روش های تولید فروسیلیس عمدتا بر اساس واکنش های کاهش دمای بالا است. فرآیند اصلی احیای سیلیس (SiO2) و آهن در یک کوره الکتریکی با استفاده از یک عامل احیا کننده کربنی برای تولید یک آلیاژ فروسیلیکون است.
1. تهیه مواد اولیه
سیلیس (SiO2):
الزامات: محتوای سیلیس بیشتر یا مساوی 97٪، محتوای ناخالصی کم (مانند Al2O3، CaO) برای اطمینان از خلوص سیلیکون.
پیش تصفیه: خرد کردن ذرات 5-50 میلی متری برای بهبود راندمان واکنش.
منبع آهن:
معمولاً از فولاد قراضه، براده های آهن یا سنگ آهن (مانند مگنتیت) استفاده می شود.
نقش آهن: به عنوان یک حامل برای سیلیکون عمل می کند، دمای واکنش را کاهش می دهد و یک آلیاژ تشکیل می دهد.
عامل کاهنده کربن:
کک (ترجیحا): محتوای کربن ثابت بالا (بیشتر یا مساوی 80%)، محتوای خاکستر کم (کمتر یا مساوی 10%).
سایر موارد: زغال چوب، کک نفتی (گران تر، برای شرایط خاص).
مواد اولیه کمکی:
ضایعات فولاد (برای تنظیم نفوذپذیری هوای کوره)، آهک (شار، برای کاهش ویسکوزیته سرباره).
2. تجهیزات اصلی - کوره قوس الکتریکی (کوره قوس الکتریکی)
نوع فر:
کوره قوس زیردریایی باز یا بسته که نوع بسته اصلی آن است (دوستانه با محیط زیست و با مصرف انرژی حرارتی بالا).
توان: معمولاً 10-50 مگاوات، بهره‌وری کوره‌های بزرگ - تا 100 000 تن در سال.
الکترودها:
الکترودهای خود پخت یا الکترودهای گرافیتی با قطر تا 1.5 متر که انرژی الکتریکی را به عمق شارژ کوره منتقل می کنند.
طراحی کوره:
آستر ساخته شده از مواد نسوز (مانند آجر کربن، آجر منیزیم)، مقاوم در برابر درجه حرارت بالا (1800-2000 درجه).
3. فرآیند تولید
(1) دوز و بارگیری
سیلیس، آهن، کک و مواد خام کمکی را به نسبت مخلوط کنید (مثلا سیلیس: کک≈3:1).
بارگذاری لایه ای: کک در پایین، مخلوطی از منبع سیلیس و آهن در بالا، برای حفظ نفوذپذیری هوا در کوره.
(2) واکنش کاهش دمای بالا
دمای واکنش: 1600 ~ 2000 درجه، انرژی تامین شده توسط قوس الکتریکی و گرمایش مقاومتی.
واکنش های شیمیایی پایه:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (واکنش اصلی) FeO+C→Fe+CO↑ (کاهش منبع آهن).
واکنش های نامطلوب: مقادیر کمی از محصولات میانی مانند SiC و FeSi2 تشکیل می شود. دمای فر باید کنترل شود تا از کربناته شدن بیش از حد جلوگیری شود.
(3) ذوب و لایه لایه شدن
سیلیکون و آهن احیا شده یک آلیاژ مذاب (با چگالی حدود 5.2 گرم بر سانتی‌متر مربع) تشکیل می‌دهند که در انتهای کوره فرو می‌رود.
سرباره (عمدتا متشکل از CaO-SiO2-Al2O3) به سمت بالا شناور می شود و به طور منظم تخلیه می شود.
(4) ریختن و ریخته گری
فروسیلیس مذاب از طریق سوراخ خروجی وارد ملاقه می شود.
در شمش ریخته می شود یا دانه بندی می شود (کوئنچ در آب برای به دست آوردن فروسیلیکون دانه بندی شده استفاده می شود).
(5) پالایش (اختیاری)
تصفیه اکسیژن/آرگون: محتوی ناخالصی هایی مانند آلومینیوم و کلسیم را کاهش می دهد که امکان تولید فروسیلیکون کم آلومینیوم را فراهم می کند (مثلاً گریدهای ویژه برای احیای فلز منیزیم).
افزودن یک عامل سرباره ساز: جداسازی بیشتر ناخالصی ها.
4. مصرف انرژی و توان مورد نیاز
مصرف برق:
برای تولید 1 تن فروسیلیس به 8 000-9 000 کیلووات ساعت برق نیاز است که 60 تا 70 درصد کل هزینه ها را تشکیل می دهد.
منابع انرژی: بیشتر آنها در مناطقی با مقادیر زیادی نیروی برق آبی (مانند یوننان، چین و نروژ) واقع شده اند.
فن آوری های صرفه جویی در انرژی:
بازیابی گرمای زباله (استفاده از گازهای خروجی برای پیش گرم کردن مواد خام).
کوره های الکتریکی نوع بسته اتلاف حرارت را کاهش می دهند.
5. اقدامات زیست محیطی
تمیز کردن گاز اگزوز:
کوره های الکتریکی محصور گاز CO را جمع آوری می کنند (که می تواند برای تولید برق سوزانده شود یا به عنوان ماده اولیه شیمیایی استفاده شود).
فیلترهای کیسه ای گرد و غبار را جذب می کنند (از جمله ذرات SiO2 که در تولید مصالح ساختمانی استفاده می شود).
تصفیه فاضلاب:
فاضلاب فروسیلیکون دانه ای باید تصفیه شود تا از آلودگی پودر سیلیکون جلوگیری شود.
دفع زباله های جامد:
سرباره را می توان برای راه سازی یا به عنوان افزودنی در سیمان استفاده کرد.
6. فرآیندهای تولید ویژه
(1) روش مستقیم (روش یک مرحله ای)
کاهش همزمان سیلیس و آهن، مناسب برای گریدهای سیلیکونی کم- و متوسط (مانند FeSi45).
مزایا: فرآیند ساده، هزینه کم. معایب: کنترل ضعیف ناخالصی ها.
(2) روش غیر مستقیم (روش دو مرحله ای)
ابتدا سیلیکون صنعتی تولید می شود (Si بزرگتر یا برابر با 98%)، سپس با آهن ذوب می شود تا فروسیلیکون با سیلیکون بالا تولید شود (مثلا FeSi90).
مزایا: خلوص بالاتر. معایب: افزایش مصرف انرژی.
7. ویژگی های تولید جهانی
چین:
بیش از 60 درصد از ظرفیت تولید جهان را تشکیل می دهد که در مناطق برق آبی شمال{1}}غرب (نینگشیا، مغولستان داخلی) و جنوب{2}}غرب (یوننان) متمرکز شده است.
در سال های اخیر اجاق های کوچک و قدیمی (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
نروژ/روسیه:
استفاده از انرژی پاک (نیروی برق آبی/انرژی هسته ای) برای تولید فروسیلیس با ارزش افزوده بالا (به عنوان مثال FeSi75 آلومینیوم کم).
8. چالش ها و نوآوری های تکنولوژیکی
جایگزینی مواد اولیه: تلاش برای جایگزینی کک با زغال سنگ زیست توده برای کاهش انتشار کربن.
کنترل هوشمند:
بهینه سازی مواد تشکیل دهنده و دمای فر با استفاده از هوش مصنوعی برای بهبود بهره وری انرژی (به عنوان مثال، کاهش مصرف انرژی به میزان 5-10٪).
آزمایشات متالورژی هیدروژن:
بررسی امکان استفاده از هیدروژن برای جایگزینی جزئی عوامل کاهنده کربن به منظور دستیابی به تولید سازگار با محیط زیست (هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی).