Els mètodes de producció de ferrosilicons es basen principalment en reaccions de reducció a alta temperatura. El procés principal és la reducció de la sílice (Sio₂) i el ferro en un forn elèctric mitjançant un agent reductor de carboni per produir un aliatge de ferrosilicon.
1. Preparació de matèries primeres
Sílice (Sio₂):
Requisits: contingut de sílice superior o igual al 97%, contingut de baixa impuresa (per exemple, al₂o₃, CAO) per assegurar la puresa de silici.
Pre-tractament: triturar a 5-50 partícules mm per millorar l'eficiència de la reacció.
Font de ferro:
S'utilitzen soles de ferralla d'acer, arxius de ferro o mineral de ferro (per exemple, magnetita).
El paper del ferro: actua com a portador del silici, redueix la temperatura de reacció i forma un aliatge.
Agent reductor de carboni:
Coca (preferit): alt contingut en carboni fix (superior o igual al 80%), baix contingut de cendra (inferior o igual al 10%).
D’altres: carbó vegetal, coca de petroli (més car, per a requisits especials).
Matèries primeres auxiliars:
Ferral d'acer (per regular la permeabilitat de l'aire del forn), calç (flux, per reduir la viscositat de l'escòria).
2. Equipament principal: forn d'arc submergit (forn d'arc elèctric)
Tipus de forn:
El forn d’arc obert o tancat sota flux, sent el tipus tancat el tipus principal (respectuós amb el medi ambient i amb un alt nivell d’energia tèrmica).
Capacitat: normalment 10-50 MW, gran capacitat de forn fins a 100, 000 tones/any.
Elèctrodes:
Elèctrodes auto-cuits o elèctrodes de grafit de fins a 1,5 metres de diàmetre que transmetin energia elèctrica a la càrrega del forn.
Disseny de l'estufa:
Folre de material refractari (per exemple, maó de carboni, maó de magnesia) resistent a temperatures altes (1800-2000 grau).
3. Procés de producció
(1) dosificació i càrrega
Barregeu la sílice, el ferro, el coca i les matèries primeres auxiliars en una relació (per exemple, sílice: Coke≈3: 1).
Càrrega de capa per capa: Coke a la part inferior, una barreja de sílice i una font de ferro a la part superior, per mantenir la permeabilitat de l’aire al forn.
(2) Reacció de reducció de la temperatura alta
Temperatura de reacció: 1600 ~ 2000 graus, l'energia es subministra per arc elèctric i calefacció resistiva.
Les principals reaccions químiquessón:
SiO 2+2 C → Si +2 Co ↑ (Reacció bàsica) FeO+C → Fe+Co ↑ (reducció de la font de ferro).
Reaccions adverses: Es formen petites quantitats d’intermedis com sic i fesi₂. Cal controlar la temperatura del forn per evitar una carbonatació excessiva.
(3) Fusió i delaminació
El silici reduït i el ferro forma una fosa d’aliatge (densitat d’uns 5,2 g/cm³), que s’enfonsa a la part inferior del forn.
L’escòria (principalment formada per Cao-Sio₂-al₂o₃) flota a la part superior i es descarrega regularment.
(4) abocar i colada
Ferrosilicon fos entra a la cullera pel forat de la sortida.
S'aboca a lingots o granulat (s'utilitza l'aigua per obtenir ferrosilicon granular).
(5) refinar (opcional)
Purga d'oxigen/argó: Redueix impureses com l’alumini i el calci, donant lloc a ferrosilicon d’alumini baix (per exemple, qualificacions especials per a la reducció del metall de magnesi).
Addició d'un agent formador d'escòria: Separació posterior de les impureses.
4. Consum d’energia i requisits d’energia
Consum d’electricitat:
Per produir 1 tona de ferrosilicon, 8, 000-9, 000 kWh d'electricitat és necessari, que és 60-70% dels costos totals.
Fonts d’energia: la majoria es troben en zones amb molta potència hidroelèctrica (per exemple, Yunnan, Xina i Noruega).
Tecnologies d’estalvi d’energia:
Recuperació de calor de residus (ús de gasos d’escapament per escalfar les matèries primeres).
Els forns elèctrics de tipus tancat redueixen la pèrdua de calor.
5. Mesures de protecció ambiental
Tractament del gas d’escapament:
Els forns elèctrics tancats recullen gas CO (que es pot cremar per generar electricitat o utilitzar -se com a matèria petita química).
Els filtres de bosses capturen pols (incloses partícules de Sio₂, que s’utilitzen en la producció de materials de construcció).
Tractament d’aigües residuals:
Cal reciclar les aigües residuals de l’aigua de ferrosilicon granular per evitar la contaminació en pols de silici.
Eliminació de residus sòlids:
L’escòria es pot utilitzar per a la construcció de carreteres o com a additiu al ciment.
6. Processos de producció especials
(1) Mètode directe (mètode d'un pas)
Reducció simultània de sílice i ferro, adequada per a varietats baixes i mitjanes-silici (per exemple, FESI45).
Avantatges: procés senzill, baix cost; Desavantatges: mal control de la impuresa.
(2) Mètode indirecte (mètode en dos passos)
En primer lloc, es produeix silici industrial (si més gran o igual al 98%), després es fon amb ferro per produir ferrosilicon alt-silici (per exemple, FESI90).
Avantatges: puresa més alta; Desavantatges: augment del consum d’energia.
7. Característiques de la producció mundial
Xina:
representa més del 60% de la capacitat de producció del món, concentrada a les regions hidroelèctriques del nord -oest (Ningxia, Mongòlia interior) i al sud -oest (Yunnan).
En els darrers anys, forns petits i obsolets (<25,000 kVA) have been decommissioned due to the impact of the "dual carbon" policy.
Noruega/Rússia:
Ús de l’energia neta (hidroelèctrica/nuclear) per produir ferrosilicó d’alt valor afegit (per exemple, FESI75 d’alumini baix).
8. Reptes i innovacions tecnològiques
Substitució de matèries primeres: Intents de substituir Coke per carbó de biomassa per reduir les emissions de carboni.
Control intel·ligent:
Optimització dels ingredients i la temperatura del forn mitjançant la intel·ligència artificial per millorar l'eficiència energètica (per exemple, reducció del consum d'energia).
Proves de metal·lúrgia d’hidrogen:
Estudi de la possibilitat d’utilitzar hidrogen per a la substitució parcial dels agents reductors de carboni per aconseguir una amabilitat ambiental de la producció (encara en l’etapa de la investigació de laboratori).