Hoe siliciumpoeder van technische kwaliteit wordt gemaakt: van kwarts tot poeder

Siliciumpoeder van technische kwaliteit begint als kwarts en eindigt als een geanalyseerd poeder op maat. Tussen deze twee punten passeert het materiaal een ondergedompelde boogoven, een gietbed, een breekcircuit en een maal- en classificatielijn, en elk van deze fasen laat zijn stempel op het onzuiverheidsniveau van het eindproduct. Het begrijpen van de route is de snelste manier om te begrijpen waarom twee poeders die onder dezelfde naam worden verkocht, zich tijdens gebruik heel verschillend kunnen gedragen.

Grondstoffen en ovenkosten

De lading is opgebouwd rond kwarts, de minerale bron van silicium, en een koolstofreductiemiddel. In de praktijk mengt een smelterij verschillende koolstofbronnen in plaats van zich op één te verlaten: petroleumcokes en metallurgische cokes leveren het grootste deel van het reducerende vermogen, terwijl houtskool en houtsnippers de lading doorlaatbaar houden zodat gas kan ontsnappen en de reactiezone niet verstikt.

Kwarts voor metallurgisch gebruik wordt zowel op chemie als op grootte geselecteerd. IJzeroxide, aluminiumoxide en calciumoxide in het kwarts komen grotendeels voor rekening van het gesmolten silicium, dus kwartsiet met een lage onzuiverheid is de eerste stap naar een strakke kwaliteit. De lading wordt gemengd tot een verhouding van koolstof tot silica die dicht bij de stoichiometrische verhouding ligt, met een kleine overmaat koolstof om de reductie voort te zetten.

Carbothermische reductie in de elektrische oven

De reductie zelf is een carbothermische reactie bij hoge temperatuur. Over het algemeen wordt silica door koolstof gereduceerd tot siliciummetaal en koolmonoxide. De volledige chemie is ingewikkelder dan die ene stap, omdat siliciummonoxide zich in het heetste deel van de lading vormt en vervolgens condenseert en weer hoger in de oven reageert. De oven gedraagt ​​zich dus als een tegenstroomreactor in plaats van als een eenvoudige smeltkroes.

De reactietemperaturen bereiken grofweg 1800 tot 2000 graden Celsius aan de elektrodepunten, en het proces is energie-intensief, waarbij gepubliceerde cijfers voor het industrieel smelten van silicium doorgaans worden aangehaald in de regio van 11.000 tot 14.000 kilowattuur per ton. Stabiliteit van de stroomvoorziening is net zo belangrijk als de stroomprijs, omdat een onderbroken ovencampagne de lading verstoort en later opduikt als een verzameling analyses.

Tappen, gieten en koelen

Metaal wordt met tussenpozen uit de oven getapt, bij ongeveer 1500 tot 1600 graden Celsius, en in ondiepe gietbedden of in mallen gegoten. De tappraktijk bepaalt hoeveel slakken en ovenstof met het metaal meereizen, dus het kraangat en de wasserette worden gereinigd en onderhouden als onderdeel van de kwaliteitsroutine in plaats van als huishoudelijk werk.

Na het gieten laat men het silicium afkoelen en wordt het vervolgens in klonten gebroken. De afkoelsnelheid heeft invloed op de kristalgrootte van de staaf en dus op de manier waarop het materiaal breekt tijdens het breken, wat op zijn beurt invloed heeft op de opbrengst van de fijnere maassneden die later in het proces worden gemaakt.

Breken, malen en classificatie

Klomp silicium wordt stapsgewijs verkleind. Kaak- en walsbrekers vermalen het gegoten materiaal tot een grof product en het gebroken metaal wordt vervolgens vermalen in een kogelmolen of een soortgelijke fijnmaalinrichting. Luchtclassificatie volgt de molen en scheidt het gemalen materiaal in de maaswijdtes die de markt koopt, van grof poeder van 20 tot 100 mesh tot fijn poeder van 45 tot 325 mesh.

Bij het slijpen is het besmettingsrisico het grootst. Slijtage van media en voeringslijtage introduceren ijzer in een verder schoon product, dus circuits gebruiken slijtvaste media en na het slijpen wordt een magnetische scheidingsstap geplaatst om het ijzer te verwijderen dat in de molen is opgepikt. Screening bevestigt vervolgens de uiteindelijke deeltjesgrootteverdeling vóór het verpakken.

Zuiverheidscontrole en typisch eindgebruik

Laadcontrole:kwartschemie, reductiemiddelas en ladingsverhouding stellen het plafond op het haalbare niveau voordat de oven zelfs maar wordt gestart.

Ovenregeling:De positie van de elektrode, het tapschema en de stroomstabiliteit bepalen hoeveel van dat plafond daadwerkelijk wordt bereikt.

Slijpcontrole:mediaselectie, magnetische scheiding en stofopvang beschermen de analyse nadat het metaal de oven heeft verlaten.

Verpakkingscontrole:vochtbarrièrevoeringen en verzegelde zakken voorkomen dat het fijne poeder water opneemt voordat het de smelterij bereikt.

Silicium van technische kwaliteit, de metallurgische kwaliteit die deze route produceert, analyseert doorgaans ongeveer 98% tot 99% silicium met ijzer, aluminium en calcium als de belangrijkste restelementen, en het poeder wordt daaruit gesorteerd door middel van mesh en door analyse.

Het uiteindelijke poeder wordt voornamelijk gebruikt als additief voor non-ferrolegeringen, vooral bij het legeren en gieten van aluminium. Het dient ook voor vuurvaste en chemische toepassingen, waarbij elementair silicium of een fijne silicabron vereist is. Elementair silicium is bij kamertemperatuur onoplosbaar in zuur en oplosbaar in alkali en vertoont halfgeleidergedrag, eigenschappen die er toe doen in chemische en elektronische toepassingen die uitgaan van materiaal van metallurgische kwaliteit en dit verder verfijnen.

Veelgestelde vragen

Vraag: Waar wordt siliciumpoeder van technische kwaliteit van gemaakt?
Het is gemaakt van siliciummetaal dat wordt geproduceerd door kwarts te reduceren met koolstof in een elektrische oven en vervolgens het afgekoelde metaal te malen tot een gecontroleerd maasbereik.

Vraag: Waarom wordt koolstof toegevoegd aan de ovenlading?
Koolstof is het reductiemiddel. Het verwijdert zuurstof uit het silica, waardoor gesmolten silicium en koolmonoxidegas achterblijven dat de oven verlaat als af-gas.

Vraag: Bij welke temperatuur wordt het metaal getapt?
Gesmolten silicium verlaat de oven bij ongeveer 1500 tot 1600 graden Celsius, na reductiereacties die nabij de elektroden ongeveer 1800 tot 2000 graden Celsius bereiken.

Vraag: Hoe wordt de ijzerverontreiniging tijdens het slijpen gecontroleerd?
Door gebruik te maken van slijtvaste maalmedia en liners, en door het gemalen poeder vóór de laatste zeefstap door een magnetische scheiding te laten lopen.

Vraag: Verandert het slijpen de chemische kwaliteit van het metaal?
Het kan het niet verbeteren. Slijpen kan de analyse alleen verslechteren door vervuiling door slijtage, dus de kwaliteit van het poeder wordt bepaald door de kwaliteit van het metaal dat werd gegoten.

Vraag: Waar wordt siliciumpoeder van technische kwaliteit voor gebruikt?
Het belangrijkste gebruik ervan is als additief voor non-ferrolegeringen, met name aluminium, met een verdere vraag naar vuurvaste mengsels en in chemische processen waarbij elementair silicium nodig is.