Kuidas toodetakse tööstuslikku räni

Räni, maapõue leviku poolest teine ​​element, kasutatakse laialdaselt metallurgias, alumiiniumisulamites, kemikaalides, akudes, päikeseenergias ja elektroonikas. Selles tohutus tööstusahelas mängib metallurgilise kvaliteediga räni (MG{1}}Si) põhitooraine rolli ja on kõigi kõrge -puhtusastmega ränimaterjalide (nagu polüräni ja elektroonilise kvaliteediga räni) lähtepunkt.
 

Niisiis, kuidas ekstraheeritakse metallurgilise kvaliteediga räni looduslikust kvartsimaagist? Selles artiklis tutvustame teid tööstusliku räni täielikku tootmisprotsessi.

Metallurgilise kvaliteediga räni on ränirikas värviliste metallide sulamite toormaterjal, mille ränisisaldus on 95–99,5%. Tavaliselt on see hallide metallist tükkidena, kuid soovi korral saab seda töödelda ka graanuliteks või pulbrilisteks toodeteks.

Vaatamata nimetusele "ränimetall", ei ole metallurgiline{0}}puhas räni puhas metall, vaid raua (Fe), alumiiniumi (Al), kaltsiumi (Ca) ja muude lisandite segu. Nende lisandite sisaldus määrab selle kasutusala ja turuväärtuse.

Metallurgilise räni peamised kasutusalad on järgmised: terase deoksüdatsioon, alumiiniumsulamite tugevdamine, ferrosiliitsiumi sulami toorained, keemilised toorained, aku lisandid, tulekindlad materjalid ning esmased fotogalvaanilised ja pooljuhtmaterjalid.

Metallurgilise räni peamine tooraine on kvarts (SiO₂) või kvartsiit. Need mineraalid sisaldavad kõrge-puhtusastmega ränidioksiidi, mis on peamine looduses leiduv räni vorm.

Ränidioksiidi redutseerimisprotsessil on kõrge energialävi selle väga stabiilsete Si{0}}O-sidemete tõttu. Redutseerimisreaktsiooni teostamiseks tuleb kvarts põhjalikult segada süsiniku -sisaldavate ainetega (nt koks, kivisüsi, puiduhake, puusüsi jne), et moodustada reaktsioonisegu. Need süsinikuallikad on võimelised reageerima hapnikuga kõrgel temperatuuril, et vabastada puhas räni.

Tööstusliku räni põhitootmisprotsess on karbotermilise redutseerimise (CR) reaktsioon sukeldatud elektrikaarahjus.

Kõrge{0}}temperatuuriline reaktsioonikeskkond

Temperatuuri ahjus hoitakse tavaliselt 1500 kuni 2000 kraadi juures. Ahi toetub elektroodidele, mis juhivad laengusse tugeva elektrivoolu, luues kõrge -temperatuuri kaaretsooni. Sellest temperatuurist piisab järgmise põhireaktsiooni käivitamiseks: SiO₂ (tahke) + 2C (tahke) → Si (vedel) + 2CO (gaas).

Laengus toimub ränidioksiidi ja süsiniku vaheline redutseerimisreaktsioon, mille tulemusena tekib vedel räni ja süsinikmonooksiid.

Mitme-etapilise reaktsiooni mehhanism

Ahi ei ole homogeenne reaktsioonikeskkond: kõrge temperatuur keskosas põhjustab kiireid reaktsioone ja suures koguses vedela räni moodustumist.

Madalamad temperatuurid äärealadel võivad põhjustada vahegaasi SiO (ränioksiidi) moodustumist.

Neid gaase saab edasise reaktsiooniga ahjus räni moodustamiseks või ahjust väljuda, moodustades kõrvalsaaduse ränidioksiidi suitsu.

Laengu poorsuse säilitamine

Gaasi sujuva liikumise tagamiseks peab reaktiivkiht olema hästi ventileeritud. Kui laadimiskiht on liiga tihe, väheneb vähendamise efektiivsus ja suureneb energiatarbimine.

Pärast seda, kui vedel räni on ahju põhja koondunud, koputatakse see läbi ahju ava ja suunatakse kulbi või tiiglisse. Sel hetkel on räni tavaliselt kõrgel temperatuuril{1}}vedel lisanditega.

Edasisel töötlemisel viib tootja läbi eelrafineerimise, et kontrollida alumiiniumi, kaltsiumi ja muude lisandite sisaldust ning tagada toote vastavus eelnevalt seatud keemilistele spetsifikatsioonidele.

Pärast esialgset rafineerimist valatakse vedel räni vormidesse ja jahutatakse valuplokkideks.

Pärast jahutamist purustatakse valuplokid mehaaniliste purustusseadmetega, sõelutakse vastavalt erinevatele osakeste suurustele (nt . 10-100mm), pakendatakse ja valmistatakse ette saatmiseks.

Metallurgilise räni kvaliteeti mõõdetakse järgmiste aspektidega: Si sisaldus (tavaliselt 95% kuni 99,5%); lisandite, nagu Fe, Al ja Ca, sisaldus; osakeste suuruse ja kuju spetsifikatsioonid; ja partii-to-kompositsiooni stabiilsus.

Tootjad viivad tavaliselt läbi iga ränipartii spektraalanalüüsi ja füüsilise testimise ning väljastavad kvaliteediaruande (COA), et kliendid saaksid toodet muretult kasutada.

Raua- ja terasetööstus

Lisatakse terasele deoksüdeerijana, et eemaldada tõhusalt hapnikku ning suurendada terase tugevust ja sitkust.

Alumiiniumsulamite tootmine

Kasutatakse alumiiniumisulami tugevuse, korrosioonikindluse ja valuomaduste parandamiseks.

Keemiatööstus

Kasutatakse olulise toorainena silaani, silikaadi, silikoonõli, silikoonvaigu ja muude keemiatoodete valmistamisel.

Aku materjalid

Kasutatakse liitium{0}}ioonaku anoodide lisandina, et suurendada aku mahtuvust ja tsükli eluiga.

Fotogalvaaniliste ja pooljuhtide tööstus

Kuigi metallurgilise -puhtusega räni ei ole piisavalt puhas, et seda otse tipptasemel-elektroonikas kasutada, saab seda kasutada polüräni või keemilise -puhtuse räni tootmisel puhastamise lähteainena.

Tulekindlad materjalid

Kasutatakse laialdaselt tulekindlates tellistes ja kõrgtemperatuursete ahjukollete{0}}komposiitmaterjalides, keraamikas ja klaasis.

Alates looduslikust kvartsimaagist kuni kõrge -puhtusastmega räni valuplokkideni – metallurgilise-puhtusega räni tootmisprotsess integreerib multidistsiplinaarseid tehnoloogiaid, nagu kõrgtemperatuurilised füüsikalis-keemilised reaktsioonid, materjaliteadus ja protsesside juhtimine. Ränimaterjalitööstuse ahela "allikaprotsessina" mõjutavad selle kvaliteet ja stabiilsus otseselt järgnevate rakenduste jõudlust ja maksumust.

Kuna ülemaailmne nõudlus rohelise energia, energiasalvestite, elektrisõidukite ja nutikate elektroonikatoodete järele kasvab jätkuvalt, muutub metallurgilise{0}}kvaliteediga räni tähtsus üha olulisemaks, mis toob kaasa ka uusi võimalusi tööstuslikuks ajakohastamiseks ja keskkonnakaitsetehnoloogia arendamiseks.