Como é feito o silício metálico? Do quartzo ao silício de grau-metalúrgico

O que é silício metálico?

O silício metálico, também chamado de silício de grau-metalúrgico (MG-Si) ou silício industrial, é um produto de elemento semi-metálico com um teor de silício de aproximadamente 98-99,7%. É o material base para ligas de alumínio-silício, polímeros de silicone, silício de grau eletrônico e polissilício fotovoltaico. Ao contrário do ferrossilício, que contém ferro, o silício metálico é essencialmente silício elementar puro com vestígios de impurezas.

Matérias-Primas e Preparação

A produção começa com quartzo ou quartzito de alta pureza contendo muito baixo teor de ferro, alumínio e cálcio. O redutor de carbono é uma mistura de coque de petróleo, carvão vegetal e carvão escolhido para fornecer a reatividade e o perfil de impurezas corretos. O quartzo é lavado, triturado e dimensionado, e os redutores são secos e misturados. A qualidade da matéria-prima é o primeiro ponto de controle: as impurezas da ração acabam, em grande parte, no produto.

Fundição no Forno Elétrico Submerso a Arco

A carga misturada é alimentada continuamente em um forno de arco elétrico submerso com eletrodos-trifásicos. O forno opera em temperaturas acima de 1.800 graus, e a reação central é a redução carbotérmica da sílica:

SiO2 + 2C=Si + 2CO

O silício líquido se acumula no fundo do forno e é aproveitado periodicamente, enquanto o monóxido de carbono é queimado ou recuperado. O consumo de energia é o custo operacional dominante, normalmente na faixa de 11.000 a 13.000 kWh por tonelada de silício, dependendo da eficiência do forno e das matérias-primas.

Refino, fundição e dimensionamento

O silício vazado contém alumínio dissolvido, cálcio e ferro. O refino é feito por lancetagem de oxigênio ou ar com adições de fluxo, que oxidam o alumínio e o cálcio em uma escória removível; o ferro é controlado principalmente através da seleção de matérias-primas. O metal refinado é fundido em lingotes ou placas contínuas, resfriado, triturado e peneirado em produtos de tamanhos como pedaços, grânulos ou pó de 10 a 100 mm. A separação magnética remove qualquer resíduo de ferro metálico do equipamento de britagem.

Sistema de notas e especificações

Nota	Fe máx.	Al máximo	Ca máx.	Sim min
553	0.5%	0.5%	0.3%	98.5%
441	0.4%	0.4%	0.1%	99.0%
3303	0.3%	0.3%	0.03%	99.3%
2202	0.2%	0.2%	0.02%	99.5%

Aplicações dos Diferentes Graus

Grau 553: liga geral de alumínio e matéria-prima de silicone.

Grau 441: ligas fundidas com limites de ferro e processos químicos mais rígidos.

Classes 3303 e 2202: aplicações químicas e de alumínio-de maior valor e atualização da matéria-prima para pureza fotovoltaica.

Como a qualidade é controlada na fábrica

Uma planta de produção controla a qualidade em três estágios: análise da matéria-prima recebida, parâmetros de operação do forno (entrada de energia, balanço de alimentação, cronograma de vazamento) e análise do produto final por XRF ou química úmida em cada lote. Certificados de análise relatam silício, ferro, alumínio, cálcio e elementos adicionais, como fósforo e boro, quando necessário. Os compradores devem solicitar a análise do lote, definir regras de amostragem e verificar a distribuição do tamanho das partículas na chegada.

Perguntas frequentes

1. Qual é a diferença entre silício metálico e ferrossilício?

Ferrossilício é uma liga de ferro-silício (normalmente 15-90% de silício com ferro como equilíbrio) usada principalmente para desoxidação de aço e inoculação de ferro nodular. O silício metálico é silício quase puro e é usado onde o ferro não deve ser introduzido, como ligas de alumínio e silicones.

2. Por que a produção de silício metálico consome tanto-energia?

A redução carbotérmica do quartzo requer temperaturas acima de 1.800 graus sustentadas eletricamente. A maior parte da energia é consumida pela própria reacção de redução e pelas perdas de calor dos fornos, razão pela qual o custo da electricidade determina em grande parte a competitividade das regiões de produção.

3. Posso usar a classe 553 para aplicações de grau-químico?

Para muitos processos de silicone, 553 ou 441 são adequados. No entanto, as especificações de classificação-química também controlam o fósforo e o boro, portanto, confirme a análise completa com o produtor em vez de confiar apenas na classificação de três{4}}dígitos.

4. Qual tamanho de partícula devo solicitar?

Pedaços de 10-100 mm são adequados para adições de fornos em fábricas de alumínio; grânulos de 0,2-6 mm são adequados para alimentação de arame e dosagem de produtos químicos. Confirme o limite de multas no contrato para que a distribuição de tamanho corresponda ao seu equipamento.

5. Como verifico a qualidade de um lote entregue?

Compare o certificado de análise com o contrato, verifique a distribuição de tamanho por triagem e, se necessário, encomende um ensaio independente. Mantenha as amostras retidas seladas de cada lote para resolução de disputas.