Ferrosilīcija ražošanas metodes galvenokārt balstās uz augstas temperatūras reducēšanas reakcijām. Pamatprocess ir silīcija dioksīda (SiO₂) un dzelzs reducēšana elektriskā krāsnī, izmantojot oglekli saturošu reducētāju, lai iegūtu ferosilīcija sakausējumu.
1. Izejvielu sagatavošana
Silīcija dioksīds (SiO₂):
Prasības: Silīcija saturs ir lielāks vai vienāds ar 97%, zems piemaisījumu saturs (piemēram, Al₂O3, CaO), lai nodrošinātu silīcija tīrību.
Iepriekšēja apstrāde: sasmalcina līdz 5-50 mm daļiņām, lai uzlabotu reakcijas efektivitāti.
Dzelzs avots:
Parasti tiek izmantoti tērauda lūžņi, dzelzs vīles vai dzelzsrūda (piemēram, magnetīts).
Dzelzs loma: darbojas kā silīcija nesējs, pazemina reakcijas temperatūru un veido sakausējumu.
Oglekļa reducētājs:
kokss (vēlams): augsts fiksētā oglekļa saturs (lielāks vai vienāds ar 80%), zems pelnu saturs (mazāks vai vienāds ar 10%).
Citi: kokogles, naftas kokss (dārgāks, īpašām prasībām).
Palīgizejvielas:
tērauda lūžņi (kurtuves gaisa caurlaidības regulēšanai), kaļķi (pluss, lai samazinātu izdedžu viskozitāti).
2. Galvenais aprīkojums - iegremdētā loka krāsns (elektriskā loka krāsns)
Cepeškrāsns veids:
atvērta vai slēgta iegremdētā loka krāsns, kur galvenais ir slēgtais (videi draudzīgs un ar augstu siltumenerģijas patēriņa līmeni).
Jauda: parasti 10-50 MW, lielu krāšņu ražība - līdz 100 000 tonnām gadā.
Elektrodi:
Pašcepšanās elektrodi jeb grafīta elektrodi ar diametru līdz 1,5 metriem, kas nodod elektrisko enerģiju dziļi krāsns lādiņā.
Krāsns dizains:
Oderējums izgatavots no ugunsizturīga materiāla (piemēram, oglekļa ķieģelis, magnēzija ķieģelis), izturīgs pret augstām temperatūrām (1800-2000 grādi).
3. Ražošanas process
(1) Dozēšana un iekraušana
Proporcionāli sajauciet silīcija dioksīdu, dzelzi, koksu un palīgizejvielas (piemēram, silīcija dioksīds: kokss≈3:1).
Slāņveida slodze: kokss apakšā, silīcija dioksīda un dzelzs avota maisījums augšpusē, lai saglabātu gaisa caurlaidību krāsnī.
(2) Augstas temperatūras samazināšanas reakcija
Reakcijas temperatūra: 1600 ~ 2000 grādi, enerģiju piegādā elektriskā loka un pretestības sildīšana.
Pamata ķīmiskās reakcijas:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (galvenā reakcija) FeO+C→Fe+CO↑ (dzelzs avota samazināšana).
Blakusparādības: veidojas neliels daudzums starpproduktu, piemēram, SiC un FeSi₂. Cepeškrāsns temperatūra ir jākontrolē, lai novērstu pārmērīgu karbonizāciju.
(3) Kausēšana un atslāņošanās
Reducētais silīcijs un dzelzs veido izkausētu sakausējumu (blīvums aptuveni 5,2 g/cm³), kas nogrimst krāsns apakšā.
Sārņi (galvenokārt sastāv no CaO-SiO₂-Al₂O₃) peld uz augšu un regulāri tiek izvadīti.
(4) Ielešana un liešana
Izkausēts ferosilīcijs iekļūst kausā caur izplūdes atveri.
To ielej lietņos vai granulē (granulēta ferosilīcija iegūšanai izmanto rūdīšanu ūdenī).
(5) Rafinēšana (pēc izvēles)
Skābekļa/argona attīrīšana: samazina tādu piemaisījumu saturu kā alumīnijs un kalcijs, kas ļauj ražot ferosilīciju ar zemu alumīnija saturu (piemēram, īpašas klases magnija metāla samazināšanai).
Izdedžu veidojošā līdzekļa pievienošana: tālāka piemaisījumu atdalīšana.
4. Enerģijas patēriņš un jaudas prasības
Elektrības patēriņš:
Lai saražotu 1 tonnu ferosilīcija, nepieciešams 8 000-9 000 kWh elektroenerģijas, kas ir 60-70% no kopējām izmaksām.
Enerģijas avoti: lielākā daļa atrodas apgabalos ar lielu hidroelektrostaciju (piemēram, Junaņā, Ķīnā un Norvēģijā).
Enerģijas taupīšanas tehnoloģijas:
Atkritumu siltuma atgūšana (izplūdes gāzu izmantošana izejvielu priekšsildīšanai).
Slēgtā tipa elektriskās krāsnis samazina siltuma zudumus.
5. Vides pasākumi
Izplūdes gāzu tīrīšana:
Slēgtās elektriskās krāsnis savāc CO gāzi (ko var sadedzināt, lai ražotu elektroenerģiju, vai izmantot kā ķīmisko izejvielu).
Maisu filtri uztver putekļus (tostarp SiO₂ daļiņas, kuras izmanto būvmateriālu ražošanā).
Notekūdeņu attīrīšana:
Granulētie ferosilīcija notekūdeņi ir jāapstrādā, lai novērstu silīcija pulvera piesārņojumu.
Cieto atkritumu iznīcināšana:
Izdedžus var izmantot ceļu būvniecībā vai kā piedevu cementā.
6. Īpaši ražošanas procesi
(1) Tiešā metode (vienpakāpes metode)
Vienlaicīga silīcija dioksīda un dzelzs reducēšana, piemērota zema - un vidēja silīcija klasei (piemēram, FeSi45).
Priekšrocības: vienkāršs process, zemas izmaksas; trūkumi: slikta piemaisījumu kontrole.
(2) Netiešā metode (divpakāpju metode)
Pirmkārt, tiek ražots rūpnieciskais silīcijs (Si, kas ir lielāks vai vienāds ar 98%), pēc tam to izkausē ar dzelzi, lai iegūtu ferosilīciju ar augstu silīcija saturu (piemēram, FeSi90).
Priekšrocības: augstāka tīrība; trūkumi: palielināts enerģijas patēriņš.
7. Pasaules ražošanas raksturojums
Ķīna:
tā veido vairāk nekā 60% no pasaules ražošanas jaudas, kas koncentrēta ziemeļu{1}}rietumu (Ningxia, Iekšējā Mongolija) un dienvidu-rietumu (Junaņa) hidroenerģijas reģionos.
Pēdējos gados mazas un novecojušas krāsnis (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norvēģija/Krievija:
tīras enerģijas (hidroelektrostacijas/kodolenerģijas) izmantošana augstas pievienotās vērtības ferosilīcija (piemēram, zema alumīnija FeSi75) ražošanai.
8. Tehnoloģiskie izaicinājumi un inovācijas
Izejvielu nomaiņa: centieni aizstāt koksu ar biomasas oglēm, lai samazinātu oglekļa emisijas.
Inteliģenta vadība:
Sastāvdaļu un cepeškrāsns temperatūras optimizēšana, izmantojot mākslīgo intelektu, lai uzlabotu energoefektivitāti (piemēram, samazinot enerģijas patēriņu par 5-10%).
Ūdeņraža metalurģijas testi:
Ūdeņraža izmantošanas iespēju izpēte oglekļa reducētāju daļējai aizstāšanai, lai panāktu videi draudzīgu ražošanu (vēl laboratorijas pētījumu stadijā).