ケイ素

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背景

酸素に次ぐ、シリコンは地球の地殻で最も豊富な元素です。岩石、砂、粘土、土壌に含まれ、二酸化ケイ素としての酸素、またはケイ酸塩としての酸素やその他の元素と組み合わされています。シリコンの化合物は、水中、大気中、多くの植物、さらには特定の動物にも見られます。

シリコンは周期表の14番目の元素であり、炭素ゲルマニウム、スズ、鉛とともにグループIVA元素です。純粋なシリコンは、ダイヤモンドと同じ結晶構造を持つ濃い灰色の固体です。その化学的および物理的特性は、この材料に似ています。シリコンの融点は2570°F（1410°C）、沸点は4271°F（2355°C）、密度は2.33 g / cm3です。

シリコンが加熱されると、ハロゲン（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）と反応してハロゲン化物を形成します。特定の金属と反応してケイ化物を形成し、電気炉で炭素と一緒に加熱すると、炭化ケイ素と呼ばれる耐摩耗性セラミックが生成されます。フッ化水素酸はシリコンに影響を与える唯一の酸です。高温では、シリコンは水蒸気または酸素によって攻撃され、二酸化ケイ素の表面層を形成します。

シリコンを精製し、ホウ素、リン、ヒ素などの元素をドープすると、さまざまな用途で半導体として使用されます。最高の純度を得るために、四塩化ケイ素またはトリクロロシランをケイ素に還元する化学プロセスが使用されます。単結晶は、溶融シリコンから種結晶をゆっくりと引き出すことによって成長します。

低純度のシリコンは、冶金学で還元剤として、また鋼、真ちゅう、アルミニウム、青銅の合金元素として使用されます。アルミニウムに少量のシリコンを添加すると、鋳造が容易になり、強度や硬度などの特性も向上します。酸化物またはケイ酸塩の形で、シリコンはコンクリート、レンガ、ガラス、セラミック、石鹸の製造に使用されます。シリコンメタルは、合成油、コーキング、シーラー、消泡剤などの製品に使用されるシリコンを製造するためのベース材料でもあります。

1999年の世界の生産量は約64万トン（中国を除く）で、ブラジル、フランス、ノルウェー、米国が主要な生産国でした。これは過去数年間（1998年に653,000トン、1997年に664,000トン）と比較して継続的な減少です。データは入手できませんが、中国が最大の生産国であり、米国がそれに続きます。ある推定では、中国の生産能力は年間40万トンに達し、400を超える生産者がいます。この国からの輸出は近年増加しています。

米国でのシリコン金属の消費量は約262,000メートルトンで、1ポンドあたり57セントの費用がかかりました。 1980年から1995年の年間成長率は、アルミニウム産業によるシリコン需要で約3.5％、化学産業で約8％でした。化学産業（主にシリコーン）の需要は、1990年代後半のアジア経済危機の影響を受けました。

歴史

シリコンは、1824年にスウェーデンの化学者、Jons Jacob Berzeliusによって最初に分離され、元素として記述されました。 1811年に不純な形が得られました。結晶シリコンは1854年に電気分解を使用して最初に製造されました。

電気アーク炉内でのシリカと炭素の反応により、シリコンが生成されます。

現在シリコンを製造するために使用されているタイプの炉である電気アーク炉は、1899年にフランスの発明家Paul Louis ToussaintHeroultによって鋼を製造するために最初に発明されました。米国で最初の電気アーク炉は、1905年にニューヨーク州シラキュースに設置されました。近年、加熱要素に使用される電極を含む炉技術が向上しています。

原材料

シリコンメタルは、シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）と、コークス、石炭、木材チップなどの炭素材料との反応から作られます。シリカは通常、冶金グレードの砂利の形で受け取られます。この砂利は99.5％のシリカで、サイズは3 x1または6x 1インチ（8 x 3cmまたは15x 3 cm）です。石炭は通常、灰分が少なく（カルシウム、アルミニウム、鉄の不純物を最小限に抑えるために1〜3％）、約60％の炭素を含み、砂利のサイズに合わせたサイズになっています。木材チップは通常、1/2 x 1/8インチサイズ（1x。3cmサイズ）の広葉樹です。すべての材料は、製造元の指定に従って受け取られます。

製造プロセス

基本的なプロセスは、水中電気アーク炉でシリカとコークスを高温に加熱します。酸素が除去されてシリコンが残る反応を起こすには、高温が必要です。これは還元プロセスとして知られています。このプロセスでは、通常、金属炭化物が低温で最初に形成されます。シリコンが形成されると、それが炭素に置き換わります。精製プロセスは、純度を向上させるために使用されます。

削減プロセス

• 1原材料の重量を量り、ドラフト、バケツ、または車を使用して上部から炉に入れます。一般的なバッチには、砂利とチップがそれぞれ1000ポンド（453 kg）、石炭が550ポンド（250 kg）含まれています。電極を含む炉の蓋が所定の位置に配置されます。電流が電極を通過してアークを形成します。このアークによって生成された熱（4000°Fまたは2350°Cの温度）は、材料を溶かし、砂と炭素の反応を引き起こして、シリコンと一酸化炭素を形成します。このプロセスには約6〜8時間かかります。炉は、原材料のバッチで継続的に充填されます。
• 2金属が溶融状態にある間、カルシウムとアルミニウムの不純物の量を減らすために、酸素と空気で処理されます。グレードにもよりますが、シリコンメタルには98.5〜99.99％のシリコンが含まれており、微量の鉄、カルシウム、アルミニウムが含まれています。

冷却/粉砕

• 3スラグと呼ばれる酸化物質をポットに注ぎ、冷却します。シリコン金属は、幅約8フィート（2.4 m）、深さ8インチ（20 cm）の大きな鋳鉄トレイで冷却されます。冷却後、金属は金型からトラックに投棄され、計量されてから保管パイルに投棄されます。金型からトラックに金属をダンプすると、保管のために十分に分解されます。出荷前に、金属は顧客の仕様に応じたサイズになっています。これには、ジョークラッシャーまたはコーンクラッシャーを使用した破砕プロセスが必要になる場合があります。

パッケージング

• 4シリコン金属は通常、最大3,000ポンド（1,361 kg）の大きな袋または木箱に梱包されます。粉末状のシリコンは、50ポンド（23 kg）のプラスチック製ペール缶または紙袋、500ポンド（227 kg）のスチールドラム、または3,000ポンド（1,361 kg）の大きな袋または箱に梱包されています。

品質管理

統計的プロセス制御は、品質を保証するために使用されます。コンピューター制御システムは、プロセス全体を管理し、統計データを評価するために使用されます。制御する必要のある2つの主要なプロセスパラメータは、使用する原材料の量と炉の温度です。実験室試験は、最終製品の化学組成を監視し、製造プロセスを調整することによって組成を改善する方法を研究するために使用されます。品質監査とサプライヤーの定期的な評価により、原材料の抽出から最終製品の出荷まで品質が維持されていることも確認されます。

副産物/廃棄物

統計的工程管理により、無駄を最小限に抑えます。プロセスの副産物であるシリカフュームは、製品の強度を向上させるために耐火物およびセメント産業に販売されます。シリカフュームは、断熱材、ゴムのフィラー、ポリマー、グラウト、その他の用途にも使用されます。冷却されたスラグは細かく砕かれ、他社に販売されてさらに処理されます。一部の企業はそれをサンドブラスト材料に粉砕します。電気アーク炉は粒子状物質を排出するため、製造業者は環境保護庁（EPA）の規制にも準拠する必要があります。

未来

業界アナリストは、欧米諸国による化学グレードのシリコンの需要は2003年まで年平均約7％で増加すると予測しましたが、アジアと日本の最近の景気後退により、この成長は鈍化する可能性があります。供給が需要を上回り続ける場合、価格は下がり続ける可能性があります。より多くの自動車メーカーがさまざまな部品をアルミニウム-シリコン合金に切り替えるため、自動車市場の見通しは明るいです。

バルクアモルファスシリコンを形成するための過冷却液体や、光学用途向けの多孔質シリコン粉末を製造するための水熱法など、シリコンを製造するための他の方法が研究されています。