Bagaimana logam silikon dimurnikan

Sebagai bahan dasar yang sangat diperlukan dalam sistem besar industri modern, logam silikon banyak digunakan di banyak bidang utama seperti metalurgi, semikonduktor, dan silikon. Dari membantu meningkatkan kinerja baja hingga menjadi bahan baku inti pembuatan chip, kualitas dan hasil logam silikon secara langsung mempengaruhi perkembangan banyak industri hilir. Pada artikel ini, kita akan menganalisis proses pemurnian logam silikon (silikon industri) dan mengungkap misteri produksi dari bahan mentah hingga produk jadi.

Definisi

Logam silikon, juga dikenal sebagai silikon industri atau silikon kristal, adalah suatu bentuk monomer silikon dengan nilai industri penting di bidang kimia. Karena penerapannya yang luas dalam produksi industri, sebutan berbeda ini banyak digunakan dalam industri.

Sistem klasifikasi

Logam silikon diklasifikasikan terutama berdasarkan kandungan tiga pengotor utama: besi, aluminium dan kalsium. Klasifikasi ini tercermin dari angka-angka tertentu, misalnya logam silikon kadar "553" mewakili 5% besi, 5% aluminium, dan 3% kalsium, sedangkan "3303" berarti 3% besi, 3% aluminium, dan 0,3% kalsium. Industri telah mampu mencapai hal ini melalui aturan penomoran yang jelas. Melalui aturan penomoran yang jelas ini, industri dapat dengan cepat mengetahui situasi pengotor dan tingkat kualitas logam silikon.

Persentase aplikasi hilir

Logam silikon memiliki beragam aplikasi hilir, dan proporsinya bervariasi di berbagai bidang. Diantaranya, 30,28% digunakan untuk produksi polisilikon, yang melayani industri semikonduktor dan energi surya; 26,82% dimurnikan menjadi silikon kelas-metalurgi, yang digunakan untuk pembuatan paduan aluminium; dan 38,03% dimurnikan lebih lanjut melalui proses hidrometalurgi menjadi silikon kelas kimia, yang digunakan untuk produksi karet silikon dan silan. Aplikasi yang berbeda memerlukan kemurnian dan kandungan pengotor logam silikon yang berbeda, yang menentukan perbedaan dalam proses pemurnian.

Silika, bahan baku inti

Persyaratan komposisi

Silika, sebagai bahan baku inti untuk produksi logam silikon, tunduk pada standar komposisi yang ketat. Produksi industri mensyaratkan kandungan SiO2 silika harus lebih besar atau sama dengan 99%, sedangkan Fe2O3 Kurang dari atau sama dengan 0,15%, Al2O3 <0,2%, CaO <0,1%, dan total pengotor sebaiknya <0,6%. Kandungan pengotor yang berlebihan akan berdampak langsung pada proses peleburan, meningkatkan konsumsi energi bahkan menurunkan kualitas logam silikon.

Sifat Fisik

Selain komposisi kimianya, sifat fisik silika juga sama pentingnya. Bahan ini harus sangat tahan terhadap panas dan meminimalkan keretakan ketika mengalami perubahan fasa termal ketika ditambahkan ke dalam tungku. Semakin tinggi suhu awal untuk gangguan intens, semakin baik, untuk memastikan stabilitas di lingkungan suhu tinggi tungku. Selain itu, reduksi SiO2 merupakan karakteristik penting yang menentukan apakah silika dapat berhasil direduksi menjadi logam silikon.

Klasifikasi dan penggunaan bahan baku

Kualitas bahan baku silika berbeda-beda, begitu pula kegunaannya. Pasir kuarsa-berkualitas tinggi, karena kemurnian dan kualitasnya, biasanya digunakan langsung dalam produksi produk kaca kuarsa bermutu tinggi, dan bahkan dapat diolah menjadi kristal dan turmalin berkualitas permata, dll., sedangkan silika dengan kadar sedikit lebih rendah, namun dengan cadangan lebih besar, kondisi penambangan lebih baik, dan biaya listrik lebih rendah di daerah sekitarnya, lebih cocok untuk produksi logam silikon.

Reduktor karbon

Jenis zat pereduksi

Reduktor karbon yang biasa digunakan dalam proses peleburan logam silikon antara lain arang, kokas minyak bumi, dan batu bara. Zat pereduksi ini bereaksi dengan silika pada suhu tinggi untuk mereduksi silikon dari silika.

Persyaratan kinerja

Tidak semua bahan berkarbon cocok untuk digunakan sebagai zat pereduksi, dan produksi memiliki persyaratan kinerja yang ketat. Secara umum, reduktor perlu dicirikan oleh karbon tetap tinggi, abu rendah, bahan mudah menguap sedang, kelembaban rendah, resistivitas tinggi, reaktivitas tinggi, dan kekuatan mekanik tertentu. Hanya dengan memenuhi persyaratan ini kita dapat memastikan pengurangan silika secara efektif dalam proses peleburan, dan pada saat yang sama, mengurangi masuknya kotoran, sehingga mengurangi beban proses dekontaminasi selanjutnya.

Prinsip dan metode peleburan

Peleburan logam silikon terutama menggunakan metode tungku listrik, yaitu metode karbotermal. Prinsip intinya adalah dalam tungku busur listrik, silika (SiO2) bereaksi secara kimia dengan zat pereduksi karbon. Pada kondisi suhu tinggi, SiO2 bereaksi dengan karbon (C) membentuk silikon (Si) dan karbon monoksida (CO), dengan persamaan kimia: SiO2 + 2C → Si + 2CO. Proses ini memerlukan kontrol suhu dan kondisi reaksi yang tepat untuk mewujudkan reduksi silikon yang efisien.

Proses Produksi Utama

Dosis dan Pencampuran

Dosis dan pencampuran adalah tahapan dasar peleburan. Mereka harus secara akurat disesuaikan dengan komposisi kimia dan ukuran partikel silika dan reduktor karbon untuk memastikan keseragaman dan stabilitas muatan dalam hal komposisi dan sifat fisik. Hanya muatan seragam yang dapat mewujudkan reaksi yang stabil dan efisien dalam tungku listrik.

Pengisian dan Pengisian Tungku

Proses pengisian dilakukan secara berurutan dan muatan dimasukkan ke dalam tungku dengan cara tertentu. Dengan penurunan elektroda secara bertahap, catu daya dimulai dan arus ditingkatkan secara bertahap sesuai dengan proses reaksi. Tahap ini mengharuskan operator untuk memperhatikan semua parameter dengan cermat untuk memastikan proses pengumpanan berjalan lancar dan reaksi tidak terpengaruh oleh kelainan arus.

Merebus dan memurnikan

Merebus dan memurnikan adalah kunci dari keseluruhan proses peleburan. Dengan menyesuaikan tegangan, arus, dan parameter lain dari tungku listrik secara tepat, suhu di dalam tungku dipertahankan dalam kisaran yang sesuai untuk memastikan bahwa SiO2 sepenuhnya tereduksi menjadi logam silikon. Pada saat yang sama, beberapa kotoran dapat dihilangkan secara efektif selama proses, sehingga meningkatkan kualitas awal logam silikon.

Pemisahan kotoran

Logam silikon yang diperoleh dari peleburan mengandung pengotor tertentu, yang perlu dimurnikan dan dimurnikan lebih lanjut. Metode yang umum adalah mengolah senyawa silikon yang mudah menguap melalui distilasi untuk memisahkan kotoran, sehingga secara signifikan meningkatkan kemurnian silikon untuk memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi.

Proses Pencetakan

Silikon yang dimurnikan setelah pemisahan pengotor dicetak menjadi bentuk padat seperti ingot, balok, atau pelet. Setelah itu, dihancurkan, digiling, dan diproses sesuai dengan persyaratan aplikasi berbagai industri untuk menghasilkan produk logam silikon yang memenuhi spesifikasi.

Pengemasan dan Distribusi

Setelah pencetakan dan pemrosesan, produk logam silikon jadi akan dikemas sesuai dengan karakteristik produk dan kebutuhan pelanggan. Setelah dikemas, produk tersebut akan didistribusikan ke berbagai industri seperti elektronik, metalurgi, bahan kimia, dll, dan dimasukkan ke dalam proses produksi yang berbeda.

Konsumsi energi

Konsumsi energi yang tinggi

Produksi logam silikon biasanya merupakan-industri energi tinggi, dengan konsumsi listrik rata-rata sebesar 13.000kwh per ton silikon. Dalam tungku busur listrik, suhu reaksi hingga 1800 derajat diperlukan untuk memastikan reduksi silika dan karbon berlangsung lancar. Hal ini membuat produksi logam silikon sangat bergantung pada sumber daya listrik, dan produksi biasanya dilakukan di daerah yang memiliki sumber daya listrik yang memadai.

Tindakan-penghematan energi

Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi konsumsi energi. Perusahaan ini memilih-bijih sumber silika berkualitas tinggi dan reduktor berkarbon dengan aktivitas tinggi dan kadar abu rendah untuk meningkatkan efisiensi reaksi dari sisi bahan mentah; mengadopsi tungku termoelektrik canggih untuk mengoptimalkan kinerja peralatan; dan selanjutnya mengurangi konsumsi energi dengan mengoptimalkan operasi proses untuk mengurangi masalah seperti penghentian panas dan kain yang tidak rata, sehingga mencapai penghematan energi dan pengurangan konsumsi energi.

Kualitas bahan baku

Kontrol pengotor silika

Kandungan pengotor bahan baku silika mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap produksi. Saat memproduksi silika industri berkualitas tinggi, Fe2O3 kurang dari 15%, Al2O3 kurang dari 20%, CaO kurang dari 15%; jika memproduksi silika industri berkualitas-super tinggi, standar kontrol oksida ini lebih ketat. Kandungan pengotor yang tinggi akan menyebabkan permukaan material pada mulut tungku menjadi lengket, permeabilitas yang buruk, meningkatkan kehilangan panas dan konsumsi daya.

Sifat fisik silika

Stabilitas termal dan ketahanan ledakan silika juga sama pentingnya. Jika stabilitas termal silika buruk, mudah pecah setelah pemanasan, permukaan terkelupas, akan sangat mempengaruhi permeabilitas tungku, mengakibatkan ikatan muatan bagian atas tungku, panas tidak dapat ditransfer secara efektif, dan pada akhirnya, konsumsi daya meningkat secara signifikan. Selain itu, ukuran partikel silika harus dikontrol secara ketat pada 50 - 120mm, ukuran partikel yang terlalu kecil atau terlalu besar akan berdampak negatif pada produksi.

Dengan kemajuan teknologi industri yang berkelanjutan, teknologi pemurnian logam silikon juga akan berkembang ke arah penghematan energi, efisiensi tinggi, dan kemurnian tinggi. Di masa depan, industri akan menghadapi tantangan seperti pengurangan konsumsi energi dan peningkatan kemurnian produk, serta peluang seperti inovasi teknologi dan pembukaan area aplikasi baru. Melalui penelitian dan pengembangan teknologi yang berkelanjutan serta optimalisasi proses, industri logam silikon tentunya akan memberikan dukungan yang lebih solid bagi perkembangan industri modern.