Os métodos de produção de ferrosilício são baseados principalmente em reações de redução de alta temperatura. O processo principal é a redução de sílica (SiO₂) e ferro em um forno elétrico usando um agente redutor de carbono para produzir uma liga de ferrosilicon.
1. Preparação de matéria -prima
Sílica (SiO₂):
Requisitos: o teor de sílica maior ou igual a 97%, baixo teor de impureza (por exemplo, Al₂o₃, CAO) para garantir a pureza do silício.
Pré-tratamento: esmagando as partículas 5-50 mm para melhorar a eficiência da reação.
Fonte de ferro:
Sucata de aço, arquivos de ferro ou minério de ferro (por exemplo, magnetita) são comumente usados.
O papel do ferro: atua como transportadora de silício, reduz a temperatura da reação e forma uma liga.
Agente redutor de carbono:
Coca -Cola (preferida): alto teor de carbono fixo (maior ou igual a 80%), baixo teor de cinzas (menor ou igual a 10%).
Outros: carvão, coque petrolífero (mais caro, para requisitos especiais).
Matérias -primas auxiliares:
Sucata de aço (para regular a permeabilidade ao ar do forno), limão (fluxo, para reduzir a viscosidade da escória).
2. Equipamento principal - Forno de arco submerso (forno elétrico de arco)
Tipo de forno:
Forno de arco aberto ou fechado sob fluxo, com o tipo fechado sendo o principal tipo (ecologicamente correto e com um alto nível de uso de energia térmica).
Capacidade: geralmente 10-50 MW, grande capacidade do forno até 100, 000 toneladas/ano.
Eletrodos:
Eletrodos ou eletrodos de grafite auto-assados até 1,5 metros de diâmetro que transmitem energia elétrica profundamente na carga do forno.
Design do fogão:
LINHO DE MATERIAL REFRATÓRIO (por exemplo, tijolo de carbono, tijolo de magnésia) resistente a altas temperaturas (1800-2000 grau).
3. Processo de produção
(1) dosagem e carregamento
Misture matérias -primas de sílica, ferro, coque e auxiliar em uma proporção (por exemplo, sílica: coque or3: 1).
Carregamento de camada por camada: Coca-Cola na parte inferior, uma mistura de sílica e uma fonte de ferro na parte superior, para manter a permeabilidade ao ar no forno.
(2) reação de redução de alta temperatura
Temperatura da reação: 1600 ~ 2000 graus, a energia é fornecida por arco elétrico e aquecimento resistivo.
As principais reações químicassão:
Sio 2+2 C → Si +2 co ↑ (reação básica) FeO+C → Fe+Co ↑ (redução da fonte de ferro).
Reações adversas: Pequenas quantidades de intermediários, como sic e fesi₂, são formadas. É necessário controlar a temperatura do forno para evitar carbonatação excessiva.
(3) derretimento e delaminação
O silício e o ferro reduzidos formam uma liga derretida (densidade de cerca de 5,2 g/cm³), que afunda no fundo do forno.
A escória (consistindo principalmente de Cao-sio₂-al₂o₃) flutua na parte superior e é descarregada regularmente.
(4) derramando e fundindo
Ferrosilicon fundido entra na concha através do buraco da saída.
É derramado em lingotes ou granulado (a extinção da água é usada para obter ferrosilício granular).
(5) Refino (opcional)
Purging de oxigênio/argônio: Reduz impurezas como alumínio e cálcio, resultando em ferrosilício de baixa alumínio (por exemplo, notas especiais para a redução do metal de magnésio).
Adição de um agente formador de escória: Separação adicional de impurezas.
4. Consumo de energia e requisitos de energia
Consumo de eletricidade:
Para produzir 1 tonelada de ferrosilicon, 8, 000-9, 000 kWh de eletricidade é necessária, que é 60-70% dos custos totais.
Fontes de energia: a maioria delas está localizada em áreas com muita energia hidrelétrica (por exemplo, Yunnan, China e Noruega).
Tecnologias de economia de energia:
Recuperação de calor residual (uso de gases de escape para pré -aquecer as matérias -primas).
Os fornos elétricos do tipo fechado reduzem a perda de calor.
5. Medidas de proteção ambiental
Tratamento de gases de escape:
Os fornos elétricos fechados coleta gás CO (que pode ser queimado para gerar eletricidade ou usado como matéria -prima química).
Os filtros de bolsa capturam poeira (incluindo partículas SiO₂, que são usadas na produção de materiais de construção).
Tratamento de águas residuais:
As águas residuais de água granular Ferrosilicon precisam ser recicladas para impedir a poluição do silício em pó.
Descarte de resíduos sólidos:
A escória pode ser usada para construção de estradas ou como um aditivo ao cimento.
6. Processos de produção especiais
(1) Método direto (método de uma etapa)
Redução simultânea de sílica e ferro, adequada para variedades de baixa e média siliceia (por exemplo, FESI45).
Vantagens: processo simples, baixo custo; Desvantagens: mau controle de impureza.
(2) Método indireto (método em duas etapas)
Primeiro, o silício industrial (SI maior ou igual a 98%) é produzido, depois é derretido com ferro para produzir ferrosilicon de alta silice (por exemplo, FESI90).
Vantagens: maior pureza; Desvantagens: aumento do consumo de energia.
7. Características da produção mundial
China:
Ele representa mais de 60% da capacidade de produção mundial, concentrada nas regiões hidrelétricas do noroeste (Ningxia, Mongólia Interior) e sudoeste (Yunnan).
Nos últimos anos, fornos pequenos e obsoletos (<25,000 kVA) have been decommissioned due to the impact of the "dual carbon" policy.
Noruega/Rússia:
Uso de energia limpa (hidrelétrica/nuclear) para produzir ferrosilício de alto valor agregado (por exemplo, FESI75 de baixo alumínio).
8. Desafios e inovações tecnológicas
Substituição de matérias -primas: Tentativas de substituir o Coca -Cola pelo carvão de biomassa para reduzir as emissões de carbono.
Controle inteligente:
Otimização de ingredientes e temperatura do forno usando inteligência artificial para melhorar a eficiência energética (por exemplo, 5-10% redução no consumo de energia).
Testes de metalurgia de hidrogênio:
Estudo da possibilidade de usar hidrogênio para substituição parcial de agentes de redução de carbono, a fim de alcançar a simpatia ambiental da produção (ainda na fase da pesquisa de laboratório).