Metódy výroby ferosilicia sú založené hlavne na redukčných reakciách pri vysokej teplote. Základným procesom je redukcia oxidu kremičitého (SiO₂) a železa v elektrickej peci pomocou uhlíkatého redukčného činidla na výrobu ferosilicínovej zliatiny.
1. Príprava surovín
oxid kremičitý (SiO₂):
Požiadavky: Obsah kremíka väčší alebo rovný 97 %, nízky obsah nečistôt (napr. Al₂O3, CaO) na zabezpečenie čistoty kremíka.
Predúprava: rozdrvenie na častice 5-50 mm na zlepšenie účinnosti reakcie.
Zdroj železa:
Typicky sa používa oceľový šrot, železné piliny alebo železná ruda (ako je magnetit).
Úloha železa: Pôsobí ako nosič pre kremík, znižuje reakčnú teplotu a vytvára zliatinu.
Uhlíkaté redukčné činidlo:
koks (uprednostňuje sa): vysoký obsah pevného uhlíka (väčší alebo rovný 80 %), nízky obsah popola (menej alebo rovný 10 %).
Ostatné: drevené uhlie, ropný koks (drahšie, pre špeciálne požiadavky).
Pomocné suroviny:
oceľový šrot (na reguláciu vzduchovej priepustnosti pece), vápno (tavivo, na zníženie viskozity trosky).
2. Hlavné vybavenie - ponorná oblúková pec (elektrická oblúková pec)
Typ rúry:
otvorená alebo uzavretá pec s ponoreným oblúkom, pričom hlavným je uzavretý typ (ekologický a s vysokou mierou využitia tepelnej energie).
Výkon: zvyčajne 10-50 MW, produktivita veľkých pecí - až 100 000 ton/rok.
Elektródy:
Samovypaľovacie elektródy alebo grafitové elektródy s priemerom do 1,5 metra, ktoré prenášajú elektrickú energiu hlboko do vsádzky pece.
Dizajn pece:
Obloženie vyrobené zo žiaruvzdorného materiálu (ako je uhlíková tehla, magnéziová tehla), odolné voči vysokým teplotám (1800-2000 stupňov).
3. Výrobný proces
(1) Dávkovanie a plnenie
Zmiešajte oxid kremičitý, železo, koks a pomocné suroviny v pomere (napríklad oxid kremičitý: koks≈3:1).
Vrstvené plnenie: dole koks, hore zmes oxidu kremičitého a železa, aby sa zachovala priepustnosť vzduchu v peci.
(2) Reakcia zníženia vysokej teploty
Reakčná teplota: 1600 ~ 2000 stupňov, energia dodávaná elektrickým oblúkom a odporovým ohrevom.
Základné chemické reakcie:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (hlavná reakcia) FeO+C→Fe+CO↑ (redukcia zdroja železa).
Nežiaduce reakcie: Vznikajú malé množstvá medziproduktov ako SiC a FeSi₂. Teplota rúry musí byť kontrolovaná, aby sa predišlo nadmernej karbonizácii.
(3) Tavenie a delaminácia
Redukovaný kremík a železo tvoria roztavenú zliatinu (hustota asi 5,2 g/cm³), ktorá klesá na dno pece.
Troska (zložená najmä z CaO-SiO₂-Al₂O₃) pláva nahor a pravidelne sa vypúšťa.
(4) Nalievanie a odlievanie
Roztavené ferosilícium vstupuje do panvy cez výstupný otvor.
Odlieva sa do ingotov alebo granuluje (na získanie granulovaného ferosilicia sa používa kalenie vo vode).
(5) Rafinácia (voliteľné)
Preplachovanie kyslíkom/argónom: znižuje obsah nečistôt, ako je hliník a vápnik, čo umožňuje výrobu ferosilícia s nízkym obsahom hliníka (napríklad špeciálne druhy na redukciu kovového horčíka).
Pridanie troskotvorného činidla: ďalšie oddelenie nečistôt.
4. Spotreba energie a požiadavky na energiu
Spotreba elektriny:
Na výrobu 1 tony ferosilicia je potrebných 8 000-9 000 kWh elektrickej energie, čo predstavuje 60 – 70 % celkových nákladov.
Zdroje energie: Väčšina sa nachádza v oblastiach s veľkým množstvom vodnej energie (napr. Yunnan, Čína a Nórsko).
Technológie šetriace energiu:
Rekuperácia odpadového tepla (využívanie výfukových plynov na predhrievanie surovín).
Elektrické pece uzavretého typu znižujú tepelné straty.
5. Environmentálne opatrenia
Čistenie výfukových plynov:
Uzavreté elektrické pece zbierajú plyn CO (ktorý možno spáliť na výrobu elektriny alebo použiť ako chemickú surovinu).
Vrecové filtre zachytávajú prach (vrátane častíc SiO₂, ktoré sa používajú pri výrobe stavebných materiálov).
Čistenie odpadových vôd:
Odpadová voda z granulovaného ferosilicia musí byť upravená, aby sa zabránilo kontaminácii kremíkového prášku.
Likvidácia tuhého odpadu:
Troska sa môže použiť na stavbu ciest alebo ako prísada do cementu.
6. Špeciálne výrobné procesy
(1) Priama metóda (jednokroková metóda)
Súčasná redukcia oxidu kremičitého a železa, vhodná pre nízke - a stredné kvality kremíka (napr. FeSi45).
Výhody: jednoduchý proces, nízke náklady; nevýhody: slabá kontrola nečistôt.
(2) Nepriama metóda (dvojstupňová metóda)
Najprv sa vyrobí priemyselný kremík (Si väčší alebo rovný 98 %), potom sa roztaví so železom za vzniku ferosilicia s vysokým obsahom kremíka (napríklad FeSi90).
Výhody: vyššia čistota; nevýhody: zvýšená spotreba energie.
7. Charakteristika svetovej produkcie
Čína:
predstavuje viac ako 60 % svetovej výrobnej kapacity a je sústredená v regiónoch s vodnými elektrárňami na severozápade-západu (Ningxia, Vnútorné Mongolsko) a juho{2}}západe (Yunnan).
V posledných rokoch malé a zastarané kachle (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Nórsko/Rusko:
využitie čistej energie (vodná energia/jadrová energia) na výrobu ferosilicia s vysokou pridanou hodnotou (napr. FeSi75 s nízkym obsahom hliníka).
8. Technologické výzvy a inovácie
Výmena surovín: Úsilie nahradiť koks biomasovým uhlím s cieľom znížiť emisie uhlíka.
Inteligentné ovládanie:
Optimalizácia prísad a teplôt rúry pomocou umelej inteligencie na zlepšenie energetickej účinnosti (napr. zníženie spotreby energie o 5 – 10 %).
Skúšky metalurgie vodíka:
Štúdium možnosti využitia vodíka na čiastočnú náhradu redukujúcich činidiel uhlíka s cieľom dosiahnuť ekologickú výrobu (stále v štádiu laboratórneho výskumu).