Les méthodes de production de ferrosilicon sont principalement basées sur des réactions de réduction à haute température. Le processus principal est la réduction de la silice (Sio₂) et du fer dans une fournaise électrique à l'aide d'un agent de réduction du carbone pour produire un alliage de ferrosilicon.
1. Préparation des matières premières
Silice (Sio₂):
Exigences: la teneur en silice supérieure ou égale à 97%, une faible teneur en impureté (par exemple, al₂o₃, CAO) pour assurer la pureté de silicium.
Prétraitement: écraser les particules 5-50 mm pour améliorer l'efficacité de la réaction.
Source de fer:
La ferraille en acier, les liens de fer ou le minerai de fer (par exemple, la magnétite) sont couramment utilisés.
Le rôle du fer: agit comme un porteur de silicium, réduit la température de réaction et forme un alliage.
Agent de réduction du carbone:
COKE (préféré): une teneur élevée en carbone fixe (supérieure à 80%), faible teneur en cendres (inférieure ou égale à 10%).
Autres: charbon de bois, coke de pétrole (plus cher, pour les exigences spéciales).
Matières premières auxiliaires:
Scrap en acier (pour réguler la perméabilité de l'air du four), chaux (flux, pour réduire la viscosité des laises).
2. Équipement principal - four à arc submergé (four à arc électrique)
Type de fournaise:
Fournace à arc ouvert ou fermé sous Flux, le type fermé étant le type principal (respectueux de l'environnement et avec un haut niveau de consommation d'énergie thermique).
Capacité: Habituellement 10-50 MW, grande capacité du four jusqu'à 100, 000 tonnes / an.
Électrodes:
Des électrodes auto-cuites ou des électrodes en graphite jusqu'à 1,5 mètre de diamètre qui transmettent de l'énergie électrique profondément dans la charge du four.
Conception de poêle:
Doublage de matériau réfractaire (par exemple en brique de carbone, brique de magnésie) résistant aux températures élevées (1800-2000 degré).
3. Processus de production
(1) dosage et chargement
Mélanger la silice, le fer, le coke et les matières premières auxiliaires dans un rapport (par exemple, la silice: cokechar 3: 1).
Charge de couche par couche: Coke en bas, un mélange de silice et une source de fer en haut, pour maintenir la perméabilité de l'air dans la fournaise.
(2) réaction de réduction de température élevée
Température de réaction: 1600 à 2000 degrés, l'énergie est fournie par l'arc électrique et le chauffage résistif.
Les principales réactions chimiquessont:
SiO 2+2 C → Si +2 Co ↑ (réaction de base) Feo + C → Fe + Co ↑ (réduction de la source de fer).
Effets indésirables: De petites quantités d'intermédiaires telles que SIC et Fesi₂ sont formées. Il est nécessaire de contrôler la température du four pour éviter une carbonatation excessive.
(3) Merfes et délaminage
Le silicium et le fer réduits forment une fonte d'alliage (densité d'environ 5,2 g / cm³), qui s'enfonce au fond de la fournaise.
Le laitier (composé principalement de Cao-sio₂-al₂o₃) flotte vers le haut et est déchargé régulièrement.
(4) verser et couler
Ferrosilicon fondu entre dans la louche à travers le trou de sortie.
Il est versé dans les lingots ou granulés (la trempe d'eau est utilisée pour obtenir le ferrosilicon granulaire).
(5) raffinage (facultatif)
Purge d'oxygène / argon: Réduit les impuretés telles que l'aluminium et le calcium, entraînant un ferrosilicon à faible teneur en aluminium (par exemple, des notes spéciales pour la réduction du magnésium métal).
Ajout d'un agent de formation de scories: Séparation supplémentaire des impuretés.
4. Consommation d'énergie et exigences d'énergie
Consommation d'électricité:
Pour produire 1 tonne de Ferrosilicon, 8, 000-9, 000 KWh d'électricité est requis, qui est 60-70% des coûts totaux.
Sources d'énergie: la plupart d'entre eux sont situés dans des zones avec beaucoup d'énergie hydroélectrique (par exemple, Yunnan, Chine et Norvège).
Technologies d'économie d'énergie:
Récupération de la chaleur des déchets (utilisation des gaz d'échappement pour préchauffer les matières premières).
Les fours électriques de type fermé réduisent la perte de chaleur.
5. Mesures de protection de l'environnement
Traitement des gaz d'échappement:
Les fours électriques fermés collectent du gaz CO (qui peut être brûlé pour produire de l'électricité ou utilisé comme matière première chimique).
Les filtres à sac capturent la poussière (y compris les particules Sio₂, qui sont utilisées dans la production de matériaux de construction).
Traitement des eaux usées:
Les eaux usées granulaires du ferrosilicon doivent être recyclées pour empêcher la pollution de la poudre de silicium.
Élimination des déchets solides:
Les scories peuvent être utilisées pour la construction de routes ou comme additif au ciment.
6. Processus de production spéciaux
(1) Méthode directe (méthode en une étape)
Réduction simultanée de la silice et du fer, adapté aux variétés de faible et moyen silencieux (par exemple FESI45).
Avantages: processus simple, faible coût; Inconvénients: mauvais contrôle des impuretés.
(2) méthode indirecte (méthode en deux étapes)
Tout d'abord, le silicium industriel (SI supérieur ou égal à 98%) est produit, puis il est fondu avec du fer pour produire du ferrosilicon élevé (par exemple, fesi90).
Avantages: pureté plus élevée; Inconvénients: augmentation de la consommation d'énergie.
7. Caractéristiques de la production mondiale
Chine:
Il représente plus de 60% de la capacité de production mondiale, concentrée dans les régions hydroélectriques du nord-ouest (Ningxia, Mongolie intérieure) et du sud-ouest (Yunnan).
Ces dernières années, des fours petites et obsolètes (<25,000 kVA) have been decommissioned due to the impact of the "dual carbon" policy.
Norvège / Russie:
Utilisation de l'énergie propre (hydroélectricité / nucléaire) pour produire du ferrosilicon à haute valeur ajouté (par exemple, FEI75 à faible teneur en aluminium).
8. Défis et innovations technologiques
Remplacement des matières premières: Tente de remplacer le coke par du charbon de biomasse pour réduire les émissions de carbone.
Contrôle intelligent:
Optimisation des ingrédients et de la température du four à l'aide de l'intelligence artificielle pour améliorer l'efficacité énergétique (par exemple 5-10% réduction de la consommation d'énergie).
Tests de métallurgie de l'hydrogène:
Étude de la possibilité d'utiliser l'hydrogène pour le remplacement partiel des agents de réduction du carbone afin d'atteindre la convivialité environnementale de la production (toujours au stade de la recherche en laboratoire).