Кремний

<час />

Фон

Кремний, уступающий только кислороду, является самым распространенным элементом в земной коре. Он содержится в горных породах, песках, глинах и почвах в сочетании либо с кислородом в виде диоксида кремния, либо с кислородом и другими элементами в виде силикатов. Соединения кремния также содержатся в воде, в атмосфере, во многих растениях и даже в некоторых животных.

Кремний - четырнадцатый элемент периодической таблицы Менделеева и элемент IVA группы, наряду с углеродом германием, оловом и свинцом. Чистый кремний представляет собой твердое вещество темно-серого цвета с такой же кристаллической структурой, что и алмаз. Его химические и физические свойства аналогичны этому материалу. Кремний имеет температуру плавления 2570 ° F (1410 ° C), точку кипения 4271 ° F (2355 ° C) и плотность 2,33 г / см3.

При нагревании кремний реагирует с галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом) с образованием галогенидов. Он реагирует с некоторыми металлами с образованием силицидов, и при нагревании в электрической печи с углеродом образуется износостойкая керамика, называемая карбидом кремния. Плавиковая кислота - единственная кислота, которая влияет на кремний. При более высоких температурах кремний подвергается воздействию водяного пара или кислорода с образованием поверхностного слоя диоксида кремния.

Когда кремний очищается и легируется такими элементами, как бор, фосфор и мышьяк, он используется в качестве полупроводника в различных приложениях. Для максимальной чистоты используется химический процесс, восстанавливающий тетрахлорид кремния или трихлорсилан до кремния. Монокристаллы выращивают путем медленного вытягивания затравочных кристаллов из расплавленного кремния.

Кремний более низкой чистоты используется в металлургии как восстановитель и как легирующий элемент в стали, латуни, алюминии и бронзе. Когда к алюминию добавляется небольшое количество кремния, алюминий легче лить, а также он имеет улучшенную прочность, твердость и другие свойства. В оксидной или силикатной форме кремний используется для изготовления бетона, кирпича, стекла, керамики и мыла. Металлический кремний также является основным материалом для изготовления силиконов, используемых в таких продуктах, как синтетические масла, герметики и герметики, а также противопенные агенты.

В 1999 году мировое производство составляло около 640 000 метрических тонн (без учета Китая), при этом основными производителями являлись Бразилия, Франция, Норвегия и США. Это постоянный спад по сравнению с предыдущими несколькими годами (653 000 тонн в 1998 году и 664 000 в 1997 году). Хотя данных нет, считается, что крупнейшим производителем является Китай, за ним следуют Соединенные Штаты. По одной из оценок, производственные мощности Китая достигают 400 000 метрических тонн в год с участием более 400 производителей. Экспорт из этой страны увеличился в последние годы.

Потребление металлического кремния в США составило примерно 262 000 метрических тонн по цене 57 центов за фунт. Годовые темпы роста в 1980–1995 годах спроса на кремний со стороны алюминиевой промышленности составляли около 3,5%, а со стороны химической промышленности - около 8%. На спрос в химической промышленности (в основном на силиконы) повлиял азиатский экономический кризис конца 1990-х годов.

История

Кремний был впервые выделен и описан как элемент в 1824 году шведским химиком Йонсом Якобом Берцелиусом. Неочищенная форма была получена в 1811 году. Кристаллический кремний впервые был получен в 1854 году с помощью электролиза.

При реакции кремнезема и углерода в электродуговой печи образуется кремний.

Тип печи, который сейчас используется для производства кремния, электродуговая печь, был впервые изобретен в 1899 году французским изобретателем Полем Луи Туссеном Эру для производства стали. Первая электродуговая печь в Соединенных Штатах была установлена ​​в Сиракузах, штат Нью-Йорк, в 1905 году. В последние годы технология печи, включая электроды, используемые для нагревательных элементов, улучшилась.

Сырье

Металлический кремний образуется в результате реакции кремнезема (диоксида кремния, SiO2) и углеродных материалов, таких как кокс, уголь и древесная стружка. Кремнезем обычно получают в виде щебня металлургического сорта. Этот гравий на 99,5% состоит из кремнезема и имеет размер 3 x 1 или 6 x 1 дюйм (8 x 3 см или 15 x 3 см). Уголь обычно имеет низкое содержание золы (1-3% для минимизации примесей кальция, алюминия и железа), содержит около 60% углерода и имеет размер, соответствующий гравию. Древесная щепа обычно представляет собой твердую древесину размером 1/2 x 1/8 дюйма (1 x 3 см). Все материалы получены в соответствии с указаниями производителя.

Производственный процесс

Основной процесс нагревает кремнезем и кокс в погружной электродуговой печи до высоких температур. Высокие температуры необходимы для реакции, при которой кислород удаляется, оставляя кремний. Это известно как процесс восстановления. В этом процессе карбиды металлов обычно сначала образуются при более низких температурах. Когда образуется кремний, он вытесняет углерод. Для повышения чистоты используются процессы рафинирования.

Процесс сокращения

• 1 Сырье взвешивается и затем помещается в печь через верхнюю часть с помощью вытяжного шкафа, ведер или машин. Типичная партия содержит 1000 фунтов (453 кг) гравия и щепы и 550 фунтов (250 кг) угля. Крышка печи с электродами ставится на место. Электрический ток пропускается через электроды, образуя дугу. Тепло, выделяемое этой дугой (температура 4000 ° F или 2350 ° C), плавит материал и приводит к реакции песка с углеродом с образованием кремния и окиси углерода. Этот процесс занимает от шести до восьми часов. Печь непрерывно загружается партиями сырья.
• 2 Пока металл находится в расплавленном состоянии, его обрабатывают кислородом и воздухом, чтобы уменьшить количество примесей кальция и алюминия. В зависимости от марки металлический кремний содержит 98,5-99,99% кремния с небольшими количествами железа, кальция и алюминия.

Охлаждение / дробление

• 3 Окисленный материал, называемый шлаком, сливают в емкости и охлаждают. Металлический кремний охлаждается в больших чугунных лотках диаметром около 8 футов (2,4 м) и глубиной 8 дюймов (20 см). После охлаждения металл выгружается из формы в грузовик, взвешивается, а затем выгружается в штабель для хранения. Выгрузка металла из формы в грузовик разбивает его достаточно для хранения. Перед отправкой металл калибруется в соответствии с техническими требованиями заказчика, что может потребовать процесса дробления с использованием щековой или конусной дробилки.

Упаковка

• 4 Металлический кремний обычно упаковывают в большие мешки или деревянные ящики весом до 3000 фунтов (1361 кг). В виде порошка силикон расфасовывают в пластиковые ведра или бумажные мешки по 50 фунтов (23 кг), стальные бочки по 500 фунтов (227 кг) или большие мешки или коробки на 3000 фунтов (1361 кг).

Контроль качества

Статистический контроль процесса используется для обеспечения качества. Системы с компьютерным управлением используются для управления всем процессом и оценки статистических данных. Два основных параметра процесса, которые необходимо контролировать, - это количество используемого сырья и температура печи. Лабораторные испытания используются для контроля химического состава конечного продукта и поиска методов улучшения состава путем корректировки производственного процесса. Аудиты качества и регулярные оценки поставщиков также обеспечивают поддержание качества от добычи сырья до отгрузки конечного продукта.

Побочные продукты / отходы

Благодаря статистическому контролю процесса отходы сведены к минимуму. Побочный продукт процесса, микрокремнезем, продается предприятиям огнеупорной и цементной промышленности для повышения прочности своей продукции. Пары кремнезема также используются для теплоизоляции, наполнителя для резины, полимеров, затирки и других применений. Охлажденный шлак разбивается на более мелкие части и продается другим компаниям для дальнейшей обработки. Некоторые компании измельчают его в материал для пескоструйной обработки. Поскольку электродуговые печи выделяют твердые частицы, производители также должны соблюдать правила Агентства по охране окружающей среды (EPA).

Будущее

Хотя отраслевые аналитики предсказывали, что спрос на кремний химической чистоты со стороны западных стран будет расти в среднем на 7% в год до 2003 года, этот рост может замедлиться из-за недавнего экономического спада в Азии и Японии. Если поставки продолжат опережать спрос, цены могут продолжать падать. Перспективы автомобильного рынка положительные, поскольку все больше автопроизводителей переходят на алюминиево-кремниевый сплав для различных компонентов.

Изучаются другие методы производства кремния, включая переохлаждение жидкости для образования объемного аморфного кремния и гидротермальный метод получения порошка пористого кремния для оптических применений.