ИТС 11-2019 Производство алюминия

     1.1.2 Кремний

Кремний - химический элемент с порядковым номером 14 третьего периода главной подгруппы IV группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева.

Кремний - металлоид темно-серого цвета, обладающий обычно металлическим блеском, твердый и хрупкий. Плотность (при нормальных условиях) - 2,33 г/см, температура плавления - 1414°С; электропроводность - 3710 См/м. Известен также аморфный кремний - бурый тонкодисперсный порошок. Элементарный кремний (в аморфном состоянии) впервые получен в 1823 году шведским ученым Берцелиусом, а в кристаллическом виде - французским химиком Сент-Клер Девилем в 1855 году.

Содержание кремния в земной коре составляет 27,6%. Кремний входит в состав большинства горных пород; главные минералы - кремнезем и силикаты.

При обычных условиях кремний инертен и стоек к химическим воздействиям.

С простыми веществами (кроме фтора) взаимодействует лишь при нагревании, проявляя чаще всего восстановительные свойства.

Основная масса выплавляемого кремния предназначена для металлургического производства, главным образом производства алюминиевых сплавов - силуминов. Широко известны также кремнистые бронзы - кремнистые сплавы на основе меди, в которых присутствие кремния увеличивает прочность, уменьшает пористость за счёт повышенной текучести, что способствует получению плотных отливок. В деталях, работающих на трение при средних нагрузках и скоростях, кремнистые бронзы со свинцом не уступают оловянно-фосфористой бронзе. Бронзы с кремнием и марганцем обладают хорошей коррозионной стойкостью.

Кремний высокой чистоты является типичным полупроводником и представляет исключительный интерес для современной электроники и солнечной энергетики.

Широк диапазон использования кремнийорганических соединений. В них удалось объединить два антипода: кремний - важнейший элемент неорганического мира и углерод, являющийся основой живого. Поэтому полимерные кремнийорганические соединения обладают тепловой и химической устойчивостью в сочетании с эластичностью и растворимостью.

На основе кремнийорганических соединений изготавливают термостойкие смазочные масла, жидкие диэлектрики, лаки, эмали, каучуки, пластмассы, стеклопластики, обладающие наряду с повышенной тепловой и химической стойкостью отличными электроизоляционными свойствами. Кремнийорганические соединения являются основой многих эффективнейших сорбентов, катализаторов, пеногасителей и многих других ценных химических продуктов и материалов.

Примерная структура потребления металлургического (кристаллического) кремния следующая: для производства сплавов используется около 70% от общего производства; в химической промышленности - около 15%; для изготовления полупроводниковой техники - 5-7%; в машиностроении - остальное.

Основным производителем технического кремния в мире (около 65% от общего выпуска) является Китай. Также в значительных объемах кремний производят Бразилия, США, Норвегия, Франция.

Для производства технического (кристаллического, металлургического) кремния в отечественной и зарубежной промышленности применяется карботермический метод, в основе которого лежит процесс восстановления кремния из кремнезема углеродом в электродуговых печах различной мощности.

Процесс карботермического восстановления кремния обычно описывается обобщенным балансовым уравнением:

Теоретическая температура начала взаимодействия диоксида кремния с углеродом равна 1554°С. Заметный сдвиг равновесия в этой реакции в сторону восстановления кремнезема начинается с 1600°С. Взаимодействие кремнезема с углеродом интенсивно протекает при температуре более 1670°С. Фактическое восстановление кремнезема углеродом происходит с образованием промежуточных продуктов.

                                             (1)

                                              (2)

                                           (3)

                                            (4)

Возможны и побочные реакции ответвления, например, взаимодействие SiO с SiC.

В процессе карботермического восстановления протекают реакции в различных температурных диапазонах, образующихся по высоте тигля с образованием промежуточных продуктов. Процесс восстановления протекает в зоне низких, средних, высоких температур, подэлектродной области или на колошнике. В процессе восстановления кремния в тигле руднотермической печи можно условно обозначить четыре основные температурные зоны. Первая зона представляет собой слой не спеченной шихты с температурным диапазоном от температуры шихты на колошнике печи до 1500°С, вторая зона имеет температурный диапазон 1500-1900°С (слой спеченной шихты), третья зона (газовая полость тигля) - с температурой более 1900°С и четвертая зона - гарнисаж (рисунок 1.1).

При изменении трех первых факторов гарнисаж печи меняет свой состав и форму, что может привести к расстройству технологии печи, снижению сортности, зашлакованию печи, образованию трудновыводимых тугоплавких шлаков.