Производство металлургического кремния

С фотопомощью блогера victorprofessor мы побываем на заводе Silicium Kazakhstan, который производит металлический кремний карботермическим способом с использованием специальных рудотермических печей. Это один из крупнейших заводов в стране и единственный кремниевый завод в Казахстане. Завод был запущен осенью 2010 года.

По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода, встречается главным образом в виде кислородных соединений (кварц, силикаты и.т.д.). Кремний высокой чистоты используется в полупроводниковой технике, а технической чистоты (96–99% Si) – в черной и цветной металлургии для получения сплавов на нежелезной основе (силумина и др.), легирования (кремнистые стали и сплавы, применяемые в электрооборудовании) и раскисления стали и сплавов (удаления кислорода), производства силицидов и.т.д.

В процессе производства на заводе получают два вида продукции:
- металлический кремний (с чистотой не менее 98,5%, применяемый в алюминиевой и химической отраслях)
- кремниевую пыль (ультрадисперсный материал, получаемый в процессе газоочистки печей, он применяется в производстве особопрочных сухих строительных смесей)
17 фот

2. В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 градусов цельсия в руднотермических печах шахтного типа. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

3. Основным агрегатом для выплавки технического кремния является дуговая рудотермическая одно-трехфазная электропечь мощностью от 8 до 25 МВА. Печь представляет собой круглый стальной кожух с днищем, футерованные огнеупорной кладкой. Подина (днище) и часть высоты стен футеруются графитовыми блоками, следующий слой магнезитовым кирпичом и внешний слой – шамотом (пористый кирпич из специальной огнеупорной глины).

4. Подача энергии в рабочее пространство печи осуществляется с помощью электрода, выполненного из графита. Самоспекающиеся электроды в технологии кремния не применяются по причине возможного загрязнения продукта компонентами кожуха электрода и электродной массы (железо, кальций, алюминий). Электрические параметры восстановительного процесса обеспечиваются с помощью печного трансформатора, соединенного с электродом высокоамперной короткой сетью, в которой сила тока составляет 40-80 кА. По мере торцевого расхода электрода они периодически удлиняется с помощью механизмов перепуска. Регулировка заданной силы тока в электроде осуществляется путем перещения электрода по вертикальной оси.

5. Выпуск кремния осуществляется практически непрерывно через ледку (отверстие в футеровке) в стальную футерованную изложницу.

6. В печи с шунтированной дугой происходит восстановление кремния из кремнезёма кварцита углеродом восстановителя. Теоретическая температура начала процесса 1670 градусов цельсия. К основным типам восстановителей относятся: древесный уголь (берёзовый, сосновый), нефтекокс, каменный уголь.

7. Из рудотермической печи, расплавленный кварц попадает в ковш из которого он переливается по формам.

8. Сейчас на заводе работает одна печь, в ближайшее время будет пущена вторая, и тогда производственная мощность завода составит 30 тыс. тонн металлургического кремния в год. Кроме этого, выпускаемая продукция в дальнейшем будет поступать на завод поликристаллического кремния: его строительство в Омске начинается в этом году. Сейчас же готовая продукция экспортируется в Евросоюз.

9. Кстати, рыночная цена металлического кремния — 2500 евро за тонну.

10. Завод потребяет огромное количество электроэнергии для поддержания температуры в печи. Производство работает круглосуточно. А при первом запуске печи на ее разогрев до рабочей температуры потребовалось около двух недель.

11. На заводе в качестве сырья для производства металлургического кремния применяется жильный кварц из Улытаутского района.

12. В формах металлический кремний охлаждается и застывает.

13. Металлический кремний является основой для высокотехнологичной промышленности. Кремний — это и фотоэлементы для солнечных батарей, и полупроводники для компьютеров, и многое, многое другое.

14. Кстати, производство металлургического кремния абсолютно безотходно. Над печью стоят воздуховоды, и вся пыль уходит в газоочистку, где улавливаются микрочастицы. Эта кремниевая пыль является полезным продуктом в другой части производства. Например, раньше в Европе кварц переплавляли только для того, чтобы его потом размолоть и добавить в бетон, в растворы, которые обладают очень большим укрепляющим свойством. Кварцевая кристаллическая решетка очень прочная. И 900-ю марку бетона можно получить только с помощью кремния. А есть еще гидроизоляционные замазки, ударопрочные полы, эта продукция используется для укрепления тоннелей метро.

15. После оставания кремний дробят на мелкие куски гидромолотом.

16. Затем готовая продукция упаковывается в бигбэги — пластиковые мешки, вмещающие 1000 килограмм металлургического кремния и отправляется заказчикам.

17. Что можно сделать с техническим кремнием? Технологическая цепочка в производстве кремния продолжается: металлургический кремний — поликремний — монокристаллический кремний — кремниевые пластины. Для дальнейшей очистки металлургический кремний перегоняют, превращая в экологически вредные соединения хлора: дихлорсилан или трихлорсилан. После очистки последних в больших ректификационных колоннах и процессов осаждения получается поликремний, где концентрация примесей не превышает десятитысячной доли процента. После этого его переплавляют в монокристаллический материал, а монокристаллы режут на пластины. Так получают до 80% монокристаллического кремния, используемого в электронике.