Ferosilicio gamybos metodai daugiausia grindžiami aukštos temperatūros redukcijos reakcijomis. Pagrindinis procesas yra silicio dioksido (SiO₂) ir geležies redukavimas elektrinėje krosnyje, naudojant anglies turintį reduktorius, kad būtų gautas ferosilicio lydinys.
1. Žaliavų paruošimas
Silicio dioksidas (SiO₂):
Reikalavimai: Silicio dioksido kiekis didesnis arba lygus 97%, mažas priemaišų kiekis (pvz., Al₂O3, CaO), kad būtų užtikrintas silicio grynumas.
Išankstinis apdorojimas: smulkinimas iki 5-50 mm dalelių, siekiant pagerinti reakcijos efektyvumą.
Geležies šaltinis:
Paprastai naudojamas plieno laužas, geležies drožlės arba geležies rūda (pvz., magnetitas).
Geležies vaidmuo: veikia kaip silicio nešiklis, sumažina reakcijos temperatūrą ir sudaro lydinį.
Anglies pavidalo reduktorius:
koksas (pageidautina): didelis pastovios anglies kiekis (didesnis arba lygus 80%), mažas pelenų kiekis (mažiau nei 10%).
Kiti: anglis, naftos koksas (brangesnis, specialiems reikalavimams).
Pagalbinės žaliavos:
plieno laužas (krosnies oro pralaidumui reguliuoti), kalkės (fliusas, šlako klampumui mažinti).
2. Pagrindinė įranga - povandeninė lankinė krosnis (elektrinė lankinė krosnis)
Orkaitės tipas:
atvira arba uždara panardinama lankinė krosnis, kurios pagrindinė yra uždara (nekenksminga aplinkai ir naudojanti daug šilumos energijos).
Galia: paprastai 10-50 MW, didelių krosnių našumas - iki 100 000 t/metus.
Elektrodai:
Iki 1,5 metro skersmens savaime kepantys arba grafito elektrodai, kurie perduoda elektros energiją giliai į krosnies įkrovą.
Krosnies dizainas:
Pamušalas pagamintas iš ugniai atsparios medžiagos (pvz., anglies plytos, magnezijos plytos), atsparios aukštai temperatūrai (1800-2000 laipsnių).
3. Gamybos procesas
(1) Dozavimas ir pakrovimas
Proporcingai sumaišykite silicio dioksidą, geležį, koksą ir pagalbines žaliavas (pvz., silicio dioksidas: koksas≈3:1).
Sluoksniuota apkrova: apačioje koksas, viršuje silicio dioksido ir geležies šaltinio mišinys, kad būtų išlaikytas oro pralaidumas krosnyje.
(2) Aukštos temperatūros redukcijos reakcija
Reakcijos temperatūra: 1600 ~ 2000 laipsnių, energija tiekiama iš elektros lanko ir varžinio šildymo.
Pagrindinės cheminės reakcijos:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (pagrindinė reakcija) FeO+C→Fe+CO↑ (geležies šaltinio sumažinimas).
Nepageidaujamos reakcijos: Susidaro nedideli kiekiai tarpinių produktų, tokių kaip SiC ir FeSi₂. Būtina stebėti orkaitės temperatūrą, kad būtų išvengta per didelio karbonizavimo.
(3) Lydymasis ir delaminacija
Redukuotas silicis ir geležis sudaro išlydytą lydinį (tankis apie 5,2 g/cm³), kuris nugrimzta į krosnies dugną.
Šlakas (daugiausia sudarytas iš CaO-SiO₂-Al₂O3) plūduriuoja į viršų ir reguliariai išleidžiamas.
(4) Pilimas ir liejimas
Išlydytas ferosilicis patenka į kaušą per išleidimo angą.
Jis liejamas į luitus arba granuliuojamas (granuliuotam ferosiliciui gauti naudojamas gesinimas vandenyje).
(5) Rafinavimas (neprivaloma)
Valymas deguonimi/argonu: sumažina priemaišų, tokių kaip aliuminis ir kalcis, kiekį, o tai leidžia gaminti mažai aliuminio turintį ferosilicį (pavyzdžiui, specialios klasės magnio metalo redukcijai).
Šlaką formuojančios medžiagos pridėjimas: tolesnis priemaišų atskyrimas.
4. Energijos suvartojimas ir galios reikalavimai
Elektros suvartojimas:
Norint pagaminti 1 toną ferosilicio, reikia 8 000-9 000 kWh elektros energijos, o tai sudaro 60–70 % visų išlaidų.
Energijos šaltiniai: dauguma jų yra vietovėse, kuriose yra daug hidroelektrinių (pvz., Yunnan, Kinija ir Norvegija).
Energiją taupančios technologijos:
Atliekinės šilumos atgavimas (naudojant išmetamąsias dujas žaliavoms pašildyti).
Uždaro tipo elektrinės krosnys sumažina šilumos nuostolius.
5. Aplinkosaugos priemonės
Išmetamųjų dujų valymas:
Uždarosiose elektrinėse krosnyse surenkamos CO dujos (kurias galima deginti elektrai gaminti arba naudoti kaip cheminę žaliavą).
Maišiniai filtrai sulaiko dulkes (įskaitant SiO₂ daleles, kurios naudojamos statybinių medžiagų gamyboje).
Nuotekų valymas:
Granuliuotas ferosilicio nuotekas reikia apdoroti, kad būtų išvengta užteršimo silicio milteliais.
Kietųjų atliekų šalinimas:
Šlakas gali būti naudojamas kelių tiesimui arba kaip cemento priedas.
6. Specialūs gamybos procesai
(1) Tiesioginis metodas (vieno etapo metodas)
Vienu metu redukuojamas silicio dioksidas ir geležis, tinka mažo{0}} ir vidutinio silicio rūšims (pvz., FeSi45).
Privalumai: paprastas procesas, maža kaina; trūkumai: bloga priemaišų kontrolė.
(2) Netiesioginis metodas (dviejų etapų metodas)
Pirmiausia gaminamas pramoninis silicis (Si, didesnis arba lygus 98%), tada jis išlydomas su geležimi, kad būtų gautas daug silicio turintis ferosilicis (pavyzdžiui, FeSi90).
Privalumai: didesnis grynumas; trūkumai: padidėjęs energijos suvartojimas.
7. Pasaulinės gamybos charakteristikos
Kinija:
ji sudaro daugiau nei 60 % pasaulio gamybos pajėgumų, sutelktų šiaurės vakarų (Ningxia, Vidinė Mongolija) ir piet-vakarų (Junano) hidroenergetikos regionuose.
Pastaraisiais metais mažos ir pasenusios krosnys (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norvegija/Rusija:
švarios energijos (hidroelektrinės/branduolinės energijos) naudojimas didelės pridėtinės vertės ferosilicio (pvz., mažai aliuminio turinčio FeSi75) gamybai.
8. Technologiniai iššūkiai ir naujovės
Žaliavų keitimas: pastangos pakeisti koksą biomasės anglimi, siekiant sumažinti anglies dvideginio išmetimą.
Išmanusis valdymas:
Ingredientų ir orkaitės temperatūrų optimizavimas naudojant dirbtinį intelektą, siekiant pagerinti energijos vartojimo efektyvumą (pvz., sumažinti energijos suvartojimą 5-10%).
Vandenilio metalurgijos bandymai:
Tiriama galimybė panaudoti vandenilį dalinai pakeisti anglies reduktorius, siekiant ekologiškos gamybos (dar laboratorinių tyrimų stadijoje).