Comment est fabriqué le silicium métallique ? Du quartz au silicium de qualité-métallurgique

Qu’est-ce que le silicium métal ?

Le silicium métallique, également appelé silicium de qualité-métallurgique (MG-Si) ou silicium industriel, est un produit d'élément semi-métallique avec une teneur en silicium d'environ 98-99,7 %. C'est le matériau de base des alliages d'aluminium -silicium, des polymères de silicone, du silicium de qualité électronique et du polysilicium photovoltaïque. Contrairement au ferrosilicium, qui contient du fer, le silicium métallique est essentiellement du silicium élémentaire pur contenant des traces d'impuretés.

Matières premières et préparation

La production commence avec du quartz-de haute pureté ou du quartzite contenant très peu de fer, d'aluminium et de calcium. Le réducteur de carbone est un mélange de coke de pétrole, de charbon de bois et de charbon choisi pour donner la bonne réactivité et le bon profil d'impuretés. Le quartz est lavé, concassé et calibré, et les réducteurs sont séchés et mélangés. La qualité des matières premières est le premier point de contrôle : les impuretés présentes dans l’aliment se retrouvent en grande partie dans le produit.

Fusion dans le four à arc électrique immergé

La charge mélangée est introduite en continu dans un four à arc électrique immergé avec des électrodes triphasées. Le four fonctionne à des températures supérieures à 1 800 degrés et la réaction principale est la réduction carbothermique de la silice :

SiO2 + 2C=Si + 2CO

Le silicium liquide s'accumule au fond du four et est prélevé périodiquement, tandis que le monoxyde de carbone est brûlé ou récupéré. La consommation d'énergie constitue le coût d'exploitation dominant, généralement compris entre 11 000 et 13 000 kWh par tonne de silicium, en fonction de l'efficacité du four et des matières premières.

Raffinage, moulage et dimensionnement

Le silicium exploité contient de l'aluminium, du calcium et du fer dissous. Le raffinage se fait au moyen d'oxygène ou d'air avec des ajouts de flux, qui oxydent l'aluminium et le calcium en une scorie amovible ; le fer est contrôlé principalement par la sélection des matières premières. Le métal affiné est coulé en lingots ou en dalles continues, refroidi, broyé et tamisé en produits de tailles telles que des morceaux de 10 à 100 mm, des granulés ou de la poudre. La séparation magnétique élimine tout ramassage de fer métallique de l'équipement de concassage.

Système de qualité et spécifications

Grade	Fe max	Al max	Ca max	Si 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%

Applications des différents grades

Grade 553 : alliage d’aluminium général et matière première de silicone.

Nuance 441 : alliages coulés avec des limites de fer et des procédés chimiques plus stricts.

Nuances 3303 et 2202 : applications d'aluminium et de produits chimiques de plus grande valeur-, et amélioration de la matière première vers une pureté photovoltaïque.

Comment la qualité est contrôlée en usine

Une usine de production contrôle la qualité à trois étapes : analyse des matières premières entrantes, paramètres de fonctionnement du four (puissance absorbée, bilan d'alimentation, programme de coulée) et analyse du produit final par XRF ou chimie humide sur chaque lot. Les certificats d'analyse font état du silicium, du fer, de l'aluminium, du calcium et d'autres éléments tels que le phosphore et le bore, si nécessaire. Les acheteurs doivent demander l’analyse du lot, définir les règles d’échantillonnage et vérifier la répartition granulométrique à l’arrivée.

FAQ

1. Quelle est la différence entre le silicium métallique et le ferrosilicium ?

Le ferrosilicium est un alliage de fer-silicium (généralement composé de 15 à 90 % de silicium avec du fer comme complément) utilisé principalement pour la désoxydation de l'acier et l'inoculation de fer nodulaire. Le silicium métallique est du silicium presque pur et est utilisé là où le fer ne doit pas être introduit, comme les alliages d'aluminium et les silicones.

2. Pourquoi la production de silicium-métal est-elle si-énergivore ?

La réduction carbothermique du quartz nécessite des températures supérieures à 1 800 degrés maintenues électriquement. La majeure partie de l'énergie est consommée par la réaction de réduction elle-même et par les pertes thermiques du four, c'est pourquoi le coût de l'électricité détermine en grande partie la compétitivité des régions de production.

3. Puis-je utiliser le grade 553 pour des applications de qualité chimique ?

Pour de nombreux procédés silicone, le 553 ou le 441 convient. Cependant, les spécifications de qualité chimique-contrôlent également le phosphore et le bore, alors confirmez l'analyse complète auprès du producteur plutôt que de vous fier uniquement à la qualité à trois-chiffres.

4. Quelle taille de particule dois-je commander ?

Des morceaux de 10 à 100 mm conviennent aux ajouts de fours dans les usines d'aluminium ; les granulés de 0,2 à 6 mm conviennent à l'alimentation en fil et au dosage de produits chimiques. Confirmez le plafond des amendes dans le contrat afin que la répartition des tailles corresponde à votre équipement.

5. Comment vérifier la qualité d'un lot livré ?

Comparez le certificat d'analyse avec le contrat, vérifiez la répartition granulométrique par criblage et si nécessaire commandez un essai indépendant. Conservez les échantillons scellés de chaque lot pour la résolution des litiges.