Вслед за кислородом и водородом, кремний – наиболее распространенный элемент земной коры и составляет 15% ее веса [5]. Литосфера, толщиной 15 – 20 км, которую геохимики называют «кремневой», содержит 27,6% кремния в виде кремнезема (SiO₂). В то время как в природных условиях может встречаться неокисленный углерод (алмаз, графит, уголь) и даже самородное железо (метеориты), неокисленного кремния обнаружить не удается. Поэтому по старой минералогической классификации углерод и железо относили к классу простых минеральных веществ, а кремний – к классу окислов.

Кремнезем является составной частью большого числа разнообразных минералов – силикатов, алюмосиликатов и др., составляющих вместе 95% земной коры. В первичных (изверженных) геологических породах кремнезем находится в соединениях с известью и окисью магния (авгиты, амфиболы или роговые обманки); под действием избытка воды, насыщенной двуокисью углерода, известь и магнезия образуют вместо силикатов углекислые соли – карбонаты СаCO₃ и MgCO₃, которые растворяются и уходят, оставляя кремнезем в химически несвязанном состоянии [7].

Строение кремнеземистых соединений чрезвычайно многообразно. Кремнекислородные анионы образуют различные соединения с самыми разнообразными катионами. Кремнезем является составной частью коллоидальных систем. В результате физических, химических и биологических процессов, происходящих в поверхностных слоях земли, кремнезем выделяется из сложных минералов в виде свободного окисла – SiO₂, имеющего либо аморфное строение, либо одну из семи кристаллических форм.

Модификации кремнезема, устойчивые при повышенных температурах (тридимит, кристобалит), превращаются в кварц, имеющий наиболее плотную кристаллическую решетку гексагональной системы (удельный вес 2,65). Элементарная ячейка решетки состоит из трех молекул SiO₂. В основе структуры всех видов кремнезема, в том числе и стекловидного (аморфного), находится кремнекислородный правильный тетраэдр (четырехгранник, каждая грань которого представляет равносторонний треугольник) с атомом кремния в центре, окруженным четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра [8]. Из схемы

соответствующей формуле SiO₄, видно, что кремний насыщает все четыре свои валентности в одном тетраэдре, тогда как для насыщения кислорода каждый его атом должен находиться одновременно в вершинах двух тетраэдров. Расстояние между атомами кремния и кислорода равно, примерно, 1,6 ?. Связь между отдельными атомами кремния осуществляется через атомы кислорода. В кварцевом стекле имеются области упорядочения размером 10 – 12 ?, а в кристаллических формах кремнезема – непрерывная периодическая решетка.

По данным геохимических исследований, самым распространенным минералом в земной коре является кварц. Во многих местах обнаруживаются крупные скопления свободного кремнезема высокой степени чистоты как в виде пластов кристаллического кварца или кварцевых песков (содержат более 98% SiO₂), так и в виде промежуточных по своему характеру песчаников и кварцитов. Имеют промышленное значение и месторождения волокнистого халцедона.

Содержание SiO₂ в отдельных случаях составляет выше 99,5% (ст. Полярный Круг). Содержание кремния в таких залежах приближается к содержанию его в химически чистом кремнеземе (около 47%). В СССР залежи кварца имеются на Урале (Мурзинка, Полетаево, Хрустальная), Алтае, Кавказе (Казбек), в Донбассе (Нагольный Кряж), на севере Европейской части СССР (на р. Онеге, ст. Полярный Круг) и в других районах.

Для производства технически чистого кремния используются весьма богатые по содержанию SiO₂ месторождения. Предельно богатые кремнеземом редкие кристаллические образования используют как самоцветы – прозрачный горный хрусталь, лилово-красный аметист, дымчатый топаз, как оптический кварц, пьезокварц и т.п. В ювелирных целях, в промышленности точной механики используют также некристаллические агаты и благородный опал.

Кварцевые пески и механически непрочные песчаники (уплотненные осадочные отложения) почти не применяются в электротермическом производстве кремния, из-за технологических затруднений; мелкие зерна песчаников закупоривают пути для выхода газов из ванны печи через колошник. В связи с выбросами шихты, имевшими место при употреблении кварцевого песка, применено брикетирование шихты, состоящей из песка и углеродистого восстановителя.

Обычно для выплавки кремния употребляют крупнокристаллический кварц (удельный вес 2,59 – 2,65, твердость 7) или кварциты – плотные породы, в которых зерна кварца сцементированы кремнеземистыми примесями, содержащие от 98 до 99,5% SiO₂. Содержание примесей, восстанавливающихся вместе с кремнеземом, колеблется в следующих пределах: 0,3 – 0,4% Fe₂O₃; 0,25 – 0,45% Al₂O₃; 0,1 – 0,5% CaO; эти примеси легко определяются спектральным анализом (табл. 1).

Приведем два примера технических условий на минеральное сырье для производства кремния.

1. Кварц отборный месторождения «Гора Хрустальная» поставляется с содержанием SiO₂ не менее 97%, Fe₂O₃ не более 0,6%. В кварце не должно быть включений сернистого железа пирита и примазок глины толщиной более 1 мм. Допускается прозрачный кварц, полупрозрачный, дымчатый и молочного цвета, а также налет бурого цвета по плоскостям и трещиноватости кусков.

2. Кварцит (ЦМТУ 1175) поставляется с содержанием SiO₂ не ниже 98,2%; Fe₂O₃ до 0,25%; Al₂O₃ не выше 0,6%; CaO не выше 0,25%. Излом кусков кварцита должен быть плотным, однородным, чистым. Кварцит может быть окрашен в белый, розовый или дымчатый цвет.

В зависимости от содержания примесей в сырье выплавляют кремний различной чистоты. Так, на кварце г. Хрустальной, содержавшем в среднем 98,90% SiO₂, получен продукт, содержащий 98,94% Si. При использовании тех же восстановителей и электродов, в той же печи на Первоуральском кварците получен продукт, содержавший всего 98,48% Si. Снижение содержания кремния сопровождалось одновременным увеличением содержания железа. В результате, если при использовании кварца удается получить 67% сплава марки КрО (ГОСТ 2169 – 43), то в лучшем случае на Первоуральском кварците удается получить 60% сплава марки Кр1. Для восстановления примесей приходится увеличивать расход электроэнергии; для восстановления 0,1% алюминия из глинозема, содержащегося в кварце, требуется увеличить расход электроэнергии на 0,2%.

При увеличении содержания глинозема и извести в кварце увеличивается количество шлака в процессе плавки. Поэтому кварц следует дробить на куски размером не более 60 мм (при крупных кусках возможен выход кварцевого стекла в летку) и после дробления отсевать мелочь. При этом, помимо обеспечения требуемого габарита, сырье обогащается, удаляются пылевидные наносы, хрупкие включения, глинистые примазки и пр. В некоторых случаях после дробления и грохочения кварц целесообразно промывать в моечном барабане. Состав кварца и его отходов после грохочения и промывки указан в табл. 2

В некоторых случаях железистые включения кварца содержат до 68% Fe2O3. После дробления и грохочения в кварците ст. Подволошная содержится 0,30% Fe₂O₃, 0,37% Al₂O₃, 0,22% CaO.

По данным А. Палацци и Ф. Ринальди [9], при дроблении кварца на куски величиной 40 мм количество мелочи менее 10 мм увеличивается на 3%.