Málmkísill er grár, glansandi hálfleiðara málmur sem er notaður til að búa til stál, sólarsellur og örflögur. Kísill er annað algengasta frumefnið í jarðskorpunni (að baki aðeins súrefni) og það áttunda algengasta í alheiminum. Tæplega 30 prósent af þyngd jarðskorpunnar má rekja til sílikons.
Þetta frumefni með lotunúmer 14 kemur náttúrulega fyrir í silíkat steinefnum eins og kísil, feldspat og gljásteini, sem eru helstu þættir algengra steinda eins og kvars og sandsteins. Kísill, hálfmálmur (eða málmefni), hefur nokkra eiginleika bæði málma og ómálma.
Eins og vatn, en ólíkt flestum málmum, dregst kísill saman í fljótandi ástandi og þenst út þegar það storknar. Það hefur tiltölulega hátt bræðslu- og suðumark og þegar það kristallast myndar það demanturkubíska kristalbyggingu. Atómuppbygging kísils, sem inniheldur fjórar gildisrafeindir sem gera kísil kleift að tengjast öðrum frumefnum auðveldlega, er mikilvæg fyrir virkni þess sem hálfleiðara og notkun þess í rafeindatækni.
Eiginleikar
Atómtákn: Já
Atómnúmer: 14
Frumefnisflokkur: Metalloid
Þéttleiki: 2.329 g/cm3
Bræðslumark: 2577 gráður F (1414 gráður)
Suðumark: 5909 gráður F (3265 gráður)
Harka Moh: 7
Framleiðsla
Stærstur hluti kísilsins sem er hreinsaður á hverju ári, um 80 prósent, er framleiddur sem kísiljárn til að nota við járn- og stálframleiðslu. Kísiljárn getur innihaldið á milli 15 og 90 prósent sílikon, allt eftir þörfum steypunnar.
Járn-kísilblendi er framleitt í kafi ljósbogaofni með afoxunarbræðslu. Kísilríkur málmgrýti og kolefnisgjafi eins og kokskol (málmvinnslukol) er mulið og hlaðið í ofninn ásamt ruslinu.
Við hitastig yfir 1900 gráður (3450 gráður F) hvarfast kolefni við súrefni sem er til staðar í steinefninu og myndar kolmónoxíðgas. Eftirstöðvar járnsins og kísilsins sameinast á meðan og mynda bráðið kísiljárn, sem hægt er að safna með því að banka á botn ofnsins. Þegar það hefur verið kælt og hert er hægt að senda kísiljárnið og nota það beint í framleiðslu á járni og stáli.
Sama aðferð, án járns, er notuð til að framleiða kísil úr málmvinnslu með meiri hreinleika en 99 prósent. Kísill úr málmvinnslu er einnig notaður í stálsteypu, sem og við framleiðslu á steyptum álblöndur og sílanefna.
Málmvinnslukísill er flokkaður eftir óhreinindamagni járns, áls og kalsíums sem er til staðar í málmblöndunni. Til dæmis inniheldur málmkísill 553 minna en 0,5 prósent af hverjum málmum, járni og áli, og minna en 0,3 prósent af kalsíum.
Um 8 milljónir tonna af kísiljárni eru framleidd um allan heim á hverju ári, þar sem Kína er um 70 prósent af þessu heildarmagni. Meðal helstu framleiðenda eru Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials og Elkem.
Aðrar 2,6 milljónir tonna af málmvinnslukísil eru framleidd árlega, það er um 20 prósent af heildar hreinsaða málmkísil. Kína, aftur, stendur fyrir um 80 prósent af þessari framleiðslu. Það kemur mörgum á óvart að sólar- og rafeindakísilflokkar eru aðeins lítið magn (minna en tvö prósent) af allri hreinsuðu kísilframleiðslu. Til að fara yfir í sólarstigs málmkísil (fjölkísil) verður hreinleikin að aukast í meira en 99,9999 prósent (6N) hreinan kísil. Þetta er gert með einni af þremur aðferðum, sú algengasta er Siemens ferlið.
Siemens ferlið felur í sér efnagufuútfellingu rokgjarns lofttegundar sem kallast tríklórsílan. Tríklórsílan er blásið við 1150 gráður (2102 gráður F) á kísilfræ af miklum hreinleika sem er fest á enda stangar. Þegar það fer yfir það er hárhreini kísillinn í gasinu settur á fræið.
Fluid bed reactor (FBR) og endurbætt málmvinnslustig (UMG) kísiltækni eru einnig notuð til að uppfæra málm í fjölkísill sem hentar fyrir ljósvakaiðnaðinn. Árið 2013 voru framleidd 230.000 tonn af fjölkísil. Helstu framleiðendur eru GCL Poly, Wacker-Chemie og OCI.
Að lokum, til þess að kísill af rafeindagráðu henti til notkunar í hálfleiðaraiðnaðinum og ákveðnum ljósvökvatækni, verður að breyta pólýkísil í ofurhreint einkristallað sílikon með því að nota Czochralski ferli. Til að gera þetta er fjölkísillinn brætt í deiglu við 1425 gráður (2597 gráður F) í óvirku andrúmslofti. Frækristalli sem er festur á stöng er síðan sökkt í bráðna málminn og hægt og rólega snúið og fjarlægt, sem gefur kísilnum tíma til að vaxa í fræefninu.
Varan sem myndast er stöng (eða kúla) úr einkristal kísilmálmi sem getur náð 99,999999999 (11N) prósent hreinleika. Hægt er að dópa þessa stöng með bór eða fosfór, eftir þörfum, til að breyta skammtafræðilegum eiginleikum. Einkristallaða stöng er hægt að senda til viðskiptavina eins og hún er, eða skera í oblátur og fáður eða með áferð fyrir tiltekna notendur.
Umsóknir
Þrátt fyrir að um tíu milljónir tonna af kísiljárni og kísilmálmi séu hreinsaðar á hverju ári er mestur hluti kísilsins sem notaður er í atvinnuskyni í formi kísilgrýtis, sem eru notaðir við framleiðslu á öllu frá sementi, steypuhræra og keramik, til glers og fjölliða.
Kísiljárn, eins og fram hefur komið, er mest notaða form málmkísils. Frá því það var fyrst notað fyrir um 150 árum síðan hefur kísiljárn verið mikilvægt afoxunarefni í framleiðslu á kolefni og ryðfríu stáli. Í dag er stálsteypa áfram stærsti neytandi kísiljárns.
Hins vegar hefur kísiljárn önnur notkun fyrir utan stál. Það er forblendi í framleiðslu á magnesíum kísiljárni, pillunarefni sem notað er til að framleiða sveigjanlegt járn, sem og í Pidgeon ferlinu til að hreinsa háhreint magnesíum. Einnig er hægt að nota kísiljárn til að búa til hita- og tæringarþolnar kísiljárnblendi, sem og kísilstál sem er notað við framleiðslu á rafmótorum og spennikjarna.
Málmvinnslukísill er hægt að nota í stáliðnaði og sem málmblandaefni í álsteypu. Ál-kísil (Al-Si) bílavarahlutir eru léttari og sterkari en hrein ál steypu. Bílavarahlutir eins og vélarblokkir og felgur eru einhverjir af mest steyptu ál-kísilhlutunum.
Næstum helmingur málmvinnslukísilsins er notaður í efnaiðnaðinum til að búa til reykandi kísil (þykkingar- og þurrkunarefni), sílan (tengiefni) og sílikon (þéttiefni, lím og smurefni). Pólýkísil úr ljósvökva er fyrst og fremst notað við framleiðslu á pólýkísilsólfrumum. Um fimm tonn af pólýkísil þarf til að búa til eitt megavatt af sólareiningum.
Eins og er, er pólýkísil sólartækni fyrir meira en helmingur sólarorku sem framleidd er í heiminum, en mónókísiltækni leggur til um 35 prósent. Alls er 90 prósent af sólarorku sem menn nota safnað með kísiltækni.
Einkristal sílikon er einnig grundvallarefni hálfleiðara í nútíma rafeindatækni. Sem undirlagsefni sem notað er við framleiðslu á sviði áhrifa smára (FET), LED og samþættum hringrásum, er sílikon að finna í nánast öllum nútíma tölvum, farsímum, spjaldtölvum, sjónvörpum, útvarpum og öðrum samskiptatækjum. Talið er að meira en þriðjungur allra rafeindatækja innihaldi hálfleiðaratækni sem byggir á kísil.
Að lokum er harðblendi kísilkarbíðið notað í margs konar rafrænum og órafrænum notkun, svo sem gervi skartgripum, háhita hálfleiðurum, hörðu keramik, skurðarverkfæri, bremsudiska, slípiefni o.fl. skotheld vesti og hitaeiningar.
