Fremstillingsmetoder for ferrosilicium er hovedsageligt baseret på højtemperaturreduktionsreaktioner. Den grundlæggende proces er reduktion af silica (SiO₂) og jern i en elektrisk ovn ved hjælp af et kulholdigt reduktionsmiddel til fremstilling af en ferrosiliciumlegering.
1. Klargøring af råvarer
Silica (SiO₂):
Krav: Silicaindhold Større end eller lig med 97 %, lavt indhold af urenheder (f.eks. Al₂O₃, CaO) for at sikre siliciumrenhed.
Forbehandling: knusning til 5-50 mm partikler for at forbedre reaktionseffektiviteten.
Kilde til jern:
Typisk bruges stålskrot, jernspåner eller jernmalm (såsom magnetit).
Jerns rolle: Fungerer som bærer for silicium, sænker reaktionstemperaturen og danner en legering.
Kulholdigt reduktionsmiddel:
koks (foretrukket): højt fast kulstofindhold (større end eller lig med 80%), lavt askeindhold (mindre end eller lig med 10%).
Andre: trækul, petroleumskoks (dyrere, til særlige krav).
Hjælpe råvarer:
stålskrot (for at regulere ovnens luftgennemtrængelighed), kalk (flux, for at reducere slaggens viskositet).
2. Hovedudstyr - nedsænket lysbueovn (elektrisk lysbueovn)
Ovn type:
åben eller lukket nedsænket lysbueovn, hvor den lukkede type er den vigtigste (miljøvenlig og med et højt niveau af termisk energiforbrug).
Effekt: normalt 10-50 MW, produktivitet af store ovne - op til 100 000 tons/år.
Elektroder:
Selvbagende elektroder eller grafitelektroder med en diameter på op til 1,5 meter, som overfører elektrisk energi dybt ind i ovnladningen.
Ovns design:
Foring lavet af ildfast materiale (såsom carbon mursten, magnesia mursten), modstandsdygtig over for høje temperaturer (1800-2000 grader).
3. Produktionsproces
(1) Dosering og påfyldning
Bland silica, jern, koks og hjælperåvarer i forhold (f.eks. silica: koks≈3:1).
Lagdelt ladning: koks i bunden, en blanding af silica og jern i toppen, for at opretholde luftgennemtrængeligheden i ovnen.
(2) Reduktion ved høj temperatur
Reaktionstemperatur: 1600 ~ 2000 grader, energi leveret af lysbue og modstandsopvarmning.
Grundlæggende kemiske reaktioner:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (hovedreaktion) FeO+C→Fe+CO↑ (reduktion af jernkilde).
Bivirkninger: Der dannes små mængder mellemprodukter såsom SiC og FeSi₂. Ovntemperaturen skal overvåges for at forhindre overdreven kulsyre.
(3) Smeltning og delaminering
Det reducerede silicium og jern danner en smeltet legering (densitet ca. 5,2 g/cm³), som synker til bunden af ovnen.
Slaggen (hovedsageligt bestående af CaO-SiO₂-Al₂O₃) flyder til toppen og udledes regelmæssigt.
(4) Hældning og støbning
Smeltet ferrosilicium kommer ind i øsen gennem udløbshullet.
Det støbes til barrer eller granuleres (quenching i vand bruges til at opnå granuleret ferrosilicium).
(5) Raffinering (valgfrit)
Udrensning af ilt/argon: reducerer indholdet af urenheder såsom aluminium og calcium, hvilket muliggør fremstilling af ferrosilicium med lavt aluminiumindhold (f.eks. specielle kvaliteter til reduktion af magnesiummetal).
Tilsætning af slaggedannende middel: yderligere adskillelse af urenheder.
4. Energiforbrug og strømbehov
Elforbrug:
For at producere 1 ton ferrosilicium kræves der 8 000-9 000 kWh elektricitet, hvilket er 60-70 % af de samlede omkostninger.
Energikilder: De fleste er placeret i områder med store mængder vandkraft (f.eks. Yunnan, Kina og Norge).
Energibesparende teknologier:
Genvinding af spildvarme (ved at bruge udstødningsgasser til at forvarme råmaterialer).
Elektriske ovne af lukket type reducerer varmetabet.
5. Miljøforanstaltninger
Udstødningsgasrensning:
Lukkede elektriske ovne opsamler CO-gas (som kan brændes for at generere elektricitet eller bruges som et kemisk råmateriale).
Posefiltre fanger støv (inklusive SiO₂-partikler, som bruges til fremstilling af byggematerialer).
Spildevandsbehandling:
Det granulerede ferrosiliciumspildevand skal behandles for at forhindre forurening af siliciumpulveret.
Bortskaffelse af fast affald:
Slaggen kan bruges til vejbygning eller som tilsætningsstof i cement.
6. Særlige produktionsprocesser
(1) Direkte metode (et-trins metode)
Samtidig reduktion af silica og jern, velegnet til lav- og medium siliciumkvalitet (f.eks. FeSi45).
Fordele: enkel proces, lave omkostninger; ulemper: dårlig kontrol med urenheder.
(2) Indirekte metode (to-trins metode)
Først fremstilles industrisilicium (Si større end eller lig med 98%), derefter smeltes det med jern for at producere ferrosilicium med højt silicium (f.eks. FeSi90).
Fordele: højere renhed; ulemper: øget energiforbrug.
7. Karakteristika for verdensproduktion
Kina:
den tegner sig for mere end 60 % af verdens produktionskapacitet, koncentreret i vandkraftregionerne i Nord-Vest (Ningxia, Indre Mongoliet) og Syd-Vest (Yunnan).
I de senere år har små og forældede komfurer (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norge/Rusland:
brug af ren energi (vandkraft/kerneenergi) til produktion af ferrosilicium med høj værditilvækst (f.eks. lavaluminium FeSi75).
8. Teknologiske udfordringer og innovationer
Udskiftning af råvarer: Bestræbelser på at erstatte koks med biomassekul for at reducere kulstofemissioner.
Intelligent kontrol:
Optimering af ingredienser og ovntemperaturer ved hjælp af kunstig intelligens for at forbedre energieffektiviteten (f.eks. reduktion af energiforbruget med 5-10%).
Hydrogen metallurgi test:
Undersøgelse af muligheden for at bruge brint til delvist at erstatte kulstofreducerende midler for at opnå en miljøvenlig produktion (stadig på laboratorieforskningsstadiet).