Comment est fabriquée la poudre de silicium de qualité technique : du quartz à la poudre

La poudre de silicium de qualité technique commence sous forme de quartz et se termine par une poudre calibrée et analysée. Entre ces deux points, le matériau passe par un four à arc immergé, un lit de coulée, un circuit de concassage et une ligne de broyage et de classification, et chacune de ces étapes laisse sa marque sur le niveau d'impuretés du produit fini. Comprendre le parcours est le moyen le plus rapide de comprendre pourquoi deux poudres vendues sous le même nom peuvent se comporter de manière très différente en service.

Matières premières et frais de four

La charge est construite autour du quartz, la source minérale du silicium, et d’un réducteur de carbone. En pratique, une fonderie mélange plusieurs sources de carbone plutôt que de s'appuyer sur une seule : le coke de pétrole et le coke métallurgique fournissent l'essentiel du pouvoir réducteur, tandis que le charbon de bois et les copeaux de bois maintiennent la charge perméable afin que le gaz puisse s'échapper et que la zone de réaction ne s'étouffe pas.

Le quartz destiné à un usage métallurgique est sélectionné autant pour sa chimie que pour sa taille. L'oxyde de fer, l'oxyde d'aluminium et l'oxyde de calcium présents dans le quartz dépendent en grande partie du silicium fondu, donc un quartzite à faible impureté est la première étape vers une qualité serrée. La charge est mélangée à un rapport carbone/silice proche du stœchiométrique, avec un léger excès de carbone pour maintenir la réduction en avant.

Réduction carbothermique dans le four électrique

La réduction elle-même est une réaction carbothermique à haute température. Globalement, la silice est réduite par le carbone en silicium métallique et en monoxyde de carbone. La chimie complète est plus compliquée que cette seule étape, car le monoxyde de silicium se forme dans la partie la plus chaude de la charge, puis se condense et réagit à nouveau plus haut dans le four, de sorte que le four se comporte comme un réacteur à contre-courant plutôt que comme un simple creuset.

Les températures de réaction atteignent environ 1 800 à 2 000 degrés Celsius aux extrémités des électrodes, et le processus est gourmand en énergie, les chiffres publiés pour la fusion industrielle du silicium étant généralement cités entre 11 000 et 14 000 kilowattheures par tonne. La stabilité de l'alimentation électrique est aussi importante que le prix de l'électricité, car une campagne de four interrompue perturbe la charge et se manifeste plus tard par une dispersion des analyses.

Taraudage, coulée et refroidissement

Le métal est extrait du four à intervalles réguliers, à une température d'environ 1 500 à 1 600 degrés Celsius, et est coulé dans des lits de coulée peu profonds ou dans des moules. La pratique de coulée détermine la quantité de scories et de poussières de four qui se déplacent avec le métal, de sorte que le trou de coulée et la lessiveuse sont nettoyés et entretenus dans le cadre de la routine de qualité plutôt que comme entretien ménager.

Après la coulée, le silicium est laissé refroidir puis brisé en morceaux. La vitesse de refroidissement affecte la taille des cristaux du lingot et donc la manière dont le matériau se brise lors du concassage, ce qui à son tour affecte le rendement des coupes à mailles plus fines réalisées plus tard dans le processus.

Concassage, broyage et classification

La taille des morceaux de silicium est réduite par étapes. Les concasseurs à mâchoires et à rouleaux réduisent le matériau coulé en un produit grossier, et le métal broyé est ensuite broyé dans un broyeur à boulets ou une unité de broyage fin similaire. La classification de l'air suit le broyeur, séparant le matériau broyé dans les gammes de mailles achetées sur le marché, de 20 à 100 mailles de poudre grossière jusqu'à 45 à 325 mailles de fines.

Le broyage est l'endroit où le risque de contamination est le plus élevé. L'usure du support et celle du revêtement introduisent du fer dans un produit par ailleurs propre, de sorte que les circuits utilisent un support résistant à l'usure, et une étape de séparation magnétique est placée après le broyage pour éliminer le fer ramassé dans le broyeur. Le criblage confirme ensuite la répartition granulométrique finale avant le conditionnement.

Contrôle de pureté et utilisations finales typiques

Contrôle des charges :la chimie du quartz, les cendres réductrices et le rapport de charge fixent le plafond de la qualité réalisable avant même le démarrage du four.

Contrôle du four :la position de l'électrode, le programme de prises et la stabilité de la puissance déterminent la part de ce plafond qui est réellement atteinte.

Contrôle du broyage :la sélection des supports, la séparation magnétique et la collecte des poussières protègent l'analyse une fois que le métal a quitté le four.

Contrôle de l'emballage :des doublures barrières contre l'humidité et des sacs scellés empêchent la poudre fine de capter l'eau avant qu'elle n'atteigne l'atelier de fusion.

Le silicium de qualité technologique, la qualité métallurgique produite par cette voie, analyse généralement entre 98 % et 99 % de silicium avec du fer, de l'aluminium et du calcium comme principaux éléments résiduels, et la poudre en est classée par maille et par analyse.

La poudre finie est principalement utilisée comme additif pour les alliages non-ferreux, surtout dans l'alliage d'aluminium et le moulage. Il remplit également des fonctions réfractaires et chimiques, où du silicium élémentaire ou une source de silice fine est requis. Le silicium élémentaire est insoluble dans les acides et soluble dans les alcalis à température ambiante et présente un comportement semi-conducteur, des propriétés importantes dans les applications chimiques et électroniques qui partent d'un matériau de qualité métallurgique et le raffinent davantage.

Foire aux questions

Q : De quoi est fabriquée la poudre de silicium de qualité technique ?
Il est fabriqué à partir de silicium métallique produit en réduisant le quartz avec du carbone dans un four électrique, puis en broyant le métal refroidi jusqu'à une plage de maille contrôlée.

Q : Pourquoi du carbone est-il ajouté à la charge du four ?
Le carbone est le réducteur. Il élimine l'oxygène de la silice, laissant du silicium fondu et du monoxyde de carbone qui quittent le four sous forme de gaz d'échappement-.

Q : À quelle température le métal est-il taraudé ?
Le silicium fondu quitte le four à environ 1 500 à 1 600 degrés Celsius, après des réactions de réduction qui atteignent environ 1 800 à 2 000 degrés Celsius à proximité des électrodes.

Q : Comment la contamination par le fer est-elle contrôlée pendant le broyage ?
En utilisant des supports et des revêtements de broyage résistants à l'usure, et en faisant passer la poudre broyée par séparation magnétique avant l'étape de criblage finale.

Q : Le meulage modifie-t-il la qualité chimique du métal ?
Cela ne peut pas l’améliorer. Le broyage ne peut dégrader l'analyse que par contamination par l'usure, de sorte que la qualité de la poudre est fixée par la qualité du métal coulé.

Q : À quoi sert la poudre de silicium de qualité technique ?
Son utilisation principale est comme additif pour les alliages non-ferreux, en particulier l'aluminium, avec une demande accrue dans les mélanges réfractaires et dans les procédés chimiques nécessitant du silicium élémentaire.