Metode proizvodnje ferosilicija uglavnom se temelje na reakcijama redukcije pri visokim temperaturama. Osnovni postupak je redukcija silicijevog dioksida (SiO₂) i željeza u električnoj peći pomoću ugljičnog redukcijskog sredstva za proizvodnju legure ferosilicija.
1. Priprema sirovina
Silicij (SiO₂):
Zahtjevi: sadržaj silicija veći ili jednak 97%, nizak sadržaj nečistoća (npr. Al₂O₃, CaO) kako bi se osigurala čistoća silicija.
Predtretman: drobljenje na čestice od 5-50 mm za poboljšanje učinkovitosti reakcije.
Izvor željeza:
Obično se koristi čelični otpad, strugotine ili željezna ruda (kao što je magnetit).
Uloga željeza: Djeluje kao nosač silicija, snižava reakcijsku temperaturu i stvara leguru.
Ugljični redukcijski agens:
koks (poželjno): visok sadržaj fiksnog ugljika (veći ili jednak 80%), nizak sadržaj pepela (manji ili jednak 10%).
Ostalo: drveni ugljen, petrol koks (skuplje, za posebne potrebe).
Pomoćne sirovine:
otpadni čelik (za regulaciju zračne propusnosti peći), vapno (fluks, za smanjenje viskoznosti troske).
2. Glavna oprema - elektrolučna peć (elektrolučna peć)
Vrsta pećnice:
otvorena ili zatvorena elektrolučna peć, pri čemu je glavni zatvoreni tip (prijateljski za okoliš i s visokom razinom iskorištenja toplinske energije).
Snaga: obično 10-50 MW, produktivnost velikih peći - do 100 000 tona/god.
elektrode:
Samopekuće elektrode ili grafitne elektrode promjera do 1,5 metara, koje prenose električnu energiju duboko u šaržer.
Dizajn peći:
Obloga izrađena od vatrostalnog materijala (kao što je ugljična opeka, magnezijska opeka), otporna na visoke temperature (1800-2000 stupnjeva).
3. Proces proizvodnje
(1) Doziranje i punjenje
Pomiješajte silicij, željezo, koks i pomoćne sirovine u omjeru (na primjer, silicij: koks≈3:1).
Slojevito punjenje: koks na dnu, mješavina silicijevog dioksida i izvora željeza na vrhu, kako bi se održala propusnost zraka u peći.
(2) Reakcija redukcije visoke temperature
Temperatura reakcije: 1600~2000 stupnjeva, energija dovedena električnim lukom i otpornim grijanjem.
Osnovne kemijske reakcije:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (glavna reakcija) FeO+C→Fe+CO↑ (redukcija izvora željeza).
Nuspojave: Stvaraju se male količine međuproizvoda kao što su SiC i FeSi₂. Mora se pratiti temperatura u pećnici kako bi se spriječila pretjerana karbonizacija.
(3) Taljenje i raslojavanje
Reducirani silicij i željezo tvore rastaljenu leguru (gustoće oko 5,2 g/cm³), koja tone na dno peći.
Troska (koja se uglavnom sastoji od CaO-SiO₂-Al₂O₃) ispliva na vrh i redovito se ispušta.
(4) Lijevanje i lijevanje
Rastaljeni ferosilicij ulazi u lonac kroz izlazni otvor.
Lijeva se u ingote ili granulira (kaljenjem u vodi dobiva se granulirani ferosilicij).
(5) Pročišćavanje (izborno)
Pročišćavanje kisikom/argonom: smanjuje sadržaj nečistoća kao što su aluminij i kalcij, što omogućuje proizvodnju ferosilicija s niskim udjelom aluminija (na primjer, posebni stupnjevi za redukciju metalnog magnezija).
Dodavanje sredstva za stvaranje troske: daljnje odvajanje nečistoća.
4. Potrošnja energije i zahtjevi za snagom
Potrošnja električne energije:
Za proizvodnju 1 tone ferosilicija potrebno je 8 000-9 000 kWh električne energije, što je 60-70% ukupnih troškova.
Izvori energije: Većina se nalazi u područjima s velikim količinama hidroelektrične energije (npr. Yunnan, Kina i Norveška).
Tehnologije za uštedu energije:
Oporaba otpadne topline (korištenje ispušnih plinova za predgrijavanje sirovina).
Električne peći zatvorenog tipa smanjuju gubitak topline.
5. Mjere zaštite okoliša
Čišćenje ispušnih plinova:
Zatvorene električne peći skupljaju CO plin (koji se može spaliti za proizvodnju električne energije ili koristiti kao kemijska sirovina).
Vrećasti filtri hvataju prašinu (uključujući čestice SiO₂ koje se koriste u proizvodnji građevinskih materijala).
Pročišćavanje otpadnih voda:
Otpadne vode od granuliranog ferosilicija potrebno je pročišćavati kako bi se spriječila kontaminacija prahom silicija.
Zbrinjavanje krutog otpada:
Troska se može koristiti za izgradnju cesta ili kao dodatak cementu.
6. Posebni proizvodni procesi
(1) Izravna metoda (metoda u jednom koraku)
Istovremena redukcija silicijevog dioksida i željeza, pogodna za niske i srednje silicijeve stupnjeve (npr. FeSi45).
Prednosti: jednostavan proces, niska cijena; nedostaci: slaba kontrola nečistoća.
(2) Neizravna metoda (metoda u dva koraka)
Prvo se proizvodi industrijski silicij (Si veći od ili jednak 98%), zatim se topi sa željezom da bi se dobio ferosilicij s visokim sadržajem silicija (na primjer, FeSi90).
Prednosti: veća čistoća; nedostaci: povećana potrošnja energije.
7. Obilježja svjetske proizvodnje
Kina:
čini više od 60% svjetskog proizvodnog kapaciteta, koncentriranog u hidroenergetskim regijama sjeverozapada (Ningxia, unutarnja Mongolija) i jugozapada (Yunnan).
Posljednjih godina male i zastarjele peći (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norveška/Rusija:
korištenje čiste energije (hidroelektrična energija/nuklearna energija) za proizvodnju ferosilicija visoke dodane vrijednosti (npr. FeSi75 s niskim udjelom aluminija).
8. Tehnološki izazovi i inovacije
Zamjena sirovina: Napori da se koks zamijeni ugljenom iz biomase kako bi se smanjile emisije ugljika.
Inteligentna kontrola:
Optimiziranje sastojaka i temperatura pećnice pomoću umjetne inteligencije za poboljšanje energetske učinkovitosti (npr. smanjenje potrošnje energije za 5-10%).
Vodikova metalurška ispitivanja:
Proučavanje mogućnosti korištenja vodika za djelomičnu zamjenu redukcijskih sredstava ugljika u cilju ekološki prihvatljive proizvodnje (još uvijek u fazi laboratorijskih istraživanja).