Le silicium, deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, est largement utilisé dans la métallurgie, les alliages d'aluminium, la chimie, les batteries, l'énergie solaire et l'électronique. Dans cette immense chaîne industrielle, le silicium de qualité métallurgique (MG-Si) joue le rôle de matière première de base et est le point de départ de tous les matériaux de silicium de haute-pureté (tels que le polysilicium et le silicium de qualité électronique).
Alors, comment le silicium de qualité métallurgique est-il extrait du minerai de quartz naturel ? Dans cet article, nous allons vous plonger en profondeur dans le processus complet de production de silicium industriel.
Qu’est-ce que le silicium de qualité métallurgique ?
Le silicium de qualité métallurgique est une matière première d'alliage non ferreux riche en silicium, avec une teneur en silicium comprise entre 95 % et 99,5 %. Il se présente généralement sous forme de morceaux gris métalliques, mais peut également être transformé en produits granulaires ou en poudre sur demande.
Malgré son nom de « silicium métallique », le silicium de qualité métallurgique-n'est pas un métal pur, mais un mélange de fer (Fe), d'aluminium (Al), de calcium (Ca) et d'autres impuretés. La teneur en ces impuretés détermine son champ d'application et sa valeur marchande.
Les principales utilisations du silicium de qualité métallurgique comprennent : la désoxydation de l'acier, le renforcement des alliages d'aluminium, les matières premières en alliage de ferrosilicium, les matières premières chimiques, les additifs pour batteries, les matériaux réfractaires et les matériaux photovoltaïques et semi-conducteurs primaires.
Préparation des matières premières : du quartz aux mélanges réactifs
La principale matière première du silicium de qualité métallurgique est le quartz (SiO₂) ou le quartzite. Ces minéraux contiennent du dioxyde de silicium de haute pureté-, qui est la principale forme de silicium trouvée dans la nature.
Le processus de réduction du dioxyde de silicium a un seuil énergétique élevé en raison de ses liaisons Si-O très stables. Afin de réaliser la réaction de réduction, le quartz doit être soigneusement mélangé avec des substances contenant du carbone - (par exemple, coke, charbon, copeaux de bois, charbon de bois, etc.) pour former un mélange réactionnel. Ces sources de carbone sont capables de réagir avec l’oxygène à haute température pour libérer du silicium pur.
Processus de base : réduction carbothermique dans un four à arc électrique
Le processus de fabrication principal du silicium industriel est la réaction de réduction carbothermique (CR) dans un four à arc électrique immergé.
Environnement de réaction à haute-température
La température à l'intérieur du four est généralement maintenue entre 1 500 et 2 000 degrés. Le four s'appuie sur des électrodes pour conduire un fort courant électrique dans la charge, créant ainsi une zone d'arc à haute température. Cette température est suffisante pour provoquer la réaction principale suivante : SiO₂ (solide) + 2C (solide) → Si (liquide) + 2CO (gaz).
Dans la charge, la réaction de réduction entre la silice et le carbone a lieu, produisant du silicium liquide et du monoxyde de carbone gazeux.
Mécanisme de réaction en plusieurs -étapes
Le four n'est pas un environnement réactionnel homogène : des températures élevées dans la zone centrale entraînent des réactions rapides et la formation de grandes quantités de silicium liquide.
Des températures plus basses dans les zones périphériques peuvent conduire à la formation du gaz intermédiaire SiO (oxyde de silicium).
Ces gaz peuvent soit réagir davantage dans le four pour former du silicium, soit s'échapper du four pour former le sous-produit -fumée de silice.
Maintenir la porosité de la charge
Afin d'assurer une circulation fluide des gaz, la couche de réactif doit être bien ventilée. Si la couche de charge est trop dense, l’efficacité de réduction sera réduite et la consommation d’énergie augmentera.
Exploitation et affinage préliminaire
Une fois que le silicium liquide a convergé vers le fond du four, il est soutiré à travers l’ouverture du four et détourné vers la poche ou le creuset. À ce stade, le silicium est généralement dans un état liquide à haute température avec des impuretés.
Lors du traitement ultérieur, le producteur effectue un raffinage préliminaire pour contrôler la teneur en aluminium, calcium et autres impuretés et pour garantir que le produit répond aux spécifications chimiques prédéfinies.
Refroidissement, moulage et concassage
Après le raffinage initial, le silicium liquide est coulé dans des moules et refroidi pour former des lingots.
Une fois le refroidissement terminé, les lingots seront broyés par un équipement de concassage mécanique, criblés en fonction de différentes tailles de particules (par exemple . 10-100 mm), emballés et préparés pour l'expédition.
Caractéristiques clés et contrôle qualité du silicium de qualité métallurgique
La qualité du silicium de qualité métallurgique est mesurée par les aspects suivants : teneur en Si (généralement 95 % à 99,5 %) ; teneur en impuretés telles que Fe, Al et Ca ; spécifications de taille des particules et forme des particules ; et la stabilité de la composition des lots-à-par lots.
Les fabricants effectuent généralement des analyses spectrales et des tests physiques sur chaque lot de silicium et émettent un rapport de qualité (COA) pour garantir que les clients peuvent utiliser le produit sans souci.
Utilisations du silicium métal de qualité métallurgique
Industrie sidérurgique
Ajouté à l'acier comme désoxydant pour éliminer efficacement l'oxygène et améliorer la résistance et la ténacité de l'acier.
Fabrication d'alliages d'aluminium
Utilisé pour améliorer la résistance, la résistance à la corrosion et les performances de moulage de l'alliage d'aluminium.
Industrie chimique
Utilisé comme matière première importante pour la préparation de silane, de silicate, d'huile de silicone, de résine de silicone et d'autres produits chimiques.
Matériaux de batterie
Utilisé comme additif pour les anodes de batterie au lithium-ion afin d'améliorer la capacité et la durée de vie de la batterie.
Industrie photovoltaïque et semi-conducteur
Bien que le silicium de qualité métallurgique-ne soit pas suffisamment pur pour être utilisé directement dans-l'électronique haut de gamme, il peut être utilisé comme précurseur de purification pour la production de silicium polycristallin ou de silicium de qualité-chimique.
Réfractaires
Largement utilisé dans les briques réfractaires et les composites pour les foyers de fours à haute température, la céramique et le verre.
Conclusion
Du minerai de quartz naturel aux lingots de silicium de haute pureté-, le processus de production de silicium de qualité métallurgique-intègre des technologies multidisciplinaires telles que les réactions physicochimiques-à haute température, la science des matériaux et le contrôle des processus. En tant que « processus source » de la chaîne industrielle des matériaux en silicium, sa qualité et sa stabilité affectent directement les performances et les coûts des applications en aval.
Alors que la demande mondiale en énergie verte, en stockage d'énergie, en véhicules électriques et en produits électroniques intelligents continue de croître, l'importance du silicium de qualité métallurgique-devient de plus en plus importante, ce qui ouvre également de nouvelles opportunités de modernisation industrielle et de développement de technologies de protection de l'environnement.
