Ränimetalli omadused ja kasutusalad

Ränimetall on hall ja läikiv pooljuhtiv metall, mida kasutatakse terase, päikesepatareide ja mikrokiipide tootmiseks. Räni on maapõue suuruselt teine ​​element (ainult hapniku taga) ja kaheksas kõige tavalisem element universumis. Ligi 30 protsenti maapõue massist võib omistada räni.

Aatomnumbriga 14 element esineb looduslikult silikaatmineraalides, sealhulgas ränidioksiidis, päevakivi ja vilgukivis, mis on tavaliste kivimite, nagu kvarts ja liivakivi, peamised komponendid. Poolmetall (või metalloid), ränil on mõned omadused nii metallidel kui ka mittemetallidel.

Nagu vesi - aga erinevalt enamikust metallidest - räni kahaneb vedelas olekus ja paisub tahkumisel. Sellel on suhteliselt kõrge sulamis- ja keemistemperatuur ning kristalliseerumisel moodustub rombikujuline kristallstruktuur. Räni roll pooljuhina on kriitiline ja selle kasutamine elektroonikas on elemendi aatom struktuur, mis sisaldab nelja valentselektroni, mis võimaldavad räni siduda teiste elementidega kergesti.

• Aatomisümbol: Si
instagram viewer
• Aatomarv: 14
• Elementide kategooria: metalloid
• Tihedus: 2,392 g / cm3
• Sulamistemperatuur: 1414 ° C (2577 ° F)
• Keemispunkt: 3265 ° C (5909 ° F)
• Mohi kõvadus: 7

Rootsi keemik Jons Jacob Berzerlius sai räni esmaisolatsiooni 1823. aastal. Berzerlius saavutas selle kuumutades tiiglis metallilist kaaliumi (mis oli eraldatud alles kümmekond aastat varem) koos kaaliumfluorosilikaadiga. Tulemuseks oli amorfne räni.

Kristalse räni valmistamine nõudis aga rohkem aega. Kristallilise räni elektrolüütilist proovi ei tehtaks veel kolm aastakümmet. Räni esimene turuleviimine toimus ferrosiliidi kujul.

Henry Bessemeri järgimine terasetööstuse moderniseerimine sajandi keskel oli suur huvi selle vastu teras metallurgia ja teadusuuringud terasetehnikate alal. Ferrosiliitsiumi esimese tööstusliku tootmise ajal 1880ndatel oli räni tähtsus täiustamisel paindlikkus siga rauda ja deoksüdeeriv teras oli üsna hästi mõistetav.

Ferrosiliitsiumi varane tootmine valmistati kõrgahjudes, vähendades räni sisaldavaid maagid puusöega, mille tulemuseks oli hõbedane malm, ferrosiliim, milles on kuni 20 protsenti räni.

Elektriliste kaarahjude arendamine 20. sajandi alguses võimaldas mitte ainult suuremat terasetootmist, vaid ka rohkema ferrosiliidi tootmist. 1903. aastal asus ferrosulami tootmisele spetsialiseerunud grupp (Compagnie Generate d'Electrochimie) aastal Saksamaal, Prantsusmaal ja Austrias ning 1907. aastal oli USA - s esimene kaubanduslik ränitehas asutatud.

Terasetootmine polnud ainus enne 19. sajandi lõppu turule viidud räniühendite rakendus. Kunstlike teemantide tootmiseks 1890. aastal kuumutas Edward Goodrich Acheson alumiiniumsilikaati pulbrikoksiga ja juhuslikult ränikarbiidi (SiC).

Kolm aastat hiljem oli Acheson patenteerinud oma tootmismeetodi ja asutanud ettevõtte Carborundum Company (carborundum mis on tollal ränikarbiidi üldnimetus) abrasiivtoodete valmistamiseks ja müümiseks tooted.

20. sajandi alguseks olid ka ränikarbiidi juhtivused realiseeritud ja ühendit kasutati detektorina laeva varastes raadios. Ränikristallidetektorite patent anti GW Pickardile 1906. aastal.

1907. aastal loodi ränikarbiidkristallile pinge rakendamisel esimene valgusdiood (LED). 1930ndatel kasvas räni kasutamine koos uute keemiliste toodete, sealhulgas silaanide ja silikoonide väljatöötamisega. Elektroonika kasv viimase sajandi jooksul on lahutamatult seotud ka räni ja selle ainulaadsete omadustega.

Kui esimeste transistoride - moodsate mikrokiipide eelkäijate - loomine 1940. aastatel lootis germaanium, ei läinud kaua aega enne, kui räni asendas oma metalloidse nõo vastupidavama substraadiga pooljuhtmaterjalina. Bell Labs ja Texas Instruments alustasid räni baasil transistoride tootmist 1954. aastal.

Esimesed räni integraallülitused valmistati 1960. aastatel ja 1970. aastateks olid välja töötatud räni sisaldavad protsessorid. Arvestades, et räni baasil valmistatud pooljuhttehnoloogia moodustab moodsa elektroonika ja arvutitehnoloogia osas ei tohiks olla üllatav, kui me nimetame selle tööstuse tegevuskeskuseks silikooni Org. ”

(Silicon Valley ja mikrokiibitehnoloogia ajaloo ja arengu üksikasjaliku ülevaate saamiseks soovitan tungivalt Ameerika kogemuste dokfilmi pealkirjaga Silicon Valley. Vahetult pärast esimeste transistoride paljastamist viis Bell Labsi räni töö 1954. aastal teise suurema läbimurdeni: Esimene räni fotogalvaaniline (päikese) element.

Enne seda arvas enamus, et päikesest saadava energia kasutamine maa peal võimu loomiseks on võimatu. Kuid kõigest neli aastat hiljem, 1958. aastal, tiirles maa peal esimene räni päikesepatareidega töötav satelliit.

1970. aastateks olid päikeseenergiatehnoloogia kaubanduslikud rakendused kasvanud maapealseteks rakendusteks, näiteks valguse toiteks avamere naftaplatvormidel ja raudteeülesõidukohtadel. Viimase kahe aastakümne jooksul on päikeseenergia kasutamine hüppeliselt kasvanud. Tänapäeval moodustavad räni põhised fotogalvaanilised tehnoloogiad umbes 90 protsenti ülemaailmsest päikeseenergia turust.

Enamik rafineeritud räni igal aastal - umbes 80 protsenti - toodetakse ferrosiliidina raua ja terase kasutamiseks terasetööstus. Ferrosilicon võib sisaldada vahemikus 15 kuni 90 protsenti räni, sõltuvalt sulatise vajadustest.

sulam Rauda ja räni toodetakse sukeldatud elektrikaarahju abil redutseeriva sulatuse abil. Ränidioksiidirikas maagi ja süsinikuallikas nagu koksisüsi (metallurgiline kivisüsi) purustatakse ja laaditakse koos vanarauaga ahju.

Temperatuuril üle 1900°C (3450 ° C)°F) reageerib süsinik maagis oleva hapnikuga, moodustades süsinikoksiidi gaasi. Vahepeal allesjäänud raud ja räni ühendatakse seejärel sula ferrosiliidiks, mida saab koguda ahju põhja koputades. Pärast jahutamist ja kõvenemist saab ferrosiliitsiumi transportida ja kasutada otse raua ja terase tootmisel.

Sama meetodit kasutatakse ilma raua kaasamiseta metallurgilise kvaliteediga räni tootmiseks, mille puhtusaste on üle 99 protsendi. Metallurgilist räni kasutatakse ka terase sulatamisel, samuti alumiiniumisulamite ja silaankemikaalide tootmisel.

Metallurgiline räni liigitatakse raua lisanditaseme järgi, alumiiniumja sulamis sisalduv kaltsium. Näiteks 553 ränimetall sisaldab vähem kui 0,5 protsenti rauda ja alumiiniumi ning vähem kui 0,3 protsenti kaltsiumi.

Igal aastal toodetakse maailmas umbes 8 miljonit tonni ferrosiliitu, Hiinast moodustab sellest 70%. Suurte tootjate hulka kuuluvad Erdose Metallurgia Grupp, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Grupi OM Materjalid ja Elkem.

Aastas toodetakse täiendavalt 2,6 miljonit tonni metallurgset räni - ehk umbes 20 protsenti rafineeritud räni metallist. Hiina toodang moodustab jällegi umbes 80 protsenti. Paljudele on üllatuseks see, et räni päikese- ja elektroonikarikkad tooted moodustavad vaid väikese osa (vähem kui kaks protsenti) kogu rafineeritud räni toodangust. Päikesekvaliteediga ränimetalliks (polüsilikooniks) üleminekuks peab puhtus tõusma 99,9999% (6N) puhta räni sisalduseni. Seda tehakse ühel kolmest meetodist, kõige tavalisem on Siemensi protsess.

Siemensi protsess hõlmab triklorosilaanina tuntud lenduva gaasi keemilist aurustamist. Kell 1150°C (2102)°F) triklorosilaan puhutakse üle varda otsa kinnitatud kõrge puhtusastmega räniseemne. Üleminekul sadestub gaasi kõrge puhtusastmega räni seemnele.

Metalli täiustamiseks fotogalvaanilise tööstuse jaoks sobivaks polüsilikooniks kasutatakse ka keevkihtreaktorit (FBR) ja täiustatud metallurgilise kvaliteediga (UMG) räni tehnoloogiat. 2013. aastal toodeti kakssada kolmkümmend tuhat tonni polüsilikooni. Juhtivate tootjate hulka kuuluvad GCL Poly, Wacker-Chemie ja OCI.

Lõpuks, et muuta elektroonikatüüpi räni sobivaks pooljuhtide tööstuseks ja kindel fotogalvaaniliste tehnoloogiate abil tuleb polüsilikoon teisendada ultraheli monokristalliliseks räniks Czochralski protsess. Selleks sulatatakse polümeer räni tiiglis temperatuuril 1425°C (2597°F) inertses atmosfääris. Varda külge kinnitatud seemnekristall sukeldatakse seejärel sulametalli, pööratakse ja eemaldatakse aeglaselt, andes räni jaoks seemnematerjalil kasvu.

Saadud toode on monokristallilise ränimetalli varras (või kopp), mille puhtusaste võib olla kuni 99,999999999 (11 N). See varras võib olla lisatud boori või fosforiga, et vajaduse korral kohandada kvantmehaanilisi omadusi. Monokristallvarda saab klientidele tarnida sellisena, nagu see on, või viiludeks vahvliteks ja konkreetsete kasutajate jaoks poleeritud või tekstureeritud.

Kui igal aastal rafineeritakse umbes kümme miljonit tonni ferrosiliitu ja räni metalli, on suurem osa kaubanduslikul eesmärgil kasutatavast räni tegelikult räni mineraalide kujul, mida kasutatakse kõige muu valmistamiseks alates tsemendist, mörtidest ja keraamikast kuni klaasi ja polümeerid.

Ferrosilicon, nagu märgitud, on kõige sagedamini kasutatav metallilise räni vorm. Alates ferrosiliitsiumi esmakordsest kasutamisest umbes 150 aastat tagasi on ta olnud oluline deoksüdeeriv aine süsiniku ja roostevaba teras. Tänapäeval on ferrosiliitsiumi suurim tarbija terase sulatamine.

Ferrosilicon'il on lisaks terasetööstusele ka mitmeid kasutusviise. See on eelsulam magneesium ferrosilicon, kõrgtugeva raua tootmiseks kasutatav nodulisaator, samuti Pidgeoni protsessi käigus kõrge puhtusastmega magneesiumi rafineerimiseks. Ferrosiliitsiumi saab kasutada ka soojuse ja korrosioon vastupidavad raud räni sulamid, samuti räni teras, mida kasutatakse elektrimootorite ja trafo südamike tootmisel.

Metallurgilist räni saab kasutada nii terase tootmisel kui ka legeerivat ainet alumiiniumi valamisel. Alumiinium-räni (Al-Si) autoosad on kerged ja tugevamad kui puhtast alumiiniumist valatud komponendid. Autod, näiteks mootoriplokid ja veljeveljed, on ühed kõige sagedamini valatud alumiiniumist räniosad.

Ligikaudu pool metallurgilisest räni kasutatakse keemiatööstuses suitsutatud räni valmistamiseks (a paksendaja ja kuivatusaine), silaanid (sideaine) ja silikoon (hermeetikud, liimid ja määrdeained). Fotogalvaanilist polüsilikooni kasutatakse peamiselt polüesterdatud räni päikesepatareide valmistamisel. Päikese moodulite ühe megavatti tootmiseks on vaja umbes viis tonni polüsilikooni.

Praegu moodustab polüesterdatud ränist toodetud päikeseenergia tehnoloogia üle poole kogu maailmas toodetavast päikeseenergiast, monokiiside tehnoloogia aga umbes 35 protsenti. Kokku kogutakse räni baasil tehnoloogia abil 90 protsenti inimeste kasutatavast päikeseenergiast.

Monokristalliline räni on ka tänapäevases elektroonikas leitav kriitiline pooljuhtmaterjal. Substraatmaterjalina välitransistoride (FET), LED-ide ja integraallülituste, räni tootmisel võib leida praktiliselt kõigist arvutitest, mobiiltelefonidest, tahvelarvutitest, teleritest, raadiodest ja muust tänapäevasest kommunikatsioonist seadmed. Arvatakse, et enam kui kolmandik kõigist elektroonikaseadmetest sisaldab ränipõhist pooljuhttehnoloogiat.

Lõpuks kasutatakse kõvasulamist ränikarbiidi paljudes elektroonilistes ja mitteelektroonilistes rakendustes, sealhulgas sünteetilistes ehted, kõrge temperatuuriga pooljuhid, kõvakeraamika, lõikeriistad, pidurikettad, abrasiivid, kuulikindel vestid ja küte elemente.

Terase legeerimise ja ferrosulamite tootmise lühiajalugu.
URL: http://www.urm-company.com/images/docs/steel-alloying-history.pdf
Holappa, Lauri ja Seppo Louhenkilpi.

Ferrosulamite roll terasetööstuses. 9.-13. Juuni 2013. Kolmeteistkümnes rahvusvaheline ferrosulamite kongress. URL: http://www.pyrometallurgy.co.za/InfaconXIII/1083-Holappa.pdf