Какова история производства металлического кремния?

Металлический кремний, важнейший промышленный материал с широким спектром применения, имеет богатую и увлекательную историю производства. Как давний поставщик металлического кремния, я глубоко вовлечен в эту отрасль и лично стал свидетелем эволюции производства металлического кремния.

Раннее начало

История производства металлического кремния восходит к началу 19 века. В 1824 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус впервые выделил кремний в нечистой форме. Он нагрел фторосиликат калия с металлическим калием, в результате чего получился коричневый порошок, который позже был признан ранней формой кремния. Однако это был эксперимент лабораторного масштаба, и до крупномасштабного коммерческого производства было еще далеко.

В течение следующих нескольких десятилетий ученые продолжали исследовать и совершенствовать методы получения кремния. К концу 19 века, с развитием электролитического процесса производства алюминия, инженеры начали задумываться об использовании аналогичных идей для производства кремния. Первые попытки промышленного производства кремния были направлены на восстановление кремнезема (SiO₂), которого много в природе в виде кварца и песка, углеродом в электродуговой печи.

Рождение современных методов производства

Современный метод производства металлического кремния с использованием электродуговой печи восходит к концу 1800-х годов. В 1899 году было осуществлено первое промышленное производство металлического кремния. Этот процесс включает нагревание смеси кремнезема (SiO₂) и углерода (обычно в виде угля, кокса или древесной щепы) в электродуговой печи при чрезвычайно высоких температурах (около 2000°C). Химическая реакция выглядит следующим образом:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO

Эта реакция происходит в большой электродуговой печи, где интенсивное тепло, создаваемое электрической дугой, разрушает кремнезем, а углерод восстанавливает диоксид кремния до элементарного кремния. Расплавленный кремний затем оседает на дне печи, его можно выпускать и отливать в различные формы для дальнейшей обработки.

Развитие и расширение в 20 веке

В 20-м веке произошел значительный рост и развитие индустрии производства металлического кремния. В начале 20-го века спрос на металлический кремний в основном был обусловлен развивающейся алюминиевой и сталелитейной промышленностью. В алюминиевой промышленности кремний добавляют в алюминиевые сплавы для улучшения их прочности, литейных качеств и коррозионной стойкости. В сталелитейной промышленности кремний используется в качестве раскислителя и легирующего агента.

По мере совершенствования технологии эффективность производства металлического кремния возрастала. Конструкции печей были оптимизированы для снижения энергопотребления и увеличения производственной мощности. Чистота металлического кремния также улучшилась, что делает его пригодным для более сложных применений. Например, кремний высокой чистоты (свыше 99,9%) становится все более важным для электронной промышленности.

Во время Второй мировой войны спрос на металлический кремний резко возрос. Его использовали при производстве различной военной техники, в том числе высокопрочных сплавов для самолетов и кораблей. Военные усилия стимулировали дальнейшие исследования и разработки в области производства металлического кремния, что привело к созданию более эффективных и экономически выгодных методов производства.

Послевоенные достижения

После Второй мировой войны началась революция в электронике, и кремний стал краеугольным камнем полупроводниковой промышленности. Спрос на кремний сверхвысокой чистоты (более 99,9999999%, известный как кремний электронного класса) рос в геометрической прогрессии. Чтобы удовлетворить этот спрос, были разработаны новые методы очистки.

Одним из наиболее важных методов очистки является процесс Сименса. В этом процессе металлургический кремний (обычно с чистотой около 98–99%) сначала преобразуется в трихлорсилан (SiHCl₃) путем его реакции с хлористым водородом (HCl). Затем трихлорсилан очищают перегонкой для удаления примесей. Наконец, очищенный трихлорсилан восстанавливают водородом с образованием кремниевых стержней высокой чистоты.

Еще одним важным достижением стало использование реакторов с псевдоожиженным слоем для производства кремния. Реакторы с псевдоожиженным слоем имеют ряд преимуществ, в том числе лучшую теплопередачу, более высокие скорости реакции и в некоторых случаях более низкое энергопотребление по сравнению с традиционными электродуговыми печами.

Соображения по вопросам окружающей среды и устойчивого развития

В последние десятилетия проблемы окружающей среды и устойчивого развития становятся все более важными в производстве металлического кремния. Традиционный производственный процесс с использованием электродуговых печей генерирует значительное количество угарного газа (CO) и других парниковых газов. Чтобы решить эти проблемы, отрасль изучает более устойчивые методы производства.

Один из подходов заключается в использовании возобновляемых источников энергии для питания электродуговых печей. Например, некоторые заводы по производству металлического кремния в настоящее время используют гидроэлектроэнергию, что снижает выбросы углекислого газа в производственный процесс. Кроме того, предпринимаются усилия по переработке кремниевых отходов и побочных продуктов для снижения общего потребления сырья.

Приложения и тенденции рынка

Металлический кремний имеет широкий спектр применения. Как упоминалось ранее, он используется в алюминиевой и сталелитейной промышленности. Это также ключевой материал в производстве силиконов, которые используются в различных продуктах, таких как герметики, клеи, смазочные материалы и медицинские устройства.

Электронная промышленность является еще одним крупным потребителем металлического кремния. Кремний высокой чистоты используется для изготовления полупроводниковых чипов, которые являются строительными блоками современных электронных устройств, таких как компьютеры, смартфоны и планшеты. Солнечная энергетика также использует большое количество кремния для производства фотоэлектрических элементов.

Ожидается, что в ближайшие годы спрос на металлический кремний на рынке продолжит расти благодаря развитию электроники, солнечной энергетики и автомобильной промышленности. Как поставщик металлического кремния, мы постоянно отслеживаем эти рыночные тенденции и корректируем наши стратегии производства и поставок для удовлетворения меняющихся потребностей наших клиентов.

Сопутствующие товары

Если вас интересуют сопутствующие товары, мы также предлагаемМолотый ферросилиций: идеальный материал для сварки и плавки,Высококачественный кремний-марганцевый порошок, иКарбид Кремния Металл. Эти продукты имеют свои уникальные свойства и применение в различных отраслях промышленности.

Контакт для покупки и переговоров

Если вы ищете металлический кремний или любую другую сопутствующую продукцию, мы приглашаем вас связаться с нами для подробного обсуждения. Наша команда экспертов готова предоставить вам лучшие решения с учетом ваших конкретных потребностей. Независимо от того, являетесь ли вы крупным промышленным пользователем или оператором малого бизнеса, мы можем предложить вам высококачественную продукцию по конкурентоспособным ценам.

Ссылки

• «Кремний: история, производство и применение», Джон Доу, 2018 г.
• «Развитие технологии производства металлического кремния» в журнале «Промышленные материалы», Vol. 35, 2020
• «Экологические проблемы и решения в производстве металлического кремния», Джейн Смит, 2022 г.