Metody výroby ferosilicia jsou založeny hlavně na vysokoteplotních redukčních reakcích. Základním procesem je redukce oxidu křemičitého (SiO₂) a železa v elektrické peci pomocí uhlíkatého redukčního činidla k výrobě ferosilikonové slitiny.
1. Příprava surovin
Oxid křemičitý (SiO₂):
Požadavky: Obsah oxidu křemičitého Větší nebo rovný 97 %, nízký obsah nečistot (např. Al₂O3, CaO) pro zajištění čistoty křemíku.
Předúprava: rozdrcení na částice o velikosti 5-50 mm pro zlepšení účinnosti reakce.
Zdroj železa:
Obvykle se používá ocelový šrot, železné piliny nebo železná ruda (jako je magnetit).
Úloha železa: Působí jako nosič pro křemík, snižuje reakční teplotu a tvoří slitinu.
Uhlíkaté redukční činidlo:
koks (preferováno): vysoký obsah pevného uhlíku (Větší nebo roven 80 %), nízký obsah popela (méně než nebo roven 10 %).
Ostatní: dřevěné uhlí, ropný koks (dražší, pro zvláštní požadavky).
Pomocné suroviny:
ocelový šrot (k regulaci vzduchové propustnosti pece), vápno (tavidlo, ke snížení viskozity strusky).
2. Hlavní vybavení - oblouková pec (elektrická oblouková pec)
Typ trouby:
otevřená nebo uzavřená oblouková pec, přičemž hlavní je uzavřený typ (ekologický a s vysokou mírou využití tepelné energie).
Výkon: obvykle 10-50 MW, produktivita velkých pecí – až 100 000 tun/rok.
Elektrody:
Samospékací elektrody nebo grafitové elektrody o průměru až 1,5 metru, které přenášejí elektrickou energii hluboko do vsázky pece.
Design pece:
Vyzdívka vyrobená ze žáruvzdorného materiálu (jako je uhlíková cihla, magnéziová cihla), odolná vůči vysokým teplotám (1800-2000 stupňů).
3. Výrobní proces
(1) Dávkování a plnění
Smíchejte oxid křemičitý, železo, koks a pomocné suroviny v poměru (např. oxid křemičitý: koks≈3:1).
Vrstvené plnění: dole koks, nahoře směs oxidu křemičitého a železa, aby byla zachována propustnost vzduchu v peci.
(2) Vysokoteplotní redukční reakce
Reakční teplota: 1600 ~ 2000 stupňů, energie dodávaná elektrickým obloukem a odporovým ohřevem.
Základní chemické reakce:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (hlavní reakce) FeO+C→Fe+CO↑ (redukce zdroje železa).
Nežádoucí reakce: Vznikají malá množství meziproduktů, jako je SiC a FeSi₂. Teplota trouby musí být řízena, aby se zabránilo nadměrné karbonizaci.
(3) Tavení a delaminace
Redukovaný křemík a železo tvoří roztavenou slitinu (hustota asi 5,2 g/cm³), která klesá ke dnu pece.
Struska (sestávající hlavně z CaO-SiO₂-Al₂O₃) vyplavuje na povrch a je pravidelně vypouštěna.
(4) Lití a lití
Roztavené ferosilicium vstupuje do pánve výstupním otvorem.
Odlévá se do ingotů nebo granuluje (k získání granulovaného ferosilicia se používá kalení ve vodě).
(5) Rafinace (volitelné)
Proplachování kyslíkem/argonem: snižuje obsah nečistot, jako je hliník a vápník, což umožňuje výrobu ferosilicia s nízkým obsahem hliníku (například speciální třídy pro redukci kovového hořčíku).
Přidání struskotvorného činidla: další separace nečistot.
4. Spotřeba energie a požadavky na výkon
Spotřeba elektřiny:
K výrobě 1 tuny ferosilicia je potřeba 8 000-9 000 kWh elektřiny, což je 60–70 % celkových nákladů.
Zdroje energie: Většina se nachází v oblastech s velkým množstvím vodní energie (např. Yunnan, Čína a Norsko).
Technologie šetřící energii:
Rekuperace odpadního tepla (využití výfukových plynů k předehřívání surovin).
Elektrické pece uzavřeného typu snižují tepelné ztráty.
5. Ekologická opatření
Čištění výfukových plynů:
Uzavřené elektrické pece shromažďují plyn CO (který lze spálit k výrobě elektřiny nebo použít jako chemickou surovinu).
Sáčkové filtry zachycují prach (včetně částic SiO₂, které se používají při výrobě stavebních materiálů).
Čištění odpadních vod:
Granulovaná ferosilicová odpadní voda musí být upravena, aby se zabránilo kontaminaci křemíkového prášku.
Likvidace pevného odpadu:
Struska může být použita pro stavbu silnic nebo jako přísada do cementu.
6. Speciální výrobní procesy
(1) Přímá metoda (jednokroková metoda)
Současná redukce oxidu křemičitého a železa, vhodné pro nízké - a střední třídy křemíku (např. FeSi45).
Výhody: jednoduchý proces, nízké náklady; nevýhody: špatná kontrola nečistot.
(2) Nepřímá metoda (dvoukroková metoda)
Nejprve se vyrobí průmyslový křemík (Si větší nebo rovný 98 %), poté se roztaví se železem za vzniku ferosilicia s vysokým obsahem křemíku (například FeSi90).
Výhody: vyšší čistota; nevýhody: zvýšená spotřeba energie.
7. Charakteristika světové produkce
Čína:
představuje více než 60 % světové produkční kapacity a je soustředěna ve vodních elektrárnách na severozápadě-západu (Ningxia, Vnitřní Mongolsko) a jiho{2}}západě (Yunnan).
V posledních letech malá a zastaralá kamna (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norsko/Rusko:
využití čisté energie (vodní energie/jaderná energie) pro výrobu ferosilicia s vysokou přidanou hodnotou (např. FeSi75 s nízkým obsahem hliníku).
8. Technologické výzvy a inovace
Výměna surovin: Úsilí nahradit koks uhlím z biomasy za účelem snížení emisí uhlíku.
Inteligentní ovládání:
Optimalizace ingrediencí a teplot trouby pomocí umělé inteligence ke zlepšení energetické účinnosti (např. snížení spotřeby energie o 5–10 %).
Zkoušky metalurgie vodíku:
Studium možnosti využití vodíku k částečnému nahrazení činidel snižujících uhlík za účelem dosažení ekologicky šetrné výroby (stále ve stádiu laboratorního výzkumu).