Диоксид кремния из чего получают завод

Когда слышишь про диоксид кремния, многие сразу думают о песке — и это в корне неверно. На заводе мы работаем с куда более сложными процессами, где сырьём служит кварцевый концентрат, а не рядовой песчаный карьер. Даже среди технологов бытует миф, что чем чище кварц, тем проще получить аэросил — но на практике важно контролировать не только чистоту, но и гранулометрию, и даже форму частиц. Помню, как на одном из первых запусков мы перешли на сырьё с месторождения с якобы 'идеальным' SiO? ≥99,8%, а в реакторе начали образовываться агломераты — пришлось менять температурный режим и скорость подачи хлора.

Сырьевая база и подготовка

Основное сырьё — кварцевый концентрат, но его подготовка требует тонкой калибровки. Мы закупаем материал с месторождений Урала и Сибири, где содержание SiO? колеблется от 99,3% до 99,6%. Важно не просто дробить породу, а доводить фракцию до 50–150 мкм — если мельче, растут энергозатраты, если крупнее, неполное хлорирование. На заводе в цехе подготовки стоят щёковые дробилки и шаровые мельницы с сепарацией, но даже там бывают сбои: однажды поставщик привез партию с примесью полевого шпата — пришлось экстренно добавлять стадию магнитной сепарации.

Сушка — ещё один критичный этап. Мы используем барабанные сушилки с температурой 200–250°C, но если перегреть — кварц теряет реакционную способность. Как-то зимой из-за конденсата в подающих трубах сырьё схватилось комками, и реакция пошла с локальными перегревами. Пришлось останавливать линию на сутки — урок на миллион.

Химическая подготовка включает обработку соляной кислотой для удаления железосодержащих примесей. Концентрация HCl — 12–15%, температура 60–70°C. Здесь важно следить за временем выдержки: если передержать — растёт расход кислоты, если недодержать — железо остаётся и даёт желтоватый оттенок готовому продукту. Мы эмпирически вывели оптимальные 4–5 часов, но для каждого месторождения — свои поправки.

Процесс получения диоксида кремния

Основной метод — хлоридный, через синтез силана. Кварцевый концентрат поступает в кипящий слой реактора, где при 500–600°C взаимодействует с хлором. Образуется тетрахлорид кремния, который затем гидролизуют. Ключевой момент — контроль содержания кислорода: если его больше 0,5% — начинается окисление до оксихлоридов, которые забивают трубопроводы.

Гидролиз проводят в камере сгорания на водороде. Пламя должно быть стабильным, иначе вместо аморфного диоксида кремния получается кристаллический — такой продукт уже не годится для резинотехнической промышленности. Мы используем горелки собственной разработки — с двойной системой подачи, но и они иногда капризничают при смене партии водорода.

Температура в зоне горения — 1200–1400°C. Здесь важно не только нагреть, но и быстро охладить продукт — иначе частицы спекаются. Наш завод применяет двухстадийное охлаждение: сначала в теплообменнике до 400°C, затем распылением воды до 80°C. Но помню случай, когда датчик температуры вышел из строя — продукт перегрелся, и мы получили агрегаты по 10–15 мкм вместо требуемых 0,1–0,2 мкм.

Проблемы контроля качества

Основные параметры — удельная поверхность (БЭТ), рН и остаточная влажность. Мы измеряем БЭТ на приборах Micromeritics, но даже они иногда 'врут' — особенно после длительной эксплуатации. Как-то получили партию с поверхностью 380 м2/г вместо 200 — оказалось, в магистрали был конденсат, и частицы набухли. Пришлось перекалибровать всю систему отбора проб.

рН готового продукта должен быть в диапазоне 3,5–4,5. Если ниже — значит, не отмыли от HCl, если выше — возможны следы аммиака из нейтрализаторов. Мы перешли на многоступенчатую промывку деионизированной водой, но это увеличило расходы на 15% — зато стабильность выросла.

Содержание влаги — не более 1,5%. Казалось бы, мелочь, но при превышении диоксид кремния комкуется в биг-бэгах. Пришлось устанавливать дополнительный скруббер на линии сушки — и всё равно раз в квартал чистим силосы от налипшего продукта.

Оборудование и его особенности

Реакторы кипящего слоя — сердце производства. Мы используем аппараты объёмом 12 м3, футерованные кварцевой керамикой. Проблема в том, что футеровка со временем трескается — особенно в зоне термошока. Замена занимает 2–3 недели, поэтому держим запасной реактор — дорого, но без этого простои обходятся дороже.

Трубопроводы из никель-молибденового сплава Hastelloy — единственное, что выдерживает постоянный контакт с хлором и HCl. Но и они корродируют в сварных швах. Раз в год делаем ультразвуковой контроль толщины — уже дважды меняли участки на вертикальных стояках.

Система газоочистки — четырёхступенчатая: циклон, рукавный фильтр, скруббер и адсорбер с активированным углём. Самое слабое звено — рукава из фторопласта: при перепадах температуры они теряют эластичность. Перешли на армированные стеклотканью — служат дольше, но дороже на 40%.

Применение и требования рынка

Основные потребители — производители шин и резинотехнических изделий. Им нужен диоксид кремния с определённой структурой пор — для 'зелёных' шин требуется поверхность 160–180 м2/г, для силиконовых герметиков — 300–350. Мы адаптировали технологию под разные марки, но каждая перенастройка — это риск.

В последнее время растёт спрос на модифицированные формы — например, силанизированный диоксид для адгезивов. Мы пробовали делать такие партии на существующем оборудовании, но столкнулись с проблемой неравномерного покрытия частиц. Пришлось закупать отдельный реактор для поверхностной обработки — ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы как раз предлагает решения в этой области.

Интересно, что для лакокрасочной промышленности требования жёстче по цвету: допустимый показатель белизны — не менее 96%. Добиться этого можно только тщательной очисткой сырья — мы ввели дополнительную флотацию кварца, что подняло себестоимость на 8%, но позволило выйти на премиальный сегмент.

Перспективы и ограничения

Сейчас рассматриваем переход на карботермический метод — он менее энергоёмкий, но требует высококачественного кокса. Провели испытания на пилотной установке: получается дешевле на 20%, но пока нестабильно по чистоте. Возможно, стоит совместить оба метода — например, первичный синтез карботермически, затем очистку хлорированием.

Экологические нормы ужесточаются — по выбросам хлора сейчас лимит 5 мг/м3 вместо прежних 20. Пришлось устанавливать дополнительный абсорбер с щёлочью — эксплуатационные расходы выросли, но зато сохранили разрешение.

Из новшеств — пробуем использовать отходы кремниевого производства в качестве сырья. Технически возможно, но экономика пока не сходится: подготовка таких отходов обходится дороже, чем добыча нового кварца. Хотя с учётом роста цен на энергоносители, возможно, через 2–3 года станет рентабельно.

Опыт коллег и сотрудничество

На конференции в Новосибирске обсуждали проблему быстрого износа форсунок в горелках — оказалось, многие сталкиваются. Китайские коллеги из ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы предлагают керамические сопла с карбидкремниевым покрытием — пробуем в тестовом режиме. Пока результаты обнадёживают: за 3 месяца износ менее 0,1 мм против 0,5 мм у стальных.

Совместно с их инженерами тестируем новую схему рекуперации тепла от реакторов — если удастся утилизировать хотя бы 30% тепла на подогрев сырья, экономия составит до 15 млн рублей в год. Пока смонтировали теплообменник на одной линии — считаем показатели.

Их подход к контролю качества впечатляет: на https://www.sdyingrui.ru описана система многоуровневого тестирования — от рентгенофлуоресцентного анализа до электронной микроскопии. Мы переняли практику ежесменного контроля гранулометрии — снизили брак на 2%.

Выводы и наблюдения

Производство диоксида кремния — это постоянный компромисс между качеством и себестоимостью. Можно сделать продукт с идеальными параметрами, но он будет неконкурентоспособен по цене. Мы научились оптимизировать процессы: где-то снижаем чистоту сырья на 0,2%, но экономим на энергозатратах — главное, чтобы это не влияло на ключевые характеристики.

Сырьё — основа всего. За 10 лет работы убедился: лучше переплатить за стабильный кварцевый концентрат, чем потом бороться с последствиями. Сейчас работаем с тремя проверенными месторождениями — и всё равно каждая партия проходит входной контроль.

Перспективы вижу в глубокой переработке: не просто продавать аэросил, а предлагать готовые композиции — например, для полиуретанов или компаундов. ООО Шаньдун Инжуй Новые Материалы уже движется в этом направлении — стоит перенимать опыт.