سیلیکون؛ عنصری کلیدی در صنعت مدرن

سیلیکون فلزی از طریق احیای کربوترمیک کوارتز در کوره قوس الکتریکی غوطه‌ور (Submerged Arc Furnace) تولید می‌شود. مواد اولیه شامل کوارتز با خلوص بالا (SiO2) و عوامل احیاکننده کربنی مانند زغال‌سنگ، کک و ذغال چوب، به نسبت‌های دقیق مهندسی‌شده در بالای کوره بارگیری می‌شوند.

الکترودهای کربنی غوطه‌ور در بستر مواد، جریان الکتریکی بسیار بالایی عبور می‌دهند و دمایی در حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در ناحیه اطراف الکترود ایجاد می‌کنند. در این دما، واکنش اصلی احیا رخ می‌دهد: SiO2 + 2C → Si + 2CO. این واکنش در چند مرحله و در نواحی حرارتی مختلف کوره انجام می‌شود؛ در نواحی بالایی و خنک‌تر، گاز SiO تولیدی با کربن واکنش می‌دهد و در نواحی پایینی و داغ‌تر، سیلیکون مذاب شکل می‌گیرد.

سیلیکون مذاب در کف کوره جمع می‌شود و به‌صورت دوره‌ای از طریق روزنه تخلیه (tap hole) خارج و در قالب‌ها ریخته‌گری می‌شود. پس از سرد شدن، بلوک‌های سیلیکون خرد و بر اساس اندازه و کاربرد درجه‌بندی می‌شوند. گاز مونوکسیدکربن (CO) تولیدی در واکنش، در بالای کوره با اکسیژن هوا واکنش داده و به‌عنوان منبع انرژی حرارتی بازیافت یا مشتعل می‌شود، و دود سیلیکا (silica fume) — یک محصول جانبی ارزشمند به‌صورت ذرات آمورف SiO2 — توسط سیستم‌های فیلتراسیون جمع‌آوری و عمدتاً در صنعت بتن استفاده می‌شود.

این فرآیند به‌صورت پیوسته و ۲۴ ساعته اداره می‌شود و مصرف انرژی بسیار بالایی دارد (به‌طور تقریبی ۱۱ تا ۱۳ مگاوات‌ساعت برق به ازای هر تن سیلیکون تولیدی)؛ به همین دلیل بیشتر تولیدکنندگان بزرگ در مناطقی با برق ارزان مستقر هستند. سیلیکون خروجی از این مرحله، «سیلیکون فلزی» با خلوص حدود ۹۸ تا ۹۹ درصد است؛ برای رسیدن به گریدهای خالص‌تر مانند گرید مورد استفاده در پنل خورشیدی یا صنایع الکترونیک، این محصول باید فرآیندهای تصفیه بیشتری مانند لیچینگ اسیدی، انجماد جهت‌دار یا فرآیند زیمنس را طی کند.