Wie wird Siliziummetall hergestellt? Von Quarz zu metallurgischem -Silizium
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Was ist Siliziummetall?
Siliziummetall, auch metallurgisches -Silizium (MG-Si) oder Industriesilizium genannt, ist ein halbmetallisches Elementprodukt mit einem Siliziumgehalt von etwa 98-99,7 %. Es ist das Grundmaterial für Aluminium-Siliziumlegierungen, Silikonpolymere, elektronisches Silizium und photovoltaisches Polysilizium. Im Gegensatz zu Ferrosilicium, das Eisen enthält, ist Siliciummetall im Wesentlichen reines elementares Silicium mit Spuren von Verunreinigungen.
Rohstoffe und Vorbereitung
Die Produktion beginnt mit hochreinem Quarz oder Quarzit, der sehr wenig Eisen, Aluminium und Kalzium enthält. Das Kohlenstoffreduktionsmittel ist eine Mischung aus Petrolkoks, Holzkohle und Kohle, die so ausgewählt wurde, dass sie das richtige Reaktivitäts- und Verunreinigungsprofil ergibt. Der Quarz wird gewaschen, zerkleinert und klassiert, und die Reduktionsmittel werden getrocknet und gemischt. Die Qualität des Rohmaterials ist der erste Kontrollpunkt: Verunreinigungen im Futtermittel gelangen größtenteils in das Produkt.
Schmelzen im Elektrolichtbogenofen
Die gemischte Charge wird kontinuierlich in einen Elektrolichtbogenofen mit Dreiphasenelektroden eingespeist. Der Ofen arbeitet bei Temperaturen über 1800 Grad und die Kernreaktion ist die carbothermische Reduktion von Kieselsäure:
SiO2 + 2C=Si + 2CO
Das flüssige Silizium sammelt sich am Ofenboden und wird regelmäßig abgezapft, während Kohlenmonoxid verbrannt oder zurückgewonnen wird. Der Stromverbrauch ist der dominierende Betriebskostenfaktor und liegt typischerweise im Bereich von 11.000 bis 13.000 kWh pro Tonne Silizium, je nach Ofeneffizienz und Rohstoffen.
Verfeinerung, Guss und Dimensionierung
Gezapftes Silizium enthält gelöstes Aluminium, Kalzium und Eisen. Die Raffination erfolgt durch Einblasen von Sauerstoff oder Luft mit Flussmittelzusätzen, die Aluminium und Kalzium zu einer entfernbaren Schlacke oxidieren. Eisen wird hauptsächlich durch die Auswahl der Rohstoffe kontrolliert. Das raffinierte Metall wird in Barren oder kontinuierliche Brammen gegossen, abgekühlt, zerkleinert und in Produktgrößen wie 10–100 mm große Klumpen, Granulat oder Pulver gesiebt. Die magnetische Trennung entfernt jegliche metallischen Eisenansammlungen aus der Zerkleinerungsausrüstung.
Notensystem und Spezifikationen
| Grad | Fe max | Al max | Ca max | Si min |
| 553 | 0.5% | 0.5% | 0.3% | 98.5% |
| 441 | 0.4% | 0.4% | 0.1% | 99.0% |
| 3303 | 0.3% | 0.3% | 0.03% | 99.3% |
| 2202 | 0.2% | 0.2% | 0.02% | 99.5% |
Anwendungen der verschiedenen Grade
Sorte 553: allgemeines Aluminiumlegierungs- und Silikonrohmaterial.
Sorte 441: Gusslegierungen mit strengeren Eisengrenzwerten und chemischen Prozessen.
Sorten 3303 und 2202: hochwertigere Aluminium- und chemische Anwendungen sowie Aufbereitung von Rohstoffen in Richtung photovoltaischer Reinheit.
Wie die Qualität im Werk kontrolliert wird
Eine produzierende Anlage kontrolliert die Qualität in drei Phasen: Analyse des eingehenden Rohmaterials, Betriebsparameter des Ofens (Leistungsaufnahme, Zufuhrbilanz, Abstichplan) und Endproduktanalyse mittels RFA oder Nasschemie für jede Charge. Analysezertifikate enthalten Silizium, Eisen, Aluminium, Kalzium und bei Bedarf weitere Elemente wie Phosphor und Bor. Käufer sollten die Chargenanalyse anfordern, Probenahmeregeln festlegen und die Partikelgrößenverteilung bei der Ankunft überprüfen.
FAQ
1. Was ist der Unterschied zwischen Siliziummetall und Ferrosilizium?
Ferrosilizium ist eine Eisen-{0}}Siliziumlegierung (typischerweise 15–90 % Silizium mit Eisen als Rest), die hauptsächlich zur Desoxidation von Stahl und zur Impfung von Kugeleisen verwendet wird. Siliziummetall ist nahezu reines Silizium und wird dort verwendet, wo kein Eisen eingeführt werden darf, beispielsweise bei Aluminiumlegierungen und Silikonen.
2. Warum ist die Herstellung von Siliziummetall so energieintensiv-?
Die carbothermische Reduktion von Quarz erfordert elektrisch aufrechterhaltene Temperaturen über 1800 Grad. Der Großteil der Energie wird durch die Reduktionsreaktion selbst und durch Ofenwärmeverluste verbraucht, weshalb die Stromkosten maßgeblich die Wettbewerbsfähigkeit der Produktionsregionen bestimmen.
3. Kann ich die Sorte 553 für chemische-Anwendungen verwenden?
Für viele Silikonprozesse ist 553 oder 441 geeignet. Die chemischen-Qualitätsspezifikationen regeln jedoch auch Phosphor und Bor. Lassen Sie sich daher die vollständige Analyse mit dem Hersteller bestätigen, anstatt sich nur auf die drei{4}stellige Qualität zu verlassen.
4. Welche Partikelgröße soll ich bestellen?
Stücke von 10–100 mm eignen sich für Ofenerweiterungen in Aluminiumfabriken; Körnchen von 0,2–6 mm eignen sich für die Drahtförderung und Chemikaliendosierung. Bestätigen Sie die Bußgeldgrenze im Vertrag, damit die Größenverteilung zu Ihrer Ausrüstung passt.
5. Wie überprüfe ich die Qualität einer gelieferten Charge?
Vergleichen Sie das Analysezertifikat mit dem Vertrag, überprüfen Sie die Größenverteilung durch Screening und lassen Sie gegebenenfalls eine unabhängige Analyse durchführen. Bewahren Sie die Rückstellproben jeder Charge zur Streitbeilegung versiegelt auf.
