Proceso de refinación del silicio metálico
A continuación se presenta el proceso de fundición y el proceso del silicio metálico.
1. La necesidad de producir silicio químico se ha desarrollado principalmente desde mediados de la década de 1990, y la producción y las exportaciones de silicio químico de mi país han crecido rápidamente. De 1999 a 2001, las exportaciones de silicio químico de China a Japón alcanzaron 22.000 toneladas, 30.000 toneladas y 40.000 toneladas, respectivamente. En 2001, las exportaciones de silicio químico de China al Japón representaron más del 40 por ciento de las importaciones de silicio químico del Japón. China ha comenzado a unirse a las filas de países que producen y suministran silicio químico, y cada vez hay más empresas que producen silicio químico. Desde que Shanghai Guangji Silicon Materials Co., Ltd. divulgó completamente el proceso de fundición por reducción carbotérmica en 2002, la producción anual de silicio metálico de mi país ha aumentado rápidamente de 654,38 millones de toneladas a 12.000 toneladas entre 2002 y 2004. Como resultado, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma impuso sanciones integrales. En 2006, la producción real de silicio metálico volvió a caer a 700.000 toneladas. En 2006, la fábrica de silicio Dawu de Shanghai Guangji Silicon Materials Co., Ltd. construyó con éxito una fábrica de metal de silicio de 10.000 toneladas: la fábrica Jingxin en la frontera de Xinjiang. Otras empresas han construido nuevas plantas de silicio. El silicio químico se refiere al silicio metálico utilizado en la producción de silicio y polisilicio. A nivel mundial, el consumo de silicio metalúrgico supera al silicio químico. Sin embargo, con el desarrollo continuo de la ciencia y la tecnología, el silicio químico se ha utilizado ampliamente en la producción de silicona y semiconductores. Se usa ampliamente en la producción de monómeros de silicona y aceite de silicona polimérico, caucho de silicona y resina de silicona como anticorrosión en la construcción. y agentes impermeabilizantes. Tienen propiedades únicas como resistencia a altas temperaturas, aislamiento eléctrico, resistencia a la radiación y resistencia al agua. Utilizado en los sectores eléctrico, aviación, maquinaria, industria química, medicina, defensa nacional, construcción y otros. Como núcleo de los circuitos integrados, más del 95% de los componentes electrónicos están hechos de silicio semiconductor, que es la columna vertebral de la industria de la información contemporánea. Las fibras ópticas de los cables ópticos ampliamente utilizados en la "superautopista de la información" también están hechas de silicio metálico. El consumo de silicio químico en Estados Unidos y la UE representa más de la mitad del consumo total de silicio metálico. Como campo de alta tecnología e importante industria básica, el silicio químico se ha utilizado ampliamente y su consumo ha tendido a crecer de manera constante. En circunstancias normales en el mercado internacional, el precio por tonelada de silicio químico es entre 300 y 400 dólares más alto que el del silicio metalúrgico. Por lo tanto, es necesario desarrollar vigorosamente la producción de silicio químico, no sólo para satisfacer la demanda interna y de exportación, sino también para mejorar los beneficios económicos y la calidad de los productos de las empresas de silicio metálico.
2. Materias primas para la producción de silicio químico En la producción de silicio químico, las materias primas son el requisito previo para un buen funcionamiento. La roca Yingshi se utiliza como materia prima para la producción de silicio metálico químico y los materiales carbonosos con bajo contenido de cenizas se utilizan como agentes reductores. Las materias primas utilizadas para producir silicio químico mediante el método del horno eléctrico incluyen principalmente dióxido de silicio y materias primas de carbono. La materia prima de carbono es principalmente coque de petróleo, junto con antracita o carbón vegetal de alta calidad, y también se puede añadir algo para aumentar la resistencia específica de la carga. Se requiere que las materias primas tengan la pureza necesaria y buena reactividad para cumplir con las especificaciones del producto; el agente reductor tiene diferente reactividad para reaccionar completamente con la piedra de cuarzo, los ingredientes de la carga son diferentes y el tamaño de las partículas es diferente. El horno eléctrico puede producir una buena influencia.
2.1. El proceso de fundición de silicio metálico a partir de minerales silíceos no requiere escoria. La fundición de silicio es estricta en la selección de dióxido de silicio. No solo requiere pocas impurezas, sino que también requiere una alta resistencia mecánica y suficiente calor. Estabilidad y composición granulométrica adecuada. La sílice es la más adecuada para la fusión química del silicio. Las formas naturales de sílice se presentan como minerales estacionales independientes o como rocas compuestas casi exclusivamente de sílice: sílice o arenisca en forma de sílice. Las impurezas y adherentes de los minerales que contienen óxido de silicio utilizados para producir silicio químico se reducen por completo, algunos se reducen y otros ingresan al silicio producto en forma de compuestos o generan escoria durante el proceso de fundición. Esto no sólo aumenta el consumo de energía y reduce la calidad del producto, sino que también dificulta el proceso de fundición.
Por lo tanto, la composición química de los minerales de óxido de silicio utilizados en el refinado químico del silicio tiene requisitos estrictos. Se requiere que SiO2 sea superior a 99, Fe2O3 sea inferior a 0,15, Al2O3 no sea superior a 0,2, CaO no sea superior a 0,1 y la cantidad total de impurezas no sea superior a 0,6. La sílice utilizada debe lavarse con agua y la superficie debe estar limpia antes de fundirse.
La sílice que entra al horno requiere un determinado tamaño de partícula. El tamaño de las partículas de sílice es un factor importante en el proceso de fundición. El tamaño de partícula apropiado de sílice se ve afectado por muchos factores, como el tipo de sílice, horno eléctrico, capacidad, condiciones de operación, tipo y tamaño de partícula del agente reductor, etc., y se determina de acuerdo con las condiciones de fundición específicas. En términos generales, el horno eléctrico trifásico de 6300 KVA (terminado en la planta de silicio de Dawu en 1983) requiere que el tamaño de las partículas de sílice sea de 8 a 100 mm, y el horno eléctrico trifásico de 3200 KVA requiere que el tamaño de las partículas de sílice sea de 8 a 80 mm, con una mayor proporción de componentes de tamaño de partículas intermedio. Cuando el tamaño de partícula es demasiado grande, la sílice sin reaccionar no puede adaptarse al aglutinante y a la velocidad de reacción del horno de apisonamiento y ingresa fácilmente al silicio líquido, lo que resulta en un aumento en la cantidad de escoria, dificultad para roscar el acero y una reducción en la tasa de recuperación del silicio. , y un aumento en el consumo de energía, o incluso el fondo del horno se eleva, afectando la producción normal. Si el tamaño de partícula es demasiado pequeño, se puede aumentar la superficie de contacto del agente reductor, lo que es beneficioso para la reacción de reducción, pero el gas generado durante la reacción no se puede descargar suavemente, lo que ralentizará la velocidad de reacción. El tamaño de las partículas es demasiado pequeño. Las impurezas incorporadas aumentarán y afectarán la calidad del producto. En general, no se debe utilizar sílice de tamaño inferior a 5 mm en la producción.
2.2 Agentes reductores carbonosos Los principales agentes reductores utilizados en la fundición química del silicio son el coque de petróleo, el carbón bituminoso y el carbón vegetal. Para aumentar la resistividad y la actividad química de la carga, también se utilizan coque de carbón gaseoso, coque de silicio, carbón azul, semicoque, coque de baja temperatura y bloques de madera. Entre los componentes químicos de los agentes reductores carbonosos se deben considerar principalmente el carbón fijo, las cenizas, las materias volátiles y el agua. Generalmente, se requiere que el carbono fijo sea alto y la cantidad total de agente reductor requerido se reduce, de modo que las impurezas aportadas por las cenizas sean menores, la cantidad de escoria se reduce en consecuencia, el consumo de energía se reduce y la impureza El contenido en silicio se reduce. Los agentes reductores carbonosos tienen mayor resistividad y porosidad. La resistividad de la carga depende principalmente del agente reductor que contiene carbono. El agente reductor carbonoso tiene alta resistividad, buena actividad química y alta tasa de recuperación de silicio.
El coque de petróleo tiene el contenido de cenizas más bajo entre los agentes reductores utilizados en la producción de silicio metálico, con un contenido de cenizas de 0,17-0,6, carbono fijo 90-95 y materia volátil no más de 3,5-13. . El coque de petróleo tiene un bajo contenido de cenizas y se utiliza como agente reductor en la fundición de silicio, lo que resulta beneficioso para mejorar la calidad del producto. Sin embargo, debido a la baja resistividad y escasa reactividad del coque de petróleo, es fácil grafitizarlo a altas temperaturas. Cuando la dosis es demasiado grande, las condiciones del horno son difíciles de controlar, lo que provoca que no se sinterice, se produzcan incendios graves, un alto consumo de energía y dificultades para roscar el acero.
El carbón de madera tiene alta resistencia específica, fuerte reactividad y bajo contenido de impurezas. Es un agente reductor ideal para la fusión química industrial del silicio. Sin embargo, las propiedades del carbón vegetal elaborado a partir de diferentes maderas y métodos también son muy diferentes. El contenido de cenizas del carbón vegetal pelado suele ser entre la mitad y un tercio menor que el del carbón con corteza, y la corteza tiene una gran influencia en el contenido de cenizas del carbón vegetal. El componente principal del carbón vegetal es el carbono y su contenido de cenizas es relativamente bajo, generalmente inferior a 10. Alta resistividad y buena actividad química. Años de práctica de producción han demostrado que el carbón es una materia prima de carbono importante para satisfacer las necesidades de la fundición de silicio químico. Sin embargo, la fuente de carbón es limitada y ya no se puede utilizar el agente reductor de carbón.
A juzgar por la situación en el exterior, la mayoría de los países ya no utilizan carbón vegetal. Muchos fabricantes nacionales también han trabajado mucho para encontrar y utilizar alternativas al carbón vegetal. La práctica ha demostrado que el carbón bituminoso es un agente reductor ideal, además del carbón vegetal, en términos de reactividad y resistencia específica.
El carbón bituminoso se caracteriza por su alta resistencia y su fuerte capacidad de reacción. Se puede obtener carbón bituminoso con bajo contenido de cenizas mediante lavado. El contenido de cenizas puede alcanzar aproximadamente 3, el contenido de Fe2O3 puede alcanzar 0,2-0,3 y el contenido de Al2O3 es inferior a 1. El contenido de cenizas del carbón bituminoso agente reductor de nuestro país es superior a 3, mientras que el contenido de cenizas del carbón bituminoso agente reductor extranjero es de alrededor de 1. La Unión Soviética seleccionó químicamente el carbón bituminoso para obtener carbón limpio con un contenido de óxido de hierro inferior al 0,1. La patente para el proceso de fundición para reemplazar el carbón bituminoso con carbono es propiedad de Shanghai Guangji Silicon Materials Co., Ltd. y Ordos Electric Power Smelting Co., Ltd. La función de los bloques de madera es aumentar la resistencia de la capa de material. y el número de bloques de madera influye en las condiciones del horno. La cantidad de bloques de madera es demasiado grande, la capa de material está suelta, el estado del horno se deteriora y el consumo de energía aumenta. En realidad, los trozos de madera se utilizan como agente reductor debido a su bajo punto de inflamación y contenido de carbono.
Las impurezas de las materias primas de carbono son principalmente cenizas, que están compuestas por óxidos.
En la producción química, los óxidos de las cenizas también se reducen, lo que consume tanto energía eléctrica como carbono. Las impurezas reducidas todavía se mezclan con el líquido de silicio, lo que reduce la resistencia del silicio. En la práctica de producción, cada contenido adicional de cenizas en la carga consumirá entre 100 y 120 kilovatios hora de electricidad. Por lo tanto, se requiere que el contenido de cenizas en las materias primas de carbono sea lo más bajo posible.
2.3 Electrodos Los electrodos son uno de los principales materiales consumibles en la producción de silicio industrial. La fundición química de silicio generalmente utiliza electrodos de grafito y electrodos de carbono. En la actualidad, los electrodos de grafito se utilizan principalmente en China.
En un horno de fundición de silicio, el electrodo es el corazón y una parte importante del sistema conductor. La corriente eléctrica ingresa al horno a través de electrodos para generar un arco, que se utiliza para la fundición química del silicio. Requisitos para los materiales de los electrodos: (1) Buena conductividad y baja resistividad para reducir la pérdida de energía. (2) El punto de fusión debe ser alto, el coeficiente de expansión térmica debe ser pequeño y no es fácil de deformar (3) Debe tener suficiente resistencia mecánica a altas temperaturas y bajo contenido de impurezas; Los electrodos de grafito se han convertido en la mejor opción para la fundición química de silicio debido a su bajo contenido de cenizas, buena conductividad eléctrica, resistencia al calor y resistencia a la corrosión.
3. Proceso de fundición de silicio para la industria química
El flujo del proceso del silicio químico incluye la preparación de carga, fundición en horno eléctrico, refinado y fundición del silicio, eliminación de escoria y trituración. Todas las materias primas deben someterse al procesamiento necesario antes de preparar los ingredientes. La sílice se tritura en una trituradora de mandíbulas hasta un tamaño que no supera los 100 mm, y los fragmentos de menos de 5 mm se filtran y se lavan con agua. Dado que los fragmentos en el horno se funden en la parte superior del horno, la permeabilidad de la carga se reduce y el proceso de producción es difícil. El coque de petróleo tiene una alta conductividad y debe triturarse hasta obtener un tamaño de partícula de no más de 10 mm, y debe controlarse la cantidad de coque de petróleo en polvo. Porque quemar directamente en la boca del horno provocará una cantidad insuficiente de agente reductor.
En la producción de silicio químico, el carbón bituminoso puede reemplazar completamente al carbón vegetal. Por ejemplo, el carbón bituminoso finamente lavado de Zhuzhou, Hunan, tiene un contenido de carbono fijo de 77,19, materia volátil de 19,4, cenizas de 3,41 y contenido de Fe2O3 de 0,22. Contenido de Al2O3 0,99 y contenido de CaO 0,17. Mediante la práctica de producción, es factible utilizar este carbón bituminoso para fundir silicio industrial.
Los bloques y astillas de madera utilizados para producir silicio químico se procesan mediante cuchillos y astillas de madera. El agente reductor carbonoso en la carga del horno es principalmente coque de petróleo y carbón bituminoso, y la cantidad de bloques de madera y astillas de madera depende de las condiciones del horno. No se utiliza madera en la producción, pero la calidad del producto es más estable. La escala de tarifas depende del nivel de producto requerido. La proporción de coque de petróleo y carbón bituminoso se determina en función de la cantidad de carbono necesaria para cada lote de mineral de silicio. La proporción entre coque de petróleo y carbón bituminoso tiene una gran influencia en la resistencia de trabajo de la carga.
Después de pesar cada componente de la carga, mézclelos uniformemente y, después de golpear el horno, agregue la carga mezclada uniformemente al horno. Mantenga una cierta altura del nivel del material y alimente los materiales de manera uniforme.
La producción de silicio químico es continua. Las condiciones en el horno no son permanentes. La producción química de silicio es un proceso en el que la energía eléctrica se convierte en energía térmica en un horno eléctrico y luego la energía térmica se utiliza para calentar directamente el material y provocar una reacción química. Por tanto, las características eléctricas del interior del horno son muy importantes. Para mantener el horno de alta temperatura y mejorar la eficiencia térmica y la utilización del horno eléctrico, este estudio utilizó hornos de silicio metálico con capacidades de 3200 KVA y 6300 KVA. La fundición se lleva a cabo guisando durante un cierto período de tiempo y alimentando materiales a intervalos regulares. En circunstancias normales, es difícil que el equipaje se hunda automáticamente y, por lo general, es necesario forzarlo a hundirse. Las condiciones del horno son propensas a fluctuaciones y difíciles de controlar. Por lo tanto, debemos tomar decisiones correctas y manejarlas a tiempo durante la producción. Se saca del horno cada 4 horas, se refina y se funde, se tritura, se recoge y se almacena.
4. Funcionamiento del horno eléctrico La fundición química del silicio se realiza en estado de arco sumergido. Para producir silicio metálico estable y uniforme, se debe implementar un funcionamiento óptimo del horno. La principal fuente de calor es la energía eléctrica. Por lo tanto, la ruta del flujo de corriente en el horno y la distribución de la corriente en cada ruta tienen un impacto importante en la distribución de temperatura en cada área del horno y en todo el proceso de fundición. Se debe prestar atención a mantener el equilibrio de carga de la energía eléctrica trifásica para aumentar la producción, garantizar la calidad y reducir el consumo de energía.
4.1 Horno de carga y apisonamiento Para lograr el objetivo de alta calidad y alto rendimiento del horno de fundición de silicio, además de buenos parámetros del horno eléctrico, excelentes materias primas y proporciones razonables, la calidad del método operativo es un factor muy importante. Un método de alimentación razonable juega un papel fundamental en la estructura de la capa de material, la estabilidad del electrodo en el horno y la plena utilización de la energía térmica. En la producción se combinan la carga y el bateo.
La temperatura normal de la superficie del material es de alrededor de 600 °C. Si las materias primas cumplen con las especificaciones, el tamaño de las partículas de carga es grande, la resistencia es pequeña, la corriente de derivación es grande y el electrodo no es fácil de romper.