Metode proizvodnje ferosilicija v glavnem temeljijo na reakcijah redukcije pri visokih temperaturah. Osnovni postopek je redukcija silicijevega dioksida (SiO₂) in železa v električni peči z uporabo ogljikovega reducenta za proizvodnjo ferosilicijeve zlitine.
1. Priprava surovin
Silicijev dioksid (SiO₂):
Zahteve: vsebnost silicijevega dioksida večja ali enaka 97 %, nizka vsebnost nečistoč (npr. Al₂O₃, CaO), da se zagotovi čistost silicija.
Predobdelava: drobljenje na 5-50 mm delce za izboljšanje učinkovitosti reakcije.
Vir železa:
Običajno se uporabljajo odpadno jeklo, železovi opilki ali železova ruda (kot je magnetit).
Vloga železa: deluje kot nosilec silicija, znižuje temperaturo reakcije in tvori zlitino.
Ogljikovo redukcijsko sredstvo:
koks (prednostno): visoka vsebnost vezanega ogljika (več kot ali enaka 80 %), nizka vsebnost pepela (manj kot ali enaka 10 %).
Ostalo: oglje, petrolkoks (dražje, za posebne potrebe).
Pomožne surovine:
jekleni odpadki (za uravnavanje zračne prepustnosti peči), apno (fluks, za zmanjšanje viskoznosti žlindre).
2. Glavna oprema - potopljena obločna peč (elektroobločna peč)
Vrsta pečice:
odprta ali zaprta potopna peč, pri čemer je glavni zaprti tip (okolju prijazen in z visoko stopnjo izrabe toplotne energije).
Moč: običajno 10-50 MW, produktivnost velikih peči - do 100 000 ton/leto.
Elektrode:
Samopečeče elektrode ali grafitne elektrode premera do 1,5 metra, ki prenašajo električno energijo globoko v kurišče.
Oblikovanje peči:
Obloga iz ognjevzdržnega materiala (kot je ogljikova opeka, magnezijeva opeka), odporna na visoke temperature (1800-2000 stopinj).
3. Proizvodni proces
(1) Doziranje in polnjenje
Zmešajte silicijev dioksid, železo, koks in pomožne surovine v razmerju (na primer silicijev dioksid: koks≈3:1).
Večplastno polnjenje: koks na dnu, mešanica silicijevega dioksida in vira železa na vrhu, da se ohrani prepustnost zraka v peči.
(2) Reakcija redukcije pri visoki temperaturi
Reakcijska temperatura: 1600~2000 stopinj, energija dobavljena z električnim oblokom in uporovnim segrevanjem.
Osnovne kemijske reakcije:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (glavna reakcija) FeO+C→Fe+CO↑ (redukcija vira železa).
Neželeni učinki: Nastanejo majhne količine vmesnih produktov, kot sta SiC in FeSi₂. Temperaturo v pečici je treba nadzorovati, da preprečite prekomerno karbonizacijo.
(3) Taljenje in razslojevanje
Reducirani silicij in železo tvorita staljeno zlitino (gostota približno 5,2 g/cm³), ki potone na dno peči.
Žlindra (v glavnem sestavljena iz CaO-SiO₂-Al₂O₃) plava na vrhu in se redno odvaja.
(4) Ulivanje in vlivanje
Staljeni ferosilicij vstopi v lonec skozi izhodno luknjo.
Vlije se v ingote ali granulira (za pridobivanje granuliranega ferosilicija se uporablja kaljenje v vodi).
(5) Rafiniranje (neobvezno)
Čiščenje s kisikom/argonom: zmanjša vsebnost nečistoč, kot sta aluminij in kalcij, kar omogoča proizvodnjo ferosilicija z nizko vsebnostjo aluminija (na primer posebne stopnje za redukcijo kovinskega magnezija).
Dodajanje sredstva za tvorbo žlindre: nadaljnje ločevanje nečistoč.
4. Poraba energije in zahteve po moči
Poraba električne energije:
Za proizvodnjo 1 tone ferosilicija je potrebnih 8 000-9 000 kWh električne energije, kar je 60-70 % vseh stroškov.
Viri energije: večina se nahaja na območjih z velikimi količinami hidroelektrične energije (npr. Yunnan, Kitajska in Norveška).
Energijsko varčne tehnologije:
Rekuperacija odpadne toplote (z uporabo izpušnih plinov za predgretje surovin).
Električne peči zaprtega tipa zmanjšajo toplotne izgube.
5. Okoljevarstveni ukrepi
Čiščenje izpušnih plinov:
Zaprte električne peči zbirajo plin CO (ki ga je mogoče sežgati za proizvodnjo električne energije ali uporabiti kot kemično surovino).
Vrečasti filtri lovijo prah (vključno z delci SiO₂, ki se uporabljajo pri proizvodnji gradbenih materialov).
Čiščenje odpadne vode:
Odpadno vodo iz granuliranega ferosilicija je treba očistiti, da se prepreči kontaminacija silicijevega prahu.
Odvoz trdnih odpadkov:
Žlindra se lahko uporablja za gradnjo cest ali kot dodatek cementu.
6. Posebni proizvodni procesi
(1) Neposredna metoda (metoda v enem koraku)
Istočasno zmanjšanje silicijevega dioksida in železa, primerno za nizko- in srednje vsebnost silicija (npr. FeSi45).
Prednosti: preprost postopek, nizki stroški; slabosti: slab nadzor nad nečistočami.
(2) Posredna metoda (metoda v dveh korakih)
Najprej se proizvede industrijski silicij (Si večji ali enak 98 %), nato pa se stopi z železom, da se proizvede ferosilicij z visoko vsebnostjo silicija (na primer FeSi90).
Prednosti: večja čistost; slabosti: povečana poraba energije.
7. Značilnosti svetovne proizvodnje
Kitajska:
predstavlja več kot 60 % svetovne proizvodne zmogljivosti, skoncentrirane v hidroenergetskih regijah sever-zahoda (Ningxia, Notranja Mongolija) in ju-zahoda (Yunnan).
V zadnjih letih so majhne in zastarele peči (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norveška/Rusija:
uporaba čiste energije (hidroelektrična energija/jedrska energija) za proizvodnjo ferosilicija z visoko dodano vrednostjo (npr. FeSi75 z nizko vsebnostjo aluminija).
8. Tehnološki izzivi in inovacije
Zamenjava surovin: Prizadevanja za zamenjavo koksa s premogom iz biomase za zmanjšanje emisij ogljika.
Inteligentni nadzor:
Optimizacija sestavin in temperatur pečice z uporabo umetne inteligence za izboljšanje energetske učinkovitosti (npr. zmanjšanje porabe energije za 5-10 %).
Preskusi vodikove metalurgije:
Preučevanje možnosti uporabe vodika za delno nadomestitev redukcij ogljika za doseganje okolju prijazne proizvodnje (še v fazi laboratorijskih raziskav).