Кремний: свойства, производство и рыночный обзор

Кремний

---

Основы

Кремний — второе по распространённости элемент в земной коре после кислорода. Природно встречается в скалах, песке, глинах и почвах, обычно связанным как диоксид кремния или силикаты, также содержащие кислород и другие металлы. Эти соединения повсюду в воде, атмосфере, растениях и даже некоторых животных.

В периодической таблице кремний — 14-й элемент, группа IVA, вместе с углеродом, германием, оловом и свинцом. Чистый кремний — тёмно-серый кристаллический твёрдый с алмазной кристаллической решёткой. Ключевые физ. данные: т.пл. 2570 °F (1410 °C), т.кип. 4271 °F (2355 °C), плотность 2,33 г/см³.

Тепловая обработка кремния даёт галогиды с фтором, хлором, bromом, йодом, исилициды с некоторыми металлами. Нагрев в электрической печи с углеродом даёт карбид кремния — износостойкую керамику. Фтористоводородная кислота — единственная кислота, травящая кремний. При высоких температурах кремний реагирует с водяным паром или кислородом, образуя защитный слой диоксида кремния.

При очистке до высокой чистоты и легировании бором, фосфором или мышьяком кремний становится полупроводником. Очистка обычно включает восстановление тетрахлорида кремния или трихлорсилана до элементарного кремния, затем выращивание кристалла методом Чоральского. Низкочистый кремний служит восстановителем и легирующим элементом в металлургии, улучшая литейность, прочность и твёрдость сплавов алюминия, латуни и бронзы. Оксиды кремния и силикаты — ключевое сырьё для бетона, кирпичей, стекла, керамики и мыла, а металлический кремний — основа силиконовых полимеров для синтетических масел, герметиков, уплотнителей и пеноустранителей.

История

Кремний впервые изолировали и идентифицировали как отдельный элемент в 1824 году шведским химиком Ёнсом Якобом Берцелиусом, после нечистого извлечения в 1811 году. Кристаллический кремний получили электролизом в 1854 году.

Реакция диоксида кремния с углеродом в дуговой электрической печи даёт металлический кремний.

Электрические дуговые печи — изобретённые Полом Луи Туссен Эру в 1899 для сталелитья — теперь стандарт производства кремния. Первая американская печь работала в Сиракузах, штат Нью-Йорк, в 1905 году, современные конструкции имеют продвинутые электроды и системы теплоуправления.

Сырьё

Металлический кремний получают восстановлением кремнезема (SiO₂) углеродными источниками: коксом, углём или древесными щепами. Типичные характеристики сырья:

• Металлургический гравий: 99,5% SiO₂, фракция 3×1 или 6×1 дюйм (8×3 или 15×3 см).
• Низкозольный уголь: 1–3% золы, ~60% углерода, фракция под гравий.
• Древесные щепки: ½×⅛ дюйм (1×3 см).

Производственный процесс

Процесс восстановления

1. Взвешивают и загружают сырьё в печь через дымосборник или конвейер. Типичная партия: 1000 фунтов (453 кг) гравия и щепок, 550 фунтов (250 кг) угля.
2. Зажигают дуговой разряд между электродами; температуры достигают 4000 °F (2350 °C), расплавляя заряд и инициируя реакцию SiO₂ + C → Si + CO.
3. Непрерывно дозаправляют печь пока формируется расплавленный кремний. Процесс длится 6–8 часов.
4. После плавки вводят контролируемый воздух или кислород для снижения примесей кальция и алюминия. Финальные марки металлического кремния: 98,5–99,99% чистоты.

Остывание и дробление

1. Шлак (окислённый материал) разделяют в ковши и остужают.
2. Расплавленный кремний отливают в большие чугунные лотки (≈8 фут × 8 дюйм). После остывания металл льют в самосвалы, взвешивают и ставят на хранение.
3. Перед отгрузкой кремний дробят под заказ заказчика, часто щековыми или конусными дробилками.

Упаковка

Металлический кремний обычно отгружают в мешках 3000 фунтов (1361 кг) или деревянных ящиках. Порошковый кремний — в ведрах 50 фунтов (23 кг), бочках 500 фунтов (227 кг) или мешках 3000 фунтов (1361 кг).

Контроль качества

Статистический процессный контроль (SPC) и компьютерный мониторинг поддерживают стабильность продукта. Ключевые управляемые переменные — соотношения сырья и температура печи. Лабораторные анализы верифицируют химический состав, регулярные аудиты поставщиков прослеживают качество от добычи до доставки.

Побочные продукты и отходы

Кремнеземистый дым — побочный продукт реакции восстановления — продают в огнеупорный и цементный секторы для повышения прочности. Также применяют как термоизоляционную заполнитель и в резине, полимерах и грунтах. Остывший шлак дробят в песок для пескоструйки или продают другим производителям. Дуговые печи выделяют пыль, поэтому объекты должны соблюдать нормы EPA.

Перспективы

Западные аналитики прогнозировали ~7% годовой рост спроса на химический кремний до 2003 года, но недавние экономические замедления в Азии и Японии сгладили траекторию. Если предложение опережает спрос, цены могут продолжать падать. С другой стороны, автосектор показывает позитивную динамику: больше производителей внедряют алюминий-кремниевые сплавы для автокомпонентов. Новые производственные методы — массовый аморфный кремний через переохлаждение и гидротермальный синтез пористых кремниевых порошков — исследуются для передовых оптических применений.