El silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, se utiliza ampliamente en metalurgia, aleaciones de aluminio, productos químicos, baterías, energía solar y electrónica. En esta enorme cadena industrial, el silicio de grado metalúrgico (MG-Si) desempeña el papel de materia prima básica y es el punto de partida de todos los materiales de silicio de alta-pureza (como el polisilicio y el silicio de grado electrónico).
Entonces, ¿cómo se extrae el silicio de grado metalúrgico del mineral de cuarzo natural? En este artículo, profundizaremos en el proceso de producción completo del silicio industrial.
¿Qué es el silicio de grado metalúrgico?
El silicio de calidad metalúrgica es una materia prima de aleación no-ferrosa rica en silicio, con un contenido de silicio de entre el 95 % y el 99,5 %. Generalmente se presenta en forma de trozos metálicos grises, pero también se puede procesar en productos granulados o en polvo si se solicita.
A pesar del nombre "silicio metálico", el silicio de grado metalúrgico-no es un metal puro, sino una mezcla de hierro (Fe), aluminio (Al), calcio (Ca) y otras impurezas. El contenido de estas impurezas determina su ámbito de aplicación y valor de mercado.
Los principales usos del silicio de grado metalúrgico incluyen: desoxidación de acero, refuerzo de aleaciones de aluminio, materias primas de aleaciones de ferrosilicio, materias primas químicas, aditivos para baterías, materiales refractarios y materiales fotovoltaicos y semiconductores primarios.
Preparación de Materias Primas: Del Cuarzo a las Mezclas Reactivas
La principal materia prima del silicio de calidad metalúrgica es el cuarzo (SiO₂) o la cuarcita. Estos minerales contienen dióxido de silicio de alta-pureza, que es la principal forma de silicio que se encuentra en la naturaleza.
El proceso de reducción del dióxido de silicio tiene un alto umbral energético debido a sus enlaces Si-O muy estables. Para realizar la reacción de reducción, el cuarzo debe mezclarse completamente con sustancias que contienen carbono-(por ejemplo, coque, carbón, astillas de madera, carbón vegetal, etc.) para formar una mezcla de reacción. Estas fuentes de carbono pueden reaccionar con el oxígeno a altas temperaturas para liberar silicio puro.
Proceso central: reducción carbotérmica en un horno de arco eléctrico
El proceso principal de fabricación del silicio industrial es la reacción de reducción carbotérmica (CR) en un horno de arco eléctrico sumergido.
Entorno de reacción de alta-temperatura
La temperatura dentro del horno normalmente se mantiene entre 1500 y 2000 grados. El horno se basa en electrodos para conducir una fuerte corriente eléctrica hacia la carga, creando una zona de arco de alta-temperatura. Esta temperatura es suficiente para impulsar la siguiente reacción principal: SiO₂ (sólido) + 2C (sólido) → Si (líquido) + 2CO (gas).
En la carga tiene lugar la reacción de reducción entre sílice y carbono, produciendo silicio líquido y monóxido de carbono gaseoso.
Mecanismo de reacción multi-etapa
El horno no es un entorno de reacción homogéneo: las altas temperaturas en la zona central provocan reacciones rápidas y la formación de grandes cantidades de silicio líquido.
Las temperaturas más bajas en las zonas periféricas pueden provocar la formación del gas intermedio SiO (óxido de silicio).
Estos gases pueden seguir reaccionando dentro del horno para formar silicio o escapar del horno para formar el subproducto -humo de sílice.
Mantener la porosidad de la carga
Para garantizar un flujo fluido de gases, la capa de reactivo debe estar bien ventilada. Si la capa de carga es demasiado densa, la eficiencia de reducción se reducirá y aumentará el consumo de energía.
Rosca y Refinación Preliminar
Una vez que el silicio líquido ha convergido en el fondo del horno, se introduce a través de la abertura del horno y se desvía hacia la cuchara o crisol. En este punto, el silicio suele estar en un estado líquido de alta-temperatura con impurezas.
En el procesamiento posterior, el productor realiza un refinado preliminar para controlar el contenido de aluminio, calcio y otras impurezas y garantizar que el producto cumpla con las especificaciones químicas preestablecidas.
Enfriamiento, moldeado y trituración.
Después del refinamiento inicial, el silicio líquido se vierte en moldes y se enfría para formar lingotes.
Una vez completado el enfriamiento, los lingotes se triturarán mediante un equipo de trituración mecánico, se tamizarán según diferentes tamaños de partículas (por ejemplo, . 10-100 mm), se empaquetarán y se prepararán para su envío.
Características clave y control de calidad del silicio de grado metalúrgico
La calidad del silicio de calidad metalúrgica se mide mediante los siguientes aspectos: contenido de Si (normalmente del 95 % al 99,5 %); contenido de impurezas como Fe, Al y Ca; especificaciones de tamaño de partículas y forma de partículas; y estabilidad composicional-de-lotes.
Los fabricantes suelen realizar análisis espectrales y pruebas físicas en cada lote de silicio y emiten un informe de calidad (COA) para garantizar que los clientes puedan utilizar el producto sin preocupaciones.
Usos del metal de silicio de grado metalúrgico
Siderurgia
Se agrega al acero como desoxidante para eliminar eficazmente el oxígeno y mejorar la resistencia y tenacidad del acero.
Fabricación de aleaciones de aluminio.
Se utiliza para mejorar la resistencia, la resistencia a la corrosión y el rendimiento de fundición de la aleación de aluminio.
Industria química
Se utiliza como materia prima importante para la preparación de silano, silicato, aceite de silicona, resina de silicona y otros productos químicos.
Materiales de la batería
Se utiliza como aditivo para los ánodos de baterías de iones de litio-para mejorar la capacidad y el ciclo de vida de la batería.
Industria fotovoltaica y de semiconductores
Aunque el silicio de grado metalúrgico-no es lo suficientemente puro como para usarse directamente en productos electrónicos-de alta gama, puede usarse como precursor de purificación para la producción de polisilicio o silicio de grado-químico.
Refractarios
Ampliamente utilizado en ladrillos refractarios y compuestos para hogares de hornos de alta-temperatura, cerámica y vidrio.
Conclusión
Desde mineral de cuarzo natural hasta lingotes de silicio de alta-pureza, el proceso de producción de silicio de grado metalúrgico- integra tecnologías multidisciplinarias como reacciones fisicoquímicas de alta-temperatura, ciencia de materiales y control de procesos. Como "proceso fuente" de la cadena industrial de materiales de silicio, su calidad y estabilidad afectan directamente el rendimiento y el costo de las aplicaciones posteriores.
A medida que la demanda global de energía verde, almacenamiento de energía, vehículos eléctricos y productos electrónicos inteligentes continúa creciendo, la importancia del silicio de grado metalúrgico-es cada vez más prominente, lo que también brinda nuevas oportunidades para la modernización industrial y el desarrollo de tecnología de protección ambiental.
