟฟ้าแรงเข้าสู่ประจุ ทำให้เกิดโซนอาร์กอุณหภูมิสูง- อุณหภูมินี้เพียงพอที่จะขับเคลื่อนปฏิกิริยาหลักต่อไปนี้: SiO₂ (ของแข็ง) + 2C (ของแข็ง) → Si (ของเหลว) + 2CO (ก๊าซ)

ในประจุนี้ ปฏิกิริยารีดักชันระหว่างซิลิกาและคาร์บอนเกิดขึ้น ทำให้เกิดซิลิคอนเหลวและก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์

กลไกปฏิกิริยาหลาย-

เตาเผาไม่ใช่สภาพแวดล้อมที่เกิดปฏิกิริยาเป็นเนื้อเดียวกัน: อุณหภูมิที่สูงในบริเวณส่วนกลางทำให้เกิดปฏิกิริยาที่รวดเร็วและก่อให้เกิดซิลิคอนเหลวในปริมาณมาก

อุณหภูมิที่ต่ำลงในพื้นที่รอบนอกอาจนำไปสู่การก่อตัวของก๊าซ SiO ระดับกลาง (ซิลิคอนออกไซด์)

ก๊าซเหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมภายในเตาเผาเพื่อสร้างซิลิคอน หรือหนีออกจากเตาเผาเพื่อสร้าง-ผลิตภัณฑ์ซิลิกาฟูม

การรักษาความพรุนของประจุ

เพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซจะไหลได้อย่างราบรื่น ชั้นของสารตั้งต้นจะต้องมีการระบายอากาศที่ดี หากชั้นประจุหนาแน่นเกินไป ประสิทธิภาพการลดจะลดลงและการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้น

หลังจากที่ซิลิคอนเหลวมาบรรจบกันที่ด้านล่างของเตาหลอมแล้ว ซิลิคอนเหลวจะถูกต๊าปผ่านช่องเปิดของเตาและเปลี่ยนทิศทางลงในทัพพีหรือถ้วยใส่ตัวอย่าง ณ จุดนี้ ซิลิคอนมักจะอยู่ในสถานะของเหลวที่มีอุณหภูมิสูง-และมีสิ่งเจือปน

ในการประมวลผลครั้งต่อไป ผู้ผลิตจะดำเนินการกลั่นเบื้องต้นเพื่อควบคุมปริมาณอะลูมิเนียม แคลเซียม และสิ่งสกปรกอื่นๆ และเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดทางเคมีที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

หลังจากการกลั่นเบื้องต้น ซิลิคอนเหลวจะถูกเทลงในแม่พิมพ์และระบายความร้อนให้กลายเป็นแท่ง

หลังจากการทำความเย็นเสร็จสิ้น แท่งโลหะจะถูกบดด้วยอุปกรณ์บดเชิงกล คัดกรองตามขนาดอนุภาคที่แตกต่างกัน (เช่น. 10-100 มม.) บรรจุหีบห่อและเตรียมการขนส่ง

คุณภาพของซิลิคอนเกรดโลหะวิทยาวัดจากลักษณะต่างๆ ต่อไปนี้: ปริมาณ Si (ปกติคือ 95% ถึง 99.5%); เนื้อหาของสิ่งเจือปนเช่น Fe, Al และ Ca; ข้อกำหนดขนาดอนุภาคและรูปร่างของอนุภาค และแบทช์-ถึง-ความเสถียรของการจัดองค์ประกอบแบบแบทช์

ผู้ผลิตมักจะทำการวิเคราะห์สเปกตรัมและการทดสอบทางกายภาพกับซิลิคอนแต่ละชุด และออกรายงานคุณภาพ (COA) เพื่อให้แน่ใจว่าลูกค้าสามารถใช้ผลิตภัณฑ์ได้โดยไม่ต้องกังวล

อุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า

เพิ่มลงในเหล็กเป็นตัวกำจัดออกซิไดเซอร์เพื่อขจัดออกซิเจนอย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียวของเหล็ก

การผลิตโลหะผสมอลูมิเนียม

ใช้เพื่อปรับปรุงความแข็งแรง ทนต่อการกัดกร่อน และประสิทธิภาพการหล่อของอลูมิเนียมอัลลอยด์

อุตสาหกรรมเคมีภัณฑ์

ใช้เป็นวัตถุดิบสำคัญในการเตรียมไซเลน ซิลิเกต น้ำมันซิลิโคน เรซินซิลิโคน และผลิตภัณฑ์เคมีอื่นๆ

วัสดุแบตเตอรี่

ใช้เป็นสารเติมแต่งสำหรับขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม-เพื่อเพิ่มความจุและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

อุตสาหกรรมไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และเซมิคอนดักเตอร์

แม้ว่าซิลิคอนเกรดโลหะวิทยา-จะไม่บริสุทธิ์เพียงพอที่จะใช้โดยตรงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์-ระดับไฮเอนด์ แต่ก็สามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำให้บริสุทธิ์สำหรับการผลิตโพลีซิลิคอนหรือซิลิกอนเกรดเคมี-

วัสดุทนไฟ

ใช้กันอย่างแพร่หลายในอิฐทนไฟและวัสดุผสมสำหรับเตาไฟเตาเผา เซรามิก และแก้วที่มีอุณหภูมิสูง-

ตั้งแต่แร่ควอตซ์ธรรมชาติไปจนถึงแท่งซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง- กระบวนการผลิตซิลิคอนเกรดโลหะวิทยา-ผสมผสานเทคโนโลยีจากหลากหลายสาขาวิชา เช่น ปฏิกิริยาเคมีกายภาพที่มีอุณหภูมิสูง- วัสดุศาสตร์ และการควบคุมกระบวนการ เนื่องจากเป็น "กระบวนการต้นทาง" ของห่วงโซ่อุตสาหกรรมวัสดุซิลิกอน คุณภาพและความเสถียรจึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและต้นทุนของการใช้งานขั้นปลาย

เนื่องจากความต้องการพลังงานสีเขียว การจัดเก็บพลังงาน ยานพาหนะไฟฟ้า และผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์อัจฉริยะทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้น ความสำคัญของซิลิกอนเกรดโลหะวิทยา-จึงมีความโดดเด่นมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งนำมาซึ่งโอกาสใหม่ๆ สำหรับการยกระดับอุตสาหกรรมและการพัฒนาเทคโนโลยีการปกป้องสิ่งแวดล้อม