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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS - ESPE

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

TECNOLOGÍA DE MATERIALES ING. PATRICIO QUEZADA

PROCESO DE OBTENCIÓN DEL SILICIO

INTEGRANTES: IVÁN GARZÓN ISAAC GUITIERREZ KEVIN SALAZAR

SANGOLQUÍ, 10 DE MAYO 2016

1. Tema: PROCESO DE OBTENCIÓN DEL SILICIO 2. Objetivos 2.1. Identificar y analizar el proceso industrial de obtención del silicio 2.2. Conocer las características y aplicaciones del silicio en la industria. 2.3. Identificar las empresas que comercializan silicio en el Ecuador. 3. Marco Teórico 3.1. Proceso de obtención de la Sílice El dióxido de silicio (SiO) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes principales de la arena. Una de las formas en que aparece naturalmente es el cuarzo. Este compuesto ordenado espacialmente en una red tridimensional (cristalizado), forma el cuarzo y todas sus variedades. Si se encuentra en estado amorfo constituye el ópalo y suele incluir un porcentaje del 4-9 % de agua. Extracción y acarreo del mineral Las arenas cuarzosas son extraídas del yacimiento Santa Teresa, arena calidad A o blanca a 10 Km de la planta de beneficio y la arena calidad B o amarilla a 8.5 Km. Desde el yacimiento San Ubaldo la arena calidad G a 22 Km y desde el yacimiento ESBEC 19 la arena calidad F a 26 km. Para su explotación se realizan dos labores fundamentales, el desbroce y la otra son la extracción. Durante el desbroce se realiza la tala de los árboles y arbustos aprovechables por la empresa Forestal encargada de realizarla y la separación de la capa vegetal y el resto de la vegetación. La dirección de ejecución del desbroce se realiza en sentido opuesto a la dirección del arranque para contribuir a disminuir las perdidas en el mayor grado posible. El material arrancado es empujado hacia otros bloques ya explotados o fuera de los límites del yacimiento. Para las labores de extracción se utilizan buldózer, cargadores y camiones. Una vez reapilada la arena por el buldózer es cargada por cargador frontal hacia los equipos de acarreo hasta el patio de materia prima de la Planta de Beneficio.

Proceso de beneficio El beneficio del mineral se realiza en una planta de alta tecnología de lavado con atrición, cribado, clasificación hidráulica, filtrado y secado. El proceso permite un tratamiento posterior de secado en una instalación anexa. Lavado y clasificación. Aquí se obtiene mediante el cribado, la atrición y la clasificación hidráulica las características granulométricas del producto para su comercialización. Operaciones tecnológicas asociadas 

Cribado Primario

La arena cuarzosa es descargada en la Tolva primaria desde donde es extraida mediante un dosificador de banda de velocidad constante hacia el transportador de banda que alimenta una la criba vibrante. El rechazo de esta criba es todo material extraño en la arena (raíces, trozos de madera, etc.)entre 10-12 mm. 

Atricionado

El pasante de la criba va a los atricionadores junto con la cantidad adecuada de agua para que la concentración en sólidos de la pulpa sea del 23% en peso. Allí se separan las partículas arcillosas. La pulpa descargada de los atricionadores pasa a un colector primario. 

Cribado Secundario

Las bombas de aspiración alimentan la pulpa del 30 % en peso de sólidos a la criba estática de desbaste, donde se realiza el corte, mediante una rejilla de inclinación variable con luz entre 1 y 1.2 mm., el rechazo previsto en la anterior (aproximadamente el 15 % de la alimentación) se apura en otra criba sobre la que se descarga. Esta segunda criba es horizontal vibrante y dispone de boquillas rociadoras de agua, para rebajar la concentración de sólidos en operación hasta un 10 % aproximadamente. Ambas cribas realizan el mismo corte hasta reducir el rechazo por debajo del 2.5 % sobre la alimentación. Dicho rechazo (+ 0.63 mm.) Se apilará junto al edificio de clasificación. El pasante de ambas cribas, con partículas sólidas de tamaño inferior a 0.63 mm. , se recoge en la tolva de descarga, junto con el agua de proceso procedente del colector general, para ajustar la concentración de la pulpa al 20 % en sólidos. Esta vierte la pulpa en el colector secundario. Eliminación de fino: En los hidrociclones primarios se realiza un corte técnico de 0.1 mm aproximadamente, yéndose en el reboso la mayor parte de arcilla que contamina

la arena en esta fase del proceso. El rebaso de los hidrociclones cae por gravedad al sistema de rebosa de los Hidroclasificadores y juntos posteriormente pasan al clarificador. Las descargas de los hidrociclones recogidas de 3 en 3 constituyen las 3 líneas de alimentación por gravedad de los hidroclasificadores de tipo vertical de columna de agua, donde tiene lugar la clasificación final de los productos principales, arena clase “A” o “B”. Los sólidos con mayor concentración y con tamaño de las partículas superiores se descargan por el fondo a través de 3 válvulas equidistantes a 1200 en el colector de aspiración de la bomba que maneja la pulpa de arena al 20 % en sólidos, por lo que previamente se ajusta esta concentración adicionando agua al colector general en los conductos de descarga de los hidroclasificadores recogiéndose finalmente en colectores desde donde se bombea la pulpa hasta el hidrociclón, cuya misión es espesar la pulpa a un 55 % de sólidos. 

Filtrado y Almacenamiento

La pulpa concentrada del Hidrociclón es descargada en el filtro de absorción donde se reduce el contenido de agua del producto hasta una humedad máxima de 12 %. La arena húmeda se transporta mediante cintas que se mueven fuera del edificio de clasificación, y distribuyen el producto a lo largo de los almacenes de producto terminado según la clase. Proceso de secado Durante este proceso se obtiene un producto con una humedad máxima de1%. Descripción de las operaciones tecnológicas 

Alimentación y Secado: La arena después que alcanza la humedad prevista sale del tambor rotativo hacia una criba vibratoria diseñada para obtener producciones con determinadas características granulométricas.

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Enfriamiento: La arena secada y aún caliente es depositada en una tolva mediante banda transportadora. El enfriamiento tiene lugar en la trayectoria desde la criba vibratoria hasta la tolva y durante el almacenamiento de la misma en dicha tolva aproximadamente 1 hora.

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Envase: La arena a una temperatura manipulable por el hombre es envasada en big bag o sacos multicapas y almacenada para su posterior comercialización.

3.2. Proceso de obtención del Silicio El dióxido de silicio (SiO) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes principales de la arena. Una de las formas en que aparece naturalmente es el cuarzo. Este compuesto ordenado espacialmente en una red tridimensional (cristalizado), forma el cuarzo y todas sus variedades. Si se encuentra en estado amorfo constituye el ópalo y suele incluir un porcentaje del 4-9 % de agua. El silicio metalúrgico se obtiene a partir de sílice de alta pureza reduciendo en hornos de arco eléctrico con electrodos a temperaturas superiores a 2000 ° C: SiO+ C → Si + CO Hay varias razones por las que el proceso es mucho más complicado de lo que se sugiere en la ecuación, pero la razón principal es la alta estabilidad de dióxido de silicio . El proceso de obtención del silicio es complicado en el sentido de que se obtiene de muchos subprocesos. Esto se debe a los requisitos de transformación en la producción de silicio. Los principales puntos importantes en el proceso de producción de silicio son los siguientes: 

La producción de silicio requiere de una operación a muy alta temperatura (mayores a 1811 °C) y grandes cantidades de energía.

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Durante la operación, los compuestos en estado sólido se convierten en líquido con una gran producción de gas de proceso.

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El proceso incluye el SiO-gas, que es muy inestable y reacciona vigorosamente con el oxígeno.

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Hoy todos los procesos se basan en la combustión de los gases de proceso en la parte superior del horno. Sin embargo, este proceso de quemado puede no ser óptimo desde una perspectiva ambiental.

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El único agente conocido de reducción es el carbono, que está con frecuencia en forma de coque y carbón.

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La única adición de energía al proceso es la energía eléctrica a través de electrodos.

Además de los principales elementos Si, C y O que participan en la reacción (1), hay elementos adicionales en pequeñas cantidades que entran en el proceso como impurezas en las materias primas y el electrodo. Este trabajo describe la aparición de algunos de estos elementos y su distribución en el proceso de producción. La Figura 1 muestra la parte principal de una moderna planta de silicio. Muestra también los silos de materia prima, el sistema de electrodos, el sistema de recuperación de energía, los filtros y el sistema de manipulación de metales.

Figura 1 El corazón de esta planta es un horno eléctrico de reducción. Se compone de una cuba que está llena hasta el borde, cargado con sus materias primas que por gravedad descienden de los silos a través de unos tubos a la cuba como se muestra. La energía necesaria para la fusión se entrega por medio de 3 fases a través de tres electrodos en posición vertical y sumergidos dentro de la mezcla cargada. El 90- 95% de la energía suministrada se disipa en forma de calor en las cavidades llenas de gas que rodean el extremo de los electrodos, dando una temperatura en la cavidad alrededor de 2000 °C.

El silicio líquido se acumula en el fondo del horno de donde se extrae y se enfría. El silicio producido por este proceso se denomina metalúrgico y tiene una pureza del 98%. Para la construcción de dispositivos semiconductores, es necesario purificarlo aún más hasta obtener silicio ultra puro, por métodos físicos o químicos. Los métodos físicos de purificación del silicio metalúrgico se basan en la mayor solubilidad de las impurezas en el silicio líquido, de forma que estas se concentran en las últimas zonas solidificadas. El primer método usado para construir componentes de radar durante la Segunda Guerra Mundial, consiste en moler el silicio de forma que las impurezas se acumulen en las superficies de los granos de silicio; disolviendo éstos parcialmente con ácido se obtenía un polvo más puro. La fusión por zonas, el primer método usado a escala industrial, consiste en fundir un extremo de la barra de silicio y trasladar lentamente el foco de calor a lo largo de la barra de modo que el silicio va solidificando con una pureza mayor al trasladar a la zona fundida gran parte de las impurezas. El proceso puede repetirse las veces que sea necesario hasta lograr la pureza deseada bastando entonces cortar el extremo final en el que se han acumulado las impurezas.

3.3. Características y Aplicaciones del Silicio Características del Silicio El silicio forma parte de los elementos denominados metaloides o semimetales. Este tipo de elementos tienen propiedades intermedias entre metales y no metales. En cuanto a su conductividad eléctrica, este tipo de materiales al que pertenece el silicio, son semiconductores.

Aplicaciones del Silicio El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre y es vital para la industria de la construcción. Si alguna vez te has preguntado para qué sirve el silicio, a continuación tienes una lista de sus posibles usos: 

El dióxido de silicio y sílice (en forma de arcilla o arena) son componentes importantes de ladrillos, hormigón y cemento.

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El silicio es un semiconductor. Esto significa que el flujo eléctrico puede ser controlada mediante el uso de partes de silicio. Por lo tanto, el silicio es muy importante en la industria eléctrica. Componentes de silicio se utilizan en las computadoras, los transistores, células solares, pantallas LCD y otros dispositivos semiconductores.

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La mayoría del silicio se utiliza para la fabricación de aleaciones de aluminio y silicio con el fin de producir piezas fundidas. Las piezas se producen mediante el vertido del material fundido de aluminio y silicio en un molde. Estas piezas de material fundido se utilizan generalmente en la industria del automóvil para fabricar piezas para coches.

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La masilla "Silly Putty" antes se hacía mediante la adición de ácido bórico al aceite de silicona.

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El carburo de silicio es un abrasivo muy importante.

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Los silicatos se puede utilizar para hacer tanto cerámica y como esmalte.

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La arena, que contiene silicio, es un componente muy importante del vidrio.

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La silicona, un polímero derivado del silicio, se utiliza en aceites y ceras, implantes mamarios, lentes de o, explosivos y pirotecnia (fuegos artificiales).

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En el futuro, el silicio puede sustituir al carbón como la principal fuente de electricidad.

3.4. Empresas

BIBLIOGRAFIA 

ASKELAND D. “Ciencia e Ingería de Materiales”, 4ta. Edición, Mc Graw Hill.

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CALLISTER “Ciencia e Ingería de Materiales”, 3ra. Edición, Mc Graw Hill.

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http://www.ingenieros.es/noticias/ver/descubierto-un-nuevo-mandeacutetodo-parala-obtenciandoacuten-de-silicio-a-baja-temperatura/3258

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http://www.monografias.com/trabajos81/perspectivas-desarrollo-obtencionsilicio/perspectivas-desarrollo-obtencion-silicio2.shtml