چگونهسیلیکون متالساخته شده: کوارتز، کربن و کوره قوس زیر آب

 

1. انتخاب و تهیه مواد خام

کیفیت تمام شدهفلز سیلیکوناساساً با خلوص مواد اولیه تعیین می شود. دو دسته ورودی مورد نیاز است: مواد اولیه حاوی سیلیکون-و عامل کاهنده کربن. هر کدام باید قبل از ورود به کوره به دقت تهیه، آزمایش و ترکیب شوند.

کوارتز و سیلیس: منبع سیلیکون

منبع اولیه سیلیکون کوارتز یا کوارتزیت با خلوص بالا-، شکل کریستالی دی اکسید سیلیکون (SiO2) است. همه ذخایر کوارتز مناسب نیستندسیلیکون درجه متالورژی-تولید کوارتز باید معیارهای شیمیایی دقیقی را داشته باشد، به ویژه با توجه به سطوح اکسید آلومینیوم (Al2O3)، اکسید آهن (Fe2O3) و اکسید کلسیم (CaO)، زیرا این ناخالصی‌ها مستقیماً به فلز نهایی گزارش می‌شوند و پس از معرفی به سختی حذف می‌شوند.

مشخصات کوارتز متالورژی معمولی محتوای SiO2 را بالای 98.5 درصد، با Al2O3 زیر 0.6 درصد، Fe2O3 زیر 0.2 درصد، و CaO کمتر از 0.15 درصد را می طلبد. کوارتز با درجه پایین‌تر{10}}را می‌توان برای گریدهای سیلیکونی با خلوص پایین‌تر استفاده کرد، اما تولیدکنندگانی که درجه‌های 3303 یا 2202 را هدف می‌گیرند به مواد خام بسیار تمیز نیاز دارند. برای اطمینان از نفوذپذیری بستر و سینتیک واکنش در داخل کوره، کوارتز خرد شده و تا اندازه یکنواخت، معمولاً 10 تا 80 میلی‌متر، غربال می‌شود.

احیا کننده های کربن: کک نفتی، زغال سنگ و زغال سنگ

عامل کاهنده به اندازه کوارتز حیاتی است. سه نوع اصلی کربن در تجارت استفاده می شودفلز سیلیکونتولید: کک نفتی، زغال چوب، و زغال سنگ متالورژی کم-. هر کدام دارای ویژگی های متمایزی هستند که بر عملکرد کوره و کیفیت محصول تأثیر می گذارد.

کک نفتی به دلیل محتوای کربن ثابت بالا، خاکستر کم و هزینه کم، پرمصرف ترین احیاکننده است. این محصول فرعی پالایش نفت است و بخش عمده ای از کربن مورد نیاز برای واکنش کاهش را فراهم می کند. با این حال، کک نفتی دارای محتوای گوگرد نسبتاً بالایی است که اگر به دقت کنترل نشود، می تواند ناخالصی های گوگرد را وارد فلز سیلیکون کند.

زغال چوب تولید شده از چوب دارای مزیت خاکستر بسیار کم و مقدار ناچیز گوگرد است. هنگام تولید درجات خلوص بالاتر از فلز سیلیکون، اغلب با کک نفتی مخلوط می شود. مزیت-این است که زغال چوب گرانتر است و چگالی ظاهری کمتری دارد که می تواند بر بهره وری کوره تأثیر بگذارد. در مناطقی که به جنگلداری پایدار دسترسی دارند، زغال چوب به عنوان یک کاهش دهنده ترجیحی برای سیلیکون درجه- درجه یک باقی می ماند.

زغال سنگ کم-خاکستر به عنوان یک کاهش دهنده تکمیلی در برخی عملیات ها عمل می کند. برای جلوگیری از آلوده شدن محصول باید مقدار خاکستر زیر 8 درصد و گوگرد کم داشته باشد. زغال سنگ معمولاً کمتر از کک نفتی یا زغال چوب ترجیح داده می شود، اما می تواند در مکان های جغرافیایی خاصی مزایای هزینه ای را ارائه دهد.

ترکیب و شارژ مواد

قبل از شارژ شدن در کوره، احیاکننده های کوارتز و کربن طبق یک دستور العمل محاسبه شده وزن شده و مخلوط می شوند. نسبت استوکیومتری کربن به سیلیس از نظر تئوری دو مول کربن در هر مول SiO2 است، اما در عمل از کربن اضافی برای اطمینان از کاهش کامل و جبران تلفات کربن از طریق احتراق و واکنش های جانبی استفاده می شود. این مخلوط معمولاً از بالای کوره با استفاده از سیستم‌های شارژ خودکار که مواد را به طور مساوی در سطح مقطع کوره توزیع می‌کند، شارژ می‌شود.

 

2. کوره قوس زیر آب: قلب فرآیند

راکوره قوس زیر آب(SAF) فناوری تعیین کننده صنعت فلز سیلیکون است. این کوره الکتریکی نام خود را از این واقعیت گرفته است که نوک الکترودها در زیر سطح مخلوط بار غوطه ور می شوند و یک قوس الکتریکی ایجاد می کنند که گرمای شدیدی را در ناحیه واکنش تولید می کند و در عین حال قوس را از جو محافظت می کند.

طراحی کوره و پیکربندی الکترود

کوره های قوس زیر آب صنعتی برایفلز سیلیکونتولید معمولاً از 10 تا 50 مگاوات در توان الکتریکی متغیر است. پوسته کوره یک ظرف فولادی دایره ای یا مستطیلی است که با آجرهای نسوز و بلوک های کربنی پوشانده شده است که می تواند در برابر دماهای شدید و شرایط شیمیایی داخل مقاومت کند. سه الکترود گرافیتی یا خود پخت{4} به صورت مثلثی مرتب شده اند و از طریق سقف به داخل شارژ نفوذ می کنند.

الکترودها به منبع تغذیه AC سه فاز متصل می شوند و توسط سیستم های موقعیت یابی هیدرولیک یا الکترومکانیکی به صورت عمودی حرکت می کنند. اپراتور عمق غوطه وری الکترود را برای حفظ بار الکتریکی پایدار و توزیع بهینه گرما کنترل می کند. غوطه وری خیلی کم عمق منجر به ایجاد قوس در سطح و تلفات تبخیر سیلیکون می شود. غوطه ور شدن بیش از حد عمیق می تواند باعث شرایط الکتریکی ناپایدار و نفوذپذیری ضعیف گاز شود.

منطقه واکنش و مشخصات دما

در داخل کوره، مناطق درجه حرارت مشخص از بالا به پایین توسعه می یابد. در ناحیه پیش گرمایش بالایی، مواد بار نزولی با افزایش گازهای داغ تا دمای حدود 500 تا 1000 درجه سانتیگراد گرم می شوند. در اینجا، هر گونه رطوبت باقیمانده از بین می رود و برخی از واکنش های اولیه ممکن است شروع شود. در ناحیه میانی، دما به حدود 1500 تا 1800 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، جایی که کاهش جزئی و تشکیل کاربید سیلیکون (SiC) رخ می دهد.

منطقه واکنش بحرانی در پایین کوره، مستقیماً زیر نوک الکترودها قرار دارد، جایی که دما به 1800 تا 2100 درجه سانتیگراد می رسد. در این دماها، کاربید سیلیکون با سیلیس واکنش می دهد و سیلیسیم مذاب و مونوکسید کربن را تشکیل می دهد. سیلیکون مذاب در کف کوره انباشته می شود و به طور دوره ای از طریق سوراخ سوراخ شده در پوشش نسوز کوبیده می شود. گاز مونوکسید کربن از طریق ستون شارژ بالا می رود و از طریق درگاه های اگزوز در بالای کوره خارج می شود.

گرادیان دما در داخل یک کوره قوس غوطه ور به طرز قابل ملاحظه ای تند است. فاصله تنها چند متری منطقه نسبتاً خنک پیش گرمایش را از ناحیه واکنش که در آن مواد نسوز به مرزهای نرم شدن خود نزدیک می شوند، جدا می کند. به همین دلیل است که طراحی و نگهداری پوشش کوره برای قابلیت اطمینان عملیاتی بسیار مهم است.

عملیات برق و مصرف برق

مصرف برق بزرگترین محرک هزینه استفلز سیلیکونتولید محدوده مصرف انرژی ویژه معمولی بین 11 تا 14 مگاوات-ساعت در هر تن متریک فلز سیلیکون تولید شده، بسته به کارایی کوره، کیفیت مواد خام و عملکرد عملیاتی است. الکترودها کربن را از طریق اکسیداسیون در سطوح در معرض خود و از طریق واکنش در نوک خود مصرف می کنند که نیاز به افزودن دوره ای مواد الکترود جدید دارد.

اپراتورهای کوره پارامترهای الکتریکی از جمله جریان فاز، ولتاژ، ضریب توان و موقعیت الکترود را در زمان واقعی نظارت می کنند. سیستم‌های کنترل پیشرفته از این اندازه‌گیری‌ها برای تنظیم خودکار موقعیت الکترود، حفظ عملکرد پایدار و در عین حال به حداکثر رساندن بهره‌وری انرژی و بازیابی سیلیکون استفاده می‌کنند.

 

3. ضربه زدن، ریخته گری و انجماد

هنگامی که مقدار کافی سیلیکون مذاب در کف کوره انباشته شد، سوراخ با استفاده از لنج اکسیژن یا تجهیزات حفاری باز می شود و فلز مایع به داخل یک ملاقه یا مستقیماً روی سطح ریخته گری جریان می یابد. فرآیند ضربه زدن باید به دقت کنترل شود تا از حمل سرباره بیش از حد به محصول جلوگیری شود.

جداسازی و تصفیه سرباره

مقدار کمی از سرباره در طول فرآیند احیا تشکیل می شود که عمدتاً از سیلیس واکنش نداده، اکسید کلسیم و اکسید آلومینیوم تشکیل شده است. این سرباره نسبت به سیلیکون مذاب چگالی کمتری دارد و بر روی سطح فلز شناور می شود و امکان جداسازی طبیعی در هنگام ضربه زدن را فراهم می کند. در برخی از عملیات، سیلیکون مذاب به یک ملاقه تصفیه منتقل می‌شود، جایی که ممکن است سرباره{2}}مواد تشکیل‌دهنده اضافی برای جذب ناخالصی‌های باقی مانده قبل از ریخته‌گری نهایی اضافه شود.

روش های ریخته گری

دو رویکرد اصلی ریخته گری در صنعت استفاده می شود. روش سنتی سیلیکون مذاب را در قالب های آهنی یا فولادی ریخته گری می ریزد و شمش ها یا بلوک هایی با اندازه تقریبا یکنواخت تولید می کند. روش جایگزین، فلز را روی یک بستر ریخته‌گری متحرک یا درون یک گودال می‌ریزد و صفحات بزرگ‌تری تولید می‌کند که متعاقباً شکسته می‌شوند. روش ریخته‌گری بر ساختار داخلی فلز جامد شده تأثیر می‌گذارد و می‌تواند بر رفتار شکست آن در طی خرد کردن بعدی تأثیر بگذارد.

با سرد شدن و جامد شدن سیلیکون، انقباض حجم قابل توجهی را متحمل می شود. بلوک ها یا دال های جامد شده تا دمای محیط خنک می شوند، فرآیندی که برای ریخته گری های بزرگ می تواند چندین ساعت طول بکشد. به طور کلی از خنک شدن سریع اجتناب می شود زیرا شوک حرارتی می تواند ترک های داخلی ایجاد کند که پردازش پایین دست را پیچیده می کند.

 

4. خرد کردن و طبقه بندی اندازه

پس از خنک شدن کامل، جامد می شودفلز سیلیکونباید به کسری اندازه مورد نیاز مشتریان تقسیم شود. این کار با استفاده از سنگ شکن های فکی، سنگ شکن های مخروطی و آسیاب های ضربه ای و به دنبال آن غربالگری روی عرشه های ارتعاشی انجام می شود.

کسر اندازه استاندارد

رایج ترین مشخصات اندازه تجاری برایسیلیکون صنعتی10 تا 50 میلی متر، 10 تا 100 میلی متر و 50 تا 150 میلی متر هستند. برخی از مشتریان، به ویژه در صنایع شیمیایی، به قطعات ریزتر مانند 0 تا 10 میلی متر یا حتی پودرهای زیر 1 میلی متر نیاز دارند. کارخانه سنگ شکن و غربالگری معمولاً مجهز به جداکننده های مغناطیسی برای حذف هرگونه آلودگی آهنی است که در طول فرآیند خرد کردن وارد می شود.

محدوده اندازه	برنامه معمولی	تحمل درخواستی مشترک
10-50 میلی متر	آلیاژ آلومینیوم، افزودن ملاقه	حداکثر 5 درصد خارج از محدوده
10-100 میلی متر	کاربرد متالورژی عمومی	حداکثر 5 درصد خارج از محدوده
50-150 میلی متر	شارژ کوره بزرگ	حداکثر 5 درصد خارج از محدوده
0-10 میلی متر	مواد اولیه سنتز شیمیایی	حداکثر 10 درصد جریمه
پودر (<1 mm)	کاربردهای شیمیایی تخصصی	مشخصات سفارشی

کنترل گرد و غبار و ریزگردها

خرد کردن فلز سیلیکون مقادیر قابل توجهی گرد و غبار ریز تولید می کند که خطرات سلامتی و انفجار را به همراه دارد. کارخانه های مدرن از مدارهای سنگ شکن محصور با سیستم های استخراج گرد و غبار استفاده می کنند که برای فروش به عنوان محصول جانبی-با ارزش کمتر یا برای بازیافت داخلی جریمه جمع آوری می کنند. کارگران در منطقه خرد کردن ملزم به استفاده از محافظ تنفسی هستند زیرا گرد و غبار سیلیکون در صورت استنشاق طولانی مدت می تواند باعث سیلیکوزیس شود.

 

5. سیستم درجه فلز سیلیکون

تجاریفلز سیلیکونتوسط یک سیستم عددی چهار رقمی- طبقه بندی می شود که حداکثر سطوح مجاز سه ناخالصی کلیدی را نشان می دهد: آهن، آلومینیوم و کلسیم. درک این سیستم درجه بندی برای خریداران و تامین کنندگان ضروری است تا اطمینان حاصل شود که مواد با الزامات برنامه مورد نظر مطابقت دارد.

خواندن کدهای نمرات

کد چهار رقمی به صورت زیر خوانده می‌شود: رقم اول نشان‌دهنده حداکثر میزان آهن در دهم درصد، رقم دوم نشان‌دهنده حداکثر محتوای آلومینیوم در دهم درصد، و رقم سوم و چهارم با هم نشان‌دهنده حداکثر محتوای کلسیم در صدم درصد است. همه مقادیر حداکثر هستند و تجزیه و تحلیل واقعی ممکن است سطوح ناخالصی کمتری را نشان دهد.

درجه	حداکثر آهن (%)	حداکثر Al (%)	حداکثر کلسیم (%)	حداقل سی (%)	استفاده اولیه
553	0.50	0.50	0.30	98.5	آلیاژ آلومینیوم
441	0.40	0.40	0.10	99.0	آلومینیوم، مواد شیمیایی عمومی
3303	0.30	0.30	0.03	99.3	سیلیکون آلی، آلیاژهای-با درجه بالا
2202	0.20	0.20	0.02	99.5	پیش ساز سیلیکون درجه{0} خورشیدی
1101	0.10	0.10	0.01	99.7	پیش ساز نیمه هادی

گرید 553 پرمصرف ترین گرید تولید و مصرف است که در درجه اول در خدمت صنعت آلومینیوم است که در آن سیلیکون به آلومینیوم اضافه می شود تا قابلیت ریخته گری و استحکام را بهبود بخشد. درجه 441 ناخالصی های کمتری را برای برنامه هایی که نیاز به عملکرد بهتر دارند ارائه می دهد. درجه‌های 3303 و 2202 خلوص- بالاتری در نظر گرفته می‌شوندسیلیکون صنعتیو قیمت های برتر را به دلیل نیاز به مواد خام برتر و کنترل دقیق تر کوره فرمان می دهند.

عناصر کمیاب و مشخصات اضافی

فراتر از سیستم آهن-آلومینیوم-کلسیم، کاربردهای خاص محدودیت هایی را بر سایر عناصر کمیاب اعمال می کنند. تیتانیوم، فسفر و بور به ویژه برای سیلیکونی که برای تولید سلول های خورشیدی تعیین می شود مهم هستند زیرا این عناصر خواص الکتریکی پلی سیلیکون نهایی را تخریب می کنند. خریداران در زنجیره تامین فتوولتائیک معمولاً حداکثر تیتانیوم زیر 200 قسمت در میلیون، فسفر زیر 50 قسمت در میلیون و بور را کمتر از 10 قسمت در میلیون مشخص می‌کنند، اگرچه محدودیت‌های دقیق بسته به مشتری متفاوت است.

 

6. کنترل کیفیت و پروتکل های تست

تضمین کیفیت در سراسر بافته شده استفلز سیلیکونفرآیند تولید، از بازرسی مواد خام ورودی تا صدور گواهینامه محصول نهایی. یک برنامه جامع کنترل کیفیت با اطمینان از اینکه هر محموله نیازهای شیمیایی و فیزیکی مشخص شده خود را برآورده می کند، هم از تولید کننده و هم از مشتری محافظت می کند.

در -نظارت فرآیند

در حین کار کوره، نمونه‌هایی از فلز ضربه‌خورده در فواصل زمانی منظم گرفته می‌شود و با استفاده از فلورسانس اشعه ایکس- یا طیف‌سنجی نشر نوری (OES) از نظر محتوای سیلیکون و ناخالصی‌های کلیدی آنالیز می‌شود. این روش‌های تحلیلی سریع در عرض چند دقیقه بازخورد ارائه می‌کنند و به اپراتورهای کوره اجازه می‌دهند تا در صورت پرتاب کردن محصول به خارج از پنجره ترکیب هدف، ترکیبات مواد خام یا پارامترهای الکتریکی را تنظیم کنند.

نظارت بر دمای پوسته کوره، گازهای خروجی و سیستم های خنک کننده، هشدار اولیه در مورد شرایط غیرعادی را ارائه می دهد که می تواند بر کیفیت محصول یا ایمنی عملیاتی تأثیر بگذارد. تجزیه و تحلیل ترکیب گاز کوره خاموش{1}}گاز به اپراتورها کمک می کند تا کامل بودن واکنش کاهش را ارزیابی کنند و هر گونه نفوذ هوا را که می تواند باعث اکسیداسیون سیلیکون شود را تشخیص دهد.

تست نهایی محصول

پس از خرد کردن و اندازه گیری، نمونه های نماینده از هر دسته تولید طبق پروتکل های نمونه برداری استاندارد جمع آوری می شود. این نمونه ها برای تمام عناصر مشخص شده تحت آنالیز شیمیایی کامل قرار می گیرند. توزیع اندازه ذرات با تجزیه و تحلیل غربال تأیید می شود تا انطباق با کسر اندازه سفارش داده شده را تأیید کند. بازرسی بصری برای آخال های خارجی، پوشش اکسیدی بیش از حد، یا ظاهر غیرعادی سطح بررسی می شود.

برای محموله‌های صادراتی، آزمایشگاه‌های مستقل{0} شخص ثالث مانند SGS، Bureau Veritas یا Intertek اغلب برای انجام بازرسی و تجزیه و تحلیل قبل از حمل و نقل{1} درگیر هستند. گواهی‌های بازرسی حاصل، تأیید بی‌طرفانه‌ای از کیفیت را ارائه می‌دهد که مورد اعتماد خریداران در سراسر جهان است. شرکت بین المللی ZhenAn از استانداردهای تست SGS، GB و ASTM برای برآورده کردن نیازهای مشتریان مختلف پشتیبانی می کند.

یکپارچگی بسته بندی و کنترل رطوبت

حتی پس از گذراندن آزمایشات شیمیایی و فیزیکی،فلز سیلیکونمی تواند با جذب رطوبت در حین ذخیره سازی و حمل و نقل به خطر بیفتد. بنابراین کنترل کیفیت به تأیید بسته‌بندی گسترش می‌یابد و اطمینان حاصل می‌کند که کیسه‌ها یا ظروف سالم هستند و به درستی مهر و موم شده‌اند. میزان رطوبت محصول نهایی معمولاً قبل از حمل و نقل بررسی می شود و حداکثر سطوح قابل قبول بسته به مشخصات مشتری از 0.5 تا 1.0 درصد متغیر است.

شرکت بین المللی ژن آن، محدود

طبقه 25، مرکز تجاری Huafu، منطقه Wenfeng، شهر Anyang، استان هنان

ایمیل:sales@zanewmetal.com| وب سایت:www.ferro-vanadium.com

© 2026 شرکت بین المللی ژنآن، محدود. تمامی حقوق محفوظ است.