金属シリコンは、現代産業の巨大システムに不可欠な基礎素材として、冶金、半導体、シリコーンなどの多くの重要分野で広く使用されています。鉄鋼の性能向上に貢献することから、チップ製造の中核原料になるまで、金属シリコンの品質と歩留まりは、多くの下流産業の発展に直接影響を与えます。本稿では、金属シリコン（工業用シリコン）の精製過程を解析し、原料から製品に至るまでの製造の謎を解き明かします。
金属ケイ素の基礎知識
意味
工業用シリコンまたは結晶シリコンとしても知られる金属シリコンは、化学分野で重要な工業的価値を持つシリコンモノマーの一種です。工業生産における幅広い用途のため、これらのさまざまな名称が業界で広く使用されています。
分類システム
金属ケイ素は、主に鉄、アルミニウム、カルシウムという 3 つの主要な不純物の含有量に基づいて分類されます。この分類は特定の数値に反映されており、たとえば、シリコン金属の「553」グレードは鉄 5%、アルミニウム 5%、カルシウム 3% を表し、「3303」は鉄 3%、アルミニウム 3%、カルシウム 0.3% を意味します。業界は、明確な番号付けルールを通じてこれを達成することができました。この明確な番号付けルールにより、業界はシリコン金属の不純物の状況と品質レベルを迅速に判断できます。
下流アプリケーションの割合
金属シリコンには幅広い下流用途があり、その割合は分野によって異なります。そのうち 30.28% は、半導体および太陽エネルギー産業に役立つポリシリコンの生産に使用されます。 26.82%は冶金級シリコンに精製され、アルミニウム合金の製造に使用されます。 38.03% は湿式冶金プロセスを通じて化学グレードのシリコンにさらに精製され、シリコーン ゴムとシランの製造に使用されます。{5}用途が異なれば、金属シリコンの純度や不純物含有量も異なり、これが精製プロセスの違いを決定します。
金属珪素精錬用原料
核原料となるシリカ
構成要件
シリカは、シリコン金属製造の中核原料として、厳格な成分基準の対象となります。工業生産では、シリカの SiO2 含有量が 99% 以上であることが必要ですが、Fe2O3 は 0.15% 以下、Al2O3 < 0.2%、CaO < 0.1%、不純物の総量は好ましくは 0.6% 未満である必要があります。不純物が過剰に含まれると、製錬プロセスに直接影響を及ぼし、エネルギー消費量が増加し、さらにはシリコン金属の品質が低下します。
物理的特性
シリカの化学組成に加えて、シリカの物理的特性も同様に重要です。耐熱性が高く、炉に投入する際に熱相変化を受けた際の亀裂を最小限に抑える必要があります。炉の高温環境での安定性を確保するには、激しい破壊の開始温度が高いほど良いです。さらに、SiO2 の還元性は、シリカをシリコン金属にうまく還元できるかどうかを決定する重要な特性です。
原材料の分類と用途
シリカ原料の品質はさまざまであり、その用途も異なります。高品質の珪砂は、その純度と品質により、通常、高グレードの石英ガラス製品の製造に直接使用され、宝石品質の結晶やトルマリンなどに加工することもできます。一方、グレードはわずかに低いものの、埋蔵量が多く、採掘条件が良く、周辺地域の電気料金が低いシリカは、金属シリコンの生産に適しています。-
炭素質還元剤
還元剤の種類
金属シリコンの製錬プロセスで一般的に使用される炭素質還元剤には、木炭、石油コークス、石炭などがあります。これらの還元剤は高温でシリカと反応して、シリカからシリコンを還元します。
パフォーマンス要件
すべての炭素質材料が還元剤としての使用に適しているわけではなく、製造には厳しい性能要件があります。一般的に言えば、還元剤は、高い固定炭素、低い灰分、適度な揮発性物質、低い水分、高い抵抗率、高い反応性、および一定の機械的強度を特徴とする必要があります。これらの要件を満たすことによってのみ、製錬プロセスでのシリカの効果的な削減を確実に行うことができ、同時に不純物の導入を削減して、その後の除染プロセスの負担を軽減することができます。
電気炉製錬工程
製錬の原理と方法
金属シリコンの製錬には主に電気炉法、すなわち炭素熱法が採用されています。基本的な原理は、電気アーク炉内でシリカ (SiO2) が炭素質還元剤と化学反応するということです。高温条件下では、SiO2 は炭素 (C) と反応してシリコン (Si) と一酸化炭素 (CO) を形成します。化学式は SiO2 + 2C → Si + 2CO です。このプロセスでは、シリコンの効率的な還元を実現するために、温度と反応条件を正確に制御する必要があります。
主な製造プロセス
投与と混合
投入と混合は製錬の基本段階です。組成と物理的特性の点で電荷の均一性と安定性を確保するには、シリカと炭素質還元剤の化学組成と粒径に正確に適合させる必要があります。電気炉内で安定かつ効率的な反応を実現できるのは、均一な帯電だけです。
炉の装入と装入
装入プロセスは厳密に順番に行われ、装入物は特定の方法で炉に装填されます。電極を徐々に下げると通電が開始され、反応過程に応じて電流が徐々に増加します。この段階では、オペレータはすべてのパラメータに細心の注意を払い、供給プロセスがスムーズであり、反応が電流の異常によって影響を受けないようにする必要があります。
煮込みと精製
煮込みと精製が製錬プロセス全体の鍵となります。電気炉の電圧、電流などを正確に調整することで、炉内の温度を適切な範囲に維持し、SiO2を完全にシリコン金属に還元します。同時に、プロセス中に一部の不純物を効果的に除去できるため、シリコン金属の初期品質が向上します。
精製・加工の流れ
不純物の分離
製錬から得られる金属シリコンには特定の不純物が含まれており、さらに精製および精製する必要があります。一般的な方法は、蒸留によって揮発性シリコン化合物を処理して不純物を分離し、さまざまな用途のニーズを満たすためにシリコンの純度を大幅に向上させることです。
成形工程
不純物を分離した精製シリコンは、インゴット、ブロック、ペレットなどの固体に鋳造されます。その後、さまざまな業界の用途要件に従って粉砕、粉砕、加工され、仕様を満たす金属シリコン製品が製造されます。
包装と流通
成形および加工後、完成したシリコン金属製品は、製品の特性と顧客の要件に従ってパッケージ化されます。これらの製品は梱包後、エレクトロニクス、冶金、化学などのさまざまな業界に流通され、さまざまな生産プロセスに投入されます。
金属シリコンの生産に影響を与える主な要因
エネルギー消費量
高いエネルギー消費量
金属シリコンの生産は通常、高エネルギー産業であり、平均電力消費量はシリコン 1 トンあたり 13,000kwh です。{0}電気アーク炉では、シリカとカーボンの還元がスムーズに行われるように、最大 1800 度の反応温度が必要です。このため、金属シリコンの生産は電力資源に大きく依存しており、生産は通常、電力資源が十分にある地域で行われます。
省エネ対策-
エネルギー消費量を削減するためにさまざまな対策が講じられています。 -高品質のシリカ源鉱石と、活性が高く灰分が少ない炭素質還元剤を選択し、原料側からの反応効率を向上させます。先進的な熱電炉を採用し、装置の性能を最適化します。工程の最適化によりホットストップや生地ムラなどのトラブルを軽減し、さらなるエネルギー消費量の削減を実現し、省エネ・エネルギー消費量の削減を実現します。
原材料の品質
シリカ不純物制御
シリカ原料の不純物含有量は生産に大きな影響を与えます。高品質の工業用シリカを製造する場合、-、Fe2O3 は 15% 未満、Al2O3 は 20% 未満、CaO は 15% 未満です。超高品質の工業用シリカを製造する場合、これらの酸化物の管理基準はより厳しくなります。-不純物の含有量が多いと、炉口の材料表面がベタベタになり、透過性が低下し、熱損失と電力消費が増加します。
シリカの物性
シリカの熱安定性と耐爆発性も同様に重要です。シリカの熱安定性が悪く、加熱後に破裂しやすく、表面剥離が発生すると、炉の透過性に重大な影響を及ぼし、その結果、炉上部の装入物が結合し、熱が効果的に伝達されなくなり、最終的に電力消費量が大幅に増加します。さらに、シリカの粒子サイズは厳密に 50 - 120 mm に制御する必要があります。粒子サイズが小さすぎても大きすぎても、生産に悪影響を及ぼします。
結論
産業技術の絶え間ない進歩に伴い、金属シリコン精錬技術も省エネ、高効率、高純度の方向に発展していきます。将来、業界はエネルギー消費量の削減や製品純度の向上などの課題に直面するとともに、技術革新や新たな応用分野の開拓などの機会もあります。継続的な技術研究開発とプロセスの最適化を通じて、シリコン金属産業は確実に現代産業の発展をより強固にサポートするでしょう。
