Кремний металлический

Кремний металлический (технический) — промышленный материал, получаемый восстановительной плавкой кварцита в дуговых электропечах. Основные потребители — металлургическая, химическая и электронная отрасли. Требования к маркам, химическому составу, упаковке и приёмке регламентированы ГОСТ 2169-69 «Кремний технический. Технические условия» (действующий, с изменениями № 1, 2, 3).

Физико-химические свойства кремния

Кремний (Si) — элемент IV группы периодической системы, атомный номер 14, атомная масса 28,086. В чистом виде это тёмно-серое твёрдое хрупкое вещество с металлическим блеском. Кристаллическая решётка — кубическая гранецентрированная (типа алмаза).

Основные физические характеристики элементарного кремния:

При нормальных условиях кремний химически малоактивен благодаря тонкой оксидной плёнке (SiO₂) на поверхности. При нагревании выше 400–500 °C реагирует с кислородом и галогенами. Заметная пластическая деформация наступает лишь при температурах свыше 800 °C, что определяет хрупкость материала при комнатных условиях. Кремний является полупроводником; его электрические свойства сильно зависят от содержания примесей.

Марки технического кремния по ГОСТ 2169-69

ГОСТ 2169-69 устанавливает пять марок технического кремния. Массовая доля кремния определяется расчётным путём — как разность между 100 % и суммой определяемых примесей (железа, алюминия и кальция).

Химический состав по маркам

Дополнительные требования к составу

ГОСТ 2169-69 предусматривает несколько вариантов изменения состава в зависимости от назначения:

Для производства алюминиево-кремниевых сплавов допускается массовая доля алюминия до 2,0 % с соответствующим снижением доли кремния. В этом случае к обозначению марки добавляется буква «А» (например, Кр1А).

Для химической промышленности массовая доля титана не должна превышать 0,2 % с соответствующим снижением доли кремния.

По согласованию с потребителем для нужд полупроводниковой промышленности и спецприменений допускается выпуск кремния марки Кр0 с массовой долей алюминия не более 0,3 %, марки Кр1 — не более 0,6 %.

Фракционный состав и формы поставки кремния

Стандартная форма поставки технического кремния — куски размером от 20 до 300 мм. Содержание фракции менее 20 мм не должно превышать 10 % массы партии.

По согласованию изготовителя с потребителем допускаются следующие фракционные составы:

Поверхность кусков не должна содержать включений шлака, песка и других инородных материалов, видимых невооружённым глазом. Потемнение поверхности при саморазламывании горячих слитков и наличие цветов побежалости браковочными признаками не являются.

Применение технического кремния в промышленности

Металлургия

В чёрной металлургии кремний служит раскислителем при выплавке стали и чугуна. Введение кремния в жидкую сталь связывает растворённый кислород, образуя кремнезём (SiO₂), который переходит в шлак. Как легирующий элемент кремний повышает упругие свойства стали, что используется при выплавке рессорно-пружинных и трансформаторных марок. В электротехнических сталях добавка кремния снижает коэрцитивную силу и потери на вихревые токи.

В цветной металлургии технический кремний является компонентом алюминиевых литейных сплавов (силуминов), кремнистых бронз и других кремнийсодержащих сплавов. Его применяют также в качестве модификатора, улучшающего литейные свойства.

Химическая промышленность и кремнийорганический синтез

Технический кремний — основное сырьё для производства кремнийорганических соединений (силиконов). Из него получают хлорсиланы (SiCl₄, SiHCl₃), которые служат промежуточными продуктами в синтезе силиконовых масел, каучуков, герметиков и смазок. Кремнийорганические полимеры отличаются термостойкостью, гидрофобностью и диэлектрическими свойствами, поэтому востребованы в авиации, строительстве, медицине и электротехнике.

Хлорсиланы, полученные из технического кремния, используются также как исходное сырьё при глубокой очистке для производства поликристаллического кремния полупроводникового и солнечного качества.

Электроника и солнечная энергетика

Технический кремний является исходным сырьём для получения кремния высокой и сверхвысокой чистоты. После многоступенчатой очистки (хлорирование, ректификация, восстановление водородом) он превращается в поликристаллический кремний электронного качества (чистота 99,9999999 % и выше — так называемый «девять девяток»). Из поликристаллического кремния методами Чохральского или зонной плавки выращивают монокристаллы, идущие на изготовление полупроводниковых пластин для микросхем, транзисторов и диодов.

Для солнечной энергетики используют кремний солнечного качества (несколько менее чистый, чем электронный). Из него получают мультикристаллические блоки или монокристаллические цилиндры, нарезаемые на пластины (вейферы) для фотоэлектрических преобразователей.

Абразивные материалы

Кремний входит в состав карбида кремния (SiC, карборунд) — абразивного материала с твёрдостью, близкой к алмазу. Карбид кремния используют при производстве шлифовальных кругов, шлифовальных порошков, а также как конструкционный материал для деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах.

Приёмка, упаковка и транспортировка

Правила приёмки

Кремний принимают партиями. Партия состоит из кремния одной или нескольких плавок одной марки, масса партии — не более 75 т. Каждую партию оформляют документом о качестве, содержащим марку кремния, номер партии, массу, результаты определения массовой доли компонентов, дату формирования и обозначение стандарта.

Для контроля химического состава и фракционного состава от партии отбирают объединённую пробу в количестве не менее 0,1 % массы партии. В каждой партии определяют массовую долю железа, алюминия и кальция. Массовую долю титана определяют по требованию потребителя (в кремнии для химической промышленности).

Упаковка

Технический кремний транспортируют в неупакованном виде или, по согласованию с потребителем, упакованным в деревянные ящики по ГОСТ 2991, металлические барабаны или бочки по ГОСТ 6247, ГОСТ 13950, ГОСТ 8777. Для длительного хранения кремний упаковывают в деревянные ящики с массой нетто 500 кг или металлические барабаны с гофрами жёсткости.

Маркировка

На ярлык наносят информацию о марке, номере партии, химическом составе, массе и производителе. Для визуальной идентификации марки на ярлыке по диагонали размещают цветовые полосы:

Транспортировка и хранение

Кремний транспортируют железнодорожным и автомобильным транспортом. Допускается перевозка навалом в специализированных контейнерах или открытых вагонах (с заделкой конструктивных зазоров для исключения просыпания). Упакованный кремний перевозят крытыми транспортными средствами.

Хранят упакованный кремний в крытых помещениях. Неупакованный (навалом, в том числе в контейнерах) — под навесом или в крытых помещениях. Хранение кремния в металлической таре, исключающей попадание влаги, допускается на открытых площадках.

Кремний как компонент сплавов

Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины)

Силумины — литейные сплавы на основе алюминия с содержанием кремния 5–13 %. Кремний снижает температуру плавления сплава, улучшает жидкотекучесть и литейные свойства. Силумины используют в автомобильной, авиационной и приборостроительной отраслях для изготовления деталей сложной формы. Для производства силуминов применяют кремний с повышенной допустимой долей алюминия (марки с суффиксом «А»).

Ферросилиций

Ферросилиций — сплав железа с кремнием (содержание Si от 20 до 90 %), применяемый как раскислитель и легирующая добавка в сталеплавильном и чугунолитейном производстве. Технический кремний может использоваться как сырьё при получении ферросилиция высоких марок, хотя чаще ферросилиций получают прямым восстановлением из руды.

Кремнистые бронзы

Кремнистые бронзы (например, БрКМц3-1) — медные сплавы, легированные кремнием. Добавка кремния повышает прочность, коррозионную стойкость и износостойкость. Такие бронзы применяют для изготовления пружин, мембран, деталей химического оборудования и подшипников скольжения.

Требования к качеству поверхности кусков

На поверхности кусков кремния, предназначенного для производства алюминиево-кремниевых сплавов, допускаются: следы противопригарной засыпки, ликвационные наплывы, брызги кремния, плёнки побежалости и отдельные незначительные шлаковые включения. Для остальных назначений поверхность должна быть свободна от видимых инородных включений шлака, песка и посторонних материалов.

Методы определения химического состава

Химический анализ кремния проводят по ГОСТ 19014.0 — ГОСТ 19014.4 (серия стандартов «Кремний кристаллический. Методы химического анализа»). Допускается применение других аналитических методов, обеспечивающих требуемую точность. При разногласиях в оценке результатов анализ проводят строго по указанным ГОСТам.

Объединённую пробу дробят до крупности, проходящей через сито с сеткой № 2,5 по ГОСТ 6613, сокращают квартованием до лабораторной пробы массой не менее 150 г. Лабораторную пробу отмагничивают и делят на две части: одну для анализа, вторую хранят 30 суток на случай разногласий.

Выбор марки кремния для конкретного производства

Выбор марки зависит от назначения и требуемого уровня чистоты:

При заказе необходимо указывать марку, требуемый фракционный состав и назначение кремния, особенно если требуются варианты с ограничением по алюминию или титану.