工業グレードのシリコンはどのように製造されるのか

ケイ素は地殻内で 2 番目に豊富な元素であり、冶金、アルミニウム合金、化学薬品、電池、太陽エネルギー、エレクトロニクスで広く使用されています。この巨大な産業チェーンにおいて、冶金グレード シリコン (MG-Si) は基本原料の役割を果たしており、すべての高純度シリコン材料 (ポリシリコンや電子グレード シリコンなど)- の出発点となります。
 

それでは、冶金グレードのシリコンはどのように天然石英鉱石から抽出されるのでしょうか?この記事では、工業用シリコンの完全な製造プロセスについて詳しく説明します。

冶金グレードのシリコンは、シリコンが豊富な非鉄合金原料であり、シリコン含有量は 95% ～ 99.5% です。-通常は灰色の金属の塊ですが、ご要望に応じて粒状や粉末状に加工することも可能です。

「金属シリコン」という名前にもかかわらず、冶金級シリコンは純粋な金属ではなく、鉄（Fe）、アルミニウム（Al）、カルシウム（Ca）、その他の不純物の混合物です。これらの不純物の含有量によって、その適用範囲と市場価値が決まります。

冶金グレードのシリコンの主な用途には、鋼の脱酸、アルミニウム合金強化、フェロシリコン合金原料、化学原料、電池添加剤、耐火物材料、および主要な太陽光発電および半導体材料が含まれます。

冶金グレードのシリコンの主原料は石英 (SiO₂) または珪岩です。これらの鉱物には、自然界に存在するケイ素の主な形態である高純度の二酸化ケイ素が含まれています。-

二酸化ケイ素の還元プロセスは、その非常に安定した Si-O 結合により高いエネルギー閾値を持ちます。還元反応を実現するには、石英を炭素-含有物質（コークス、石炭、木材チップ、木炭など）と完全に混合して反応混合物を形成する必要があります。これらの炭素源は、高温で酸素と反応して純粋なシリコンを放出することができます。

工業用シリコンの中心的な製造プロセスは、浸漬電気炉での炭素熱還元 (CR) 反応です。

高温反応環境-

炉内の温度は通常 1500 ～ 2000 度に維持されます。炉は電極に依存して強力な電流を装入物に流し、高温のアークゾーンを生成します。-この温度は、次の主反応を引き起こすのに十分です: SiO₂ (固体) + 2C (固体) → Si (液体) + 2CO (気体)。

充填中、シリカとカーボンの間の還元反応が起こり、液体シリコンと一酸化炭素ガスが生成されます。

多段階の反応メカニズム

炉は均一な反応環境ではありません。中央領域の高温により、急速な反応が起こり、大量の液体シリコンが生成されます。

周辺領域の温度が低下すると、中間ガス SiO (酸化シリコン) が生成される可能性があります。

これらのガスは炉内でさらに反応してシリコンを形成することも、炉から排出されて副産物としてシリカフュームを形成することもあります。{0}

装薬の多孔性の維持

ガスの流れをスムーズにするには、反応層を十分に換気する必要があります。電荷層が緻密すぎると還元効率が低下し、エネルギー消費量が増加します。

液体シリコンが炉の底に集まった後、炉の開口部から取り出され、取鍋またはるつぼに分流されます。この時点で、シリコンは通常、不純物を含む高温の液体状態になります。-。

その後の加工では、生産者は予備精製を行ってアルミニウム、カルシウム、その他の不純物の含有量を管理し、製品があらかじめ設定された化学仕様を確実に満たすようにします。

最初の精製後、液体シリコンを型に注ぎ、冷却してインゴットを形成します。

冷却が完了した後、インゴットは機械的破砕装置によって破砕され、さまざまな粒子サイズ（例: . 10-100 mm）に従って選別され、梱包されて出荷の準備が行われます。

冶金グレードのシリコンの品質は、次の側面によって測定されます。 Si 含有量 (通常 95% ～ 99.5%)。 Fe、Al、Caなどの不純物の含有量。粒子サイズの仕様と粒子の形状。バッチ-間の組成の安定性-。

通常、メーカーはシリコンのバッチごとにスペクトル分析と物理テストを実施し、顧客が安心して製品を使用できることを保証する品質報告書 (COA) を発行します。

鉄鋼業

酸素を効果的に除去し、鋼の強度と靭性を向上させる脱酸剤として鋼に添加されます。

アルミニウム合金の製造

アルミニウム合金の強度、耐食性、鋳造性能を向上させるために使用されます。

化学工業

シラン、ケイ酸塩、シリコーンオイル、シリコーン樹脂、その他の化学製品の重要な原料として使用されます。

電池材料

リチウムイオン電池の負極の添加剤として使用され、電池容量とサイクル寿命を向上させます。{0}}

太陽光発電および半導体産業

冶金グレードのシリコンは、ハイエンド電子機器に直接使用できるほど純粋ではありませんが、ポリシリコンまたは化学グレードのシリコンを製造するための精製前駆体として使用できます。-

耐火物

耐火レンガや高温炉炉床用複合材、セラミック、ガラスに広く使用されています。{0}

天然石英鉱石から高純度シリコン インゴットに至るまで、冶金グレードのシリコンの製造プロセスでは、高温物理化学反応、材料科学、プロセス制御などの学際的な技術が統合されています。{{2}シリコン素材産業チェーンの「ソースプロセス」として、その品質と安定性は下流アプリケーションのパフォーマンスとコストに直接影響します。

グリーン エネルギー、エネルギー貯蔵、電気自動車、スマート電子製品に対する世界的な需要が拡大し続ける中、冶金グレードのシリコンの重要性がますます高まっており、これは産業のアップグレードや環境保護技術の開発に新たな機会ももたらしています。{0}