5 Технический (металлургический) кремний

Кремний - один из самых популярных металлов XX века. Его свойства давать ценнейшие легкие сплавы, кремний-органические соединения, силициды, абразивы, стойкие огнеупоры, быть не заменимым в производстве сталей, сплавов, создавать основу современной радиоэлектроники и гелиоэнергетики - вот далеко не полный перечень сфер применения кремния технического, чистого и чистейшего.

Кремний широко используется современной промышленностью. Потребление его происходит по двум каналам. В виде кремнистых ферросплавов и чистого кремния различной степени очистки.

В настоящее время общегодовое производство технического кремния в мире составляет около 950 тыс./г., кремний производится в 44 странах мира 42 фирмами.

Основное количество ферросплавов (кремния) используют в сталеплавильном производстве для раскисления и получения легированных сталей различных марок, модификаций чугуна и сплавов.

Кремний, как легируюшая добавка, повышает твердость, прочность, упругость стали понижая ее вязкость. Кремний способствует улучшению магнитных свойств стали и применяется для легирования электротехнических сталей.

Многие сферы производства требуют применения чистого кремния, лишенного примесей.

Чистый кремний производится в более скромных масштабах, чем ферросилиций, однако, он является одним из самых необходимых элементов XX-XXI веков. Его свойства давать для космоса, авиации, транспортного машиностроение ценнейшие легкие сплавы, быть основой многочисленных и непрерывно увеличивающихся числом и качеством кремнийорганических соединений, силицидов, абразивов и особо стойких огнеупоров, создать основу современной радиоэлектронике - далеко не полный перечень применения кремния различной степени чистоты.

Наиболее крупными потребителями очищенного кремния могут являются следующие.

Производство легких сплавов. Силумин - сплав кремния с алюминием с небольшими добавками других металлов.

Производство кремнийорганических соединений следует характеризовать как новое прогрессивное направление, которое еще не сказало своего последнего слова. Главнейшие направления: производство силиконового каучука и резины, способной работать при температуре до 300°С и выше; смазочные масла для форсированных двигателей с рабочей температурой до 400-450 ^оС; смолы, лаки, клеи, изоляция до Т-250 ^оС; стойкие силиконовые краски для зданий, судов, сооружений и т.д. с консервирующими свойствами и др.

Производство силицированного графита и самосвязанного карбида кремния.

Организация новых непрерывных производств сопровождается повышением технологических параметров: температуры, давления, концентрации агрессивных сред и др. Повысились требования к конструкционным материалам, прежде всего в отношении их жаропрочности, стойкости к теплосменам, сопротивляемости износу, способности длительно работать без разрушения в условиях воздействия агрессивных сред различной концентрации. Этим требованиям удовлетворяют два новых материала.

Силицированный графит - жаропрочен, обладает хорошей стойкостью к теплосменам, хорошо сопротивляется износу и воздействию многих агрессивных жидкостей и паров как при низкой, так и высоких температурах. Он применяется для изготовления узлов и аппаратов, работающих в тяжелых условиях. Так, например, для изготовления защитной арматуры термопар погружения, тиглей, стопорно-разливочного припаса, различных насадок в металлургии, для изготовления уплотнительных колец, колец радиальных подшипников в химическом машиностроении.

Самосвязный карбид кремния - формованная и прокаленная при высокой температуре смесь карбида кремния, порошка кремния и сажи. Готовое изделие представляет собой монолит карбида кремния почти с нулевой пористостью. Применяется для изделий работающих до температуры 2000°С в широком ассортименте: чехлы термопар, трубы, тигли, стаканы, диски сцепления, особо стойкие детали для печей, огнеупоры и т.д.

Указанные материалы далеко не исчерпали своих возможностей.

Производство особо чистого полупроводникового кремния. Быстро развивающаяся новая отрасль, объемы в производства которой прогрессивно увеличиваются и достигли 80-90 годах десятков тысяч тонн очищенного кремния. Это обеспечивает выпуск широкого ассортимента БИС и СБИС-компонентов для микропроцессоров, запоминающих устройств, логических ИС, ЭВМ, бытовой электроники, чипов, тонких кремниевых лент, эпитаксиальных покрытий различного назначения, в том числе для солнечных элементов и батарей и т.д.

Сюда следует добавить производство компонентов радиоэлектроники из чистого карбида кремния, который обладает уникальными полупроводниковыми свойствами, сохраняющимися при высоких рабочих температурах до 1000°С для изготовления силовых диодов с высокой отдаваемой мощностью, детекторов ультрафиолетового излучения, фотонов и ядерных частиц в условиях радиационного облучения, повышенных механических нагрузок, вибрации и химической вредности рабочей среды.

Быстрое развитие радиоэлектроники и гелиоэнергетики (альтернативного метода получения энергии взамен АЭС и ТЗП) - перспективнейших направлений технического прогресса - потребует увеличение выпуска кремния повышенной чистоты для данных целей. К числу крупных потребителей кремния необходимо отнести производство карбида кремния для тугоплавких огнеупоров и абразивов.

Карбидокремниевые огнеупоры, представляющие собой обоженную спрессованную смесь SiC на глинистой или пековой связке, могут работать при температуре до 2000 °С и используются в самых ответственных узлах высокотемпературных печей.

Карбидкремневые абразивы, самые массовые абразивы в отечественной промышленности. Изготовляются из порошков карбида кремния на связке. Широко используются в машиностроении и др. отраслях для обработки, точки, шлифовки и полировки различных деталей и изделий из металлов, сплавов и др. материалов.

Доли потребления кремния перечисленными производствами различны по отдельным странам. Кроме того, они подвержены изменениям в каждой отдельной стране в зависимости от изменения структуры потребления.