Phương pháp sản xuất Ferrosilicon chủ yếu dựa trên các phản ứng giảm nhiệt độ cao. Quá trình chính là giảm silica (SiO₂) và sắt trong lò điện bằng cách sử dụng chất khử carbon để sản xuất hợp kim ferrosilicon.
1. Chuẩn bị nguyên liệu thô
Silica (SIO₂):
Yêu cầu: Hàm lượng silica lớn hơn hoặc bằng 97%, hàm lượng tạp chất thấp (ví dụ: Al₂O₃, CAO) để đảm bảo độ tinh khiết của silicon.
Tiền xử lý: nghiền thành 5-50 mm để cải thiện hiệu quả phản ứng.
Nguồn sắt:
Phế liệu bằng thép, hồ sơ sắt hoặc quặng sắt (ví dụ, từ tính) thường được sử dụng.
Vai trò của sắt: hoạt động như một chất mang cho silicon, giảm nhiệt độ phản ứng và tạo thành một hợp kim.
Tác nhân giảm carbon:
Coke (ưa thích): Hàm lượng carbon cố định cao (lớn hơn hoặc bằng 80%), hàm lượng tro thấp (nhỏ hơn hoặc bằng 10%).
Những người khác: than, than cốc dầu (đắt hơn, cho các yêu cầu đặc biệt).
Nguyên liệu thô phụ:
Thép phế liệu (để điều chỉnh tính thấm không khí của lò nung), vôi (thông lượng, để giảm độ nhớt của xỉ).
2. Thiết bị chính - Lò hồ quang ngập nước (lò hồ quang điện)
Loại lò:
Lò hồ quang mở hoặc đóng dưới thông lượng, với loại đóng là loại chính (thân thiện với môi trường và với mức độ sử dụng năng lượng nhiệt cao).
Khả năng: thường là 10-50 MW, dung lượng lò lớn lên tới 100, 000 tấn/năm.
Điện cực:
Các điện cực tự nướng hoặc điện cực than chì có đường kính tới 1,5 mét truyền năng lượng điện sâu vào điện tích lò.
Thiết kế bếp:
Lớp lót vật liệu chịu lửa (ví dụ gạch carbon, gạch magnesia) kháng nhiệt độ cao (1800-2000 độ).
3. Quá trình sản xuất
(1) Liều lượng và tải
Trộn silica, sắt, than cốc và nguyên liệu thô phụ trong tỷ lệ (ví dụ: silica: Coke≈3: 1).
Tải từng lớp: Coke ở phía dưới, hỗn hợp silica và nguồn sắt ở trên cùng, để duy trì tính thấm không khí trong lò.
(2) Phản ứng giảm nhiệt độ cao
Nhiệt độ phản ứng: 1600 ~ 2000 độ, năng lượng được cung cấp bởi hồ quang điện và sưởi ấm điện trở.
Các phản ứng hóa học chínhlà:
Sio 2+2 C → Si +2 CO (phản ứng cơ bản) FEO+C → Fe+CO (giảm nguồn sắt).
Phản ứng bất lợi: Một lượng nhỏ các chất trung gian như sic và fesi₂ được hình thành. Cần kiểm soát nhiệt độ của lò để ngăn chặn quá trình cacbon hóa quá mức.
(3) Sự tan chảy và phân định
Silicon và sắt giảm tạo thành một sự tan chảy của hợp kim (mật độ khoảng 5,2 g/cm³), chìm xuống đáy lò.
SLAG (chủ yếu bao gồm Cao-SiO₂-Al₂o₃) nổi lên trên cùng và được xả thường xuyên.
(4) Đổ và đúc
Ferrosilicon nóng chảy đi vào muôi qua lỗ đầu ra.
Nó được đổ vào Ingots hoặc hạt (làm nguội nước được sử dụng để thu được ferrosilicon hạt).
(5) Tinh chế (tùy chọn)
Thanh lọc oxy/argon: Giảm các tạp chất như nhôm và canxi, dẫn đến ferrosilicon bằng nhôm thấp (ví dụ, các loại đặc biệt để giảm kim loại magiê).
Bổ sung một tác nhân hình thành xỉ: tách biệt hơn nữa các tạp chất.
4. Tiêu thụ năng lượng và yêu cầu năng lượng
Tiêu thụ điện:
Để sản xuất 1 tấn ferrosilicon, 8, 000-9, 000 kwh là cần thiết, đó là 60-70% tổng chi phí.
Nguồn năng lượng: Hầu hết trong số chúng nằm ở các khu vực có rất nhiều năng lượng thủy điện (ví dụ: Vân Nam, Trung Quốc và Na Uy).
Công nghệ tiết kiệm năng lượng:
Phục hồi nhiệt chất thải (sử dụng khí thải để làm nóng nguyên liệu thô).
Lò điện loại kín làm giảm mất nhiệt.
5. Các biện pháp bảo vệ môi trường
Điều trị khí thải:
Lò điện kín thu thập khí CO (có thể được đốt để tạo ra điện hoặc được sử dụng làm nguyên liệu hóa học).
Các bộ lọc túi nắm bắt bụi (bao gồm các hạt SiO₂, được sử dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng).
Xử lý nước thải:
Nước thải nước Ferrosilicon hạt cần được tái chế để ngăn ngừa ô nhiễm bột silicon.
Xử lý chất thải rắn:
Xỉ có thể được sử dụng để xây dựng đường hoặc làm phụ gia để xi măng.
6. Quy trình sản xuất đặc biệt
(1) Phương pháp trực tiếp (phương pháp một bước)
Giảm đồng thời silica và sắt, phù hợp cho các giống nhỏ và trung bình (ví dụ FESI45).
Ưu điểm: Quy trình đơn giản, chi phí thấp; Nhược điểm: Kiểm soát tạp chất kém.
(2) Phương pháp gián tiếp (phương pháp hai bước)
Đầu tiên, silicon công nghiệp (SI lớn hơn hoặc bằng 98%) được sản xuất, sau đó nó được tan chảy với sắt để tạo ra ferrosilicon cao (ví dụ, FESI90).
Ưu điểm: Độ tinh khiết cao hơn; Nhược điểm: Tăng tiêu thụ năng lượng.
7. Đặc điểm của sản xuất thế giới
Trung Quốc:
Nó chiếm hơn 60% năng lực sản xuất của thế giới, tập trung ở các khu vực thủy điện ở Tây Bắc (Ningxia, Nội Mông) và Tây Nam (Vân Nam).
Trong những năm gần đây, các lò nhỏ và lỗi thời (<25,000 kVA) have been decommissioned due to the impact of the "dual carbon" policy.
Na Uy/Nga:
Sử dụng năng lượng sạch (thủy điện/hạt nhân) để tạo ra ferrosilicon có giá trị cao (ví dụ: FESI75 của Aluminium FESI75).
8. Những thách thức và đổi mới công nghệ
Thay thế nguyên liệu thô: Nỗ lực thay thế than cốc bằng than sinh khối để giảm lượng khí thải carbon.
Kiểm soát thông minh:
Tối ưu hóa các thành phần và nhiệt độ lò sử dụng trí tuệ nhân tạo để cải thiện hiệu quả năng lượng (ví dụ 5-10% giảm tiêu thụ năng lượng).
Thử nghiệm luyện kim hydro:
Nghiên cứu về khả năng sử dụng hydro để thay thế một phần các chất khử carbon để đạt được sự thân thiện với môi trường của sản xuất (vẫn ở giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm).