كيف يتم تصنيع السيليكون الصناعي

ويستخدم السيليكون، وهو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، على نطاق واسع في صناعة المعادن وسبائك الألومنيوم والمواد الكيميائية والبطاريات والطاقة الشمسية والإلكترونيات. في هذه السلسلة الصناعية الضخمة، يلعب السيليكون المعدني (MG-Si) دور المادة الخام الأساسية، وهو نقطة البداية لجميع مواد السيليكون عالية النقاء- (مثل البولي سيليكون والسيليكون الإلكتروني).
 

إذًا، كيف يتم استخراج السيليكون المعدني من خام الكوارتز الطبيعي؟ في هذه المقالة، سنأخذك في رحلة عميقة إلى عملية الإنتاج الكاملة للسيليكون الصناعي.

السيليكون من الدرجة المعدنية عبارة عن-مادة خام من سبائك غير حديدية غنية بالسيليكون، مع محتوى من السيليكون يتراوح بين 95% و99.5%. وعادة ما يكون على شكل كتل معدنية رمادية اللون، ولكن يمكن أيضًا معالجته إلى منتجات حبيبية أو مسحوقية عند الطلب.

على الرغم من الاسم "معدن السيليكون"، إلا أن السيليكون من الدرجة المعدنية -ليس معدنًا نقيًا، ولكنه خليط من الحديد (Fe) والألومنيوم (Al) والكالسيوم (Ca) وشوائب أخرى. يحدد محتوى هذه الشوائب نطاق تطبيقها وقيمتها السوقية.

الاستخدامات الرئيسية للسيليكون المعدني تشمل: إزالة الأكسدة الفولاذية، وتعزيز سبائك الألومنيوم، والمواد الخام لسبائك الفيروسيليكون، والمواد الخام الكيميائية، والمواد المضافة للبطاريات، والمواد المقاومة للحرارة، والمواد الكهروضوئية الأولية وأشباه الموصلات.

المادة الخام الأولية للسيليكون المعدني هي الكوارتز (SiO₂) أو الكوارتزيت. تحتوي هذه المعادن على-ثاني أكسيد السيليكون عالي النقاء، وهو الشكل الرئيسي للسيليكون الموجود في الطبيعة.

تتمتع عملية اختزال ثاني أكسيد السيليكون بعتبة طاقة عالية بسبب روابط Si-O المستقرة للغاية. من أجل تحقيق تفاعل الاختزال، يحتاج الكوارتز إلى خلطه جيدًا مع المواد المحتوية على الكربون- (على سبيل المثال، فحم الكوك، والفحم، ورقائق الخشب، والفحم النباتي، وما إلى ذلك) لتكوين خليط التفاعل. مصادر الكربون هذه قادرة على التفاعل مع الأكسجين عند درجات حرارة عالية لتحرير السيليكون النقي.

عملية التصنيع الأساسية للسيليكون الصناعي هي تفاعل الاختزال الكربوثيرمي (CR) في فرن القوس الكهربائي المغمور.

بيئة تفاعل ذات درجة حرارة عالية-.

عادة ما يتم الحفاظ على درجة الحرارة داخل الفرن عند 1500 إلى 2000 درجة. يعتمد الفرن على أقطاب كهربائية لتوصيل تيار كهربائي قوي إلى الشحنة، مما يؤدي إلى إنشاء منطقة قوس ذات درجة حرارة عالية-. درجة الحرارة هذه كافية لتحفيز التفاعل الرئيسي التالي: SiO₂ (صلب) + 2C (صلب) → Si (سائل) + 2CO (غاز).

في الشحنة، يحدث تفاعل الاختزال بين السيليكا والكربون، مما ينتج عنه السيليكون السائل وغاز أول أكسيد الكربون.

آلية التفاعل-متعددة المراحل

الفرن ليس بيئة تفاعل متجانسة: ارتفاع درجات الحرارة في المنطقة الوسطى يؤدي إلى تفاعلات سريعة وتكوين كميات كبيرة من السيليكون السائل.

قد تؤدي درجات الحرارة المنخفضة في المناطق الطرفية إلى تكوين الغاز الوسيط SiO (أكسيد السيليكون).

ويمكن تفاعل هذه الغازات بشكل أكبر داخل الفرن لتكوين السيليكون، أو الهروب من الفرن لتكوين-المنتج الثانوي Silica Fume.

الحفاظ على مسامية الشحنة

من أجل ضمان التدفق السلس للغازات، يجب أن تكون الطبقة المتفاعلة جيدة التهوية. إذا كانت طبقة الشحن كثيفة للغاية، فسيتم تقليل كفاءة التخفيض وسيزداد استهلاك الطاقة.

بعد أن يتجمع السيليكون السائل في قاع الفرن، يتم استغلاله من خلال فتحة الفرن وتحويله إلى المغرفة أو البوتقة. عند هذه النقطة، يكون السيليكون عادةً في حالة سائلة-ذات درجة حرارة عالية مع شوائب.

وفي المعالجة اللاحقة، يقوم المنتج بإجراء تكرير أولي للتحكم في محتوى الألومنيوم والكالسيوم والشوائب الأخرى وللتأكد من أن المنتج يلبي المواصفات الكيميائية المحددة مسبقًا.

بعد التكرير الأولي، يُسكب السيليكون السائل في قوالب ويُبرد ليشكل سبائك.

بعد اكتمال التبريد، سيتم سحق السبائك بواسطة معدات التكسير الميكانيكية، وغربلتها وفقًا لأحجام الجسيمات المختلفة (على سبيل المثال . 10-100 مم)، وتعبئتها وإعدادها للشحن.

يتم قياس جودة السيليكون المعدني من خلال الجوانب التالية: محتوى Si (عادة من 95% إلى 99.5%)؛ محتوى الشوائب مثل الحديد، آل، والكالسيوم؛ مواصفات حجم الجسيمات وشكل الجسيمات. والدُفعة-إلى-دُفعة الاستقرار التركيبي.

عادةً ما يقوم المصنعون بإجراء التحليل الطيفي والاختبار الفيزيائي على كل دفعة من السيليكون، وإصدار تقرير الجودة (COA) لضمان قدرة العملاء على استخدام المنتج دون قلق.

صناعة الحديد والصلب

يضاف إلى الفولاذ كمزيل للأكسدة لإزالة الأكسجين بشكل فعال وتعزيز قوة ومتانة الفولاذ.

تصنيع سبائك الألومنيوم

يستخدم لتحسين القوة ومقاومة التآكل وأداء الصب لسبائك الألومنيوم.

الصناعة الكيميائية

يستخدم كمادة خام مهمة لتحضير السيلان والسيليكات وزيت السيليكون وراتنج السيليكون والمنتجات الكيميائية الأخرى.

مواد البطارية

يتم استخدامه كمادة مضافة لأنودات بطارية أيون الليثيوم- لتحسين سعة البطارية ودورة حياتها.

صناعة الخلايا الكهروضوئية وأشباه الموصلات

على الرغم من أن السيليكون-المعدني ليس نقيًا بدرجة كافية لاستخدامه مباشرة في الإلكترونيات-المتطورة، إلا أنه يمكن استخدامه كمقدمة تنقية لإنتاج السيليكون المتعدد أو السيليكون -الكيميائي.

الحراريات

يُستخدم على نطاق واسع في الطوب الحراري والمواد المركبة لمواقد الأفران ذات درجات الحرارة العالية-والسيراميك والزجاج.

بدءًا من خام الكوارتز الطبيعي وحتى سبائك السيليكون عالية النقاء-، تدمج عملية إنتاج السيليكون من الدرجة المعدنية- تقنيات متعددة التخصصات مثل-التفاعلات الفيزيائية والكيميائية ذات درجات الحرارة العالية وعلوم المواد والتحكم في العمليات. وباعتبارها "العملية المصدر" لسلسلة صناعة مواد السيليكون، فإن جودتها واستقرارها يؤثران بشكل مباشر على أداء وتكلفة التطبيقات النهائية.

مع استمرار تزايد الطلب العالمي على الطاقة الخضراء وتخزين الطاقة والمركبات الكهربائية والمنتجات الإلكترونية الذكية، أصبحت أهمية السيليكون المعدني- أكثر وضوحًا، مما يوفر أيضًا فرصًا جديدة للتحديث الصناعي وتطوير تكنولوجيا حماية البيئة.