วิธีการผลิตเฟอร์โรซิลิคอน

วิธีการผลิตเฟอร์โรซิลิกอนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาการลดอุณหภูมิสูง กระบวนการพื้นฐานคือการลดซิลิกา (SiO₂) และเหล็กในเตาไฟฟ้าโดยใช้ตัวรีดิวซ์คาร์บอนเพื่อผลิตโลหะผสมเฟอร์โรซิลิคอน

1. การเตรียมวัตถุดิบ

ซิลิกา (SiO₂)-

ข้อกำหนด: ปริมาณซิลิกามากกว่าหรือเท่ากับ 97% มีปริมาณสิ่งเจือปนต่ำ (เช่น Al₂O₃, CaO) เพื่อรับรองความบริสุทธิ์ของซิลิคอน

การบำบัดเบื้องต้น: บดเป็นอนุภาคขนาด 5-50 มม. เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพปฏิกิริยา

แหล่งที่มาของธาตุเหล็ก-

โดยทั่วไปจะใช้เศษเหล็ก ตะไบเหล็ก หรือแร่เหล็ก (เช่น แมกนีไทต์)

บทบาทของเหล็ก: ทำหน้าที่เป็นพาหะของซิลิคอน ลดอุณหภูมิของปฏิกิริยา และสร้างโลหะผสม

สารรีดิวซ์คาร์บอน-

โค้ก (แนะนำ): มีปริมาณคาร์บอนคงที่สูง (มากกว่าหรือเท่ากับ 80%) มีปริมาณเถ้าต่ำ (น้อยกว่าหรือเท่ากับ 10%)

อื่นๆ: ถ่าน, ปิโตรเลียมโค้ก (แพงกว่าสำหรับความต้องการพิเศษ)

วัตถุดิบเสริม-

เศษเหล็ก (เพื่อควบคุมการซึมผ่านของอากาศของเตาเผา), ปูนขาว (ฟลักซ์, เพื่อลดความหนืดของตะกรัน)

2. อุปกรณ์หลัก - เตาอาร์คจมอยู่ใต้น้ำ (เตาอาร์คไฟฟ้า)

ประเภทเตาอบ-

เตาอาร์คจุ่มใต้น้ำแบบเปิดหรือปิด โดยมีแบบปิดเป็นเตาหลัก (เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและใช้พลังงานความร้อนในระดับสูง)

กำลังไฟฟ้า: โดยปกติ 10-50 MW ประสิทธิภาพของเตาเผาขนาดใหญ่ - สูงถึง 100 000 ตัน/ปี

ขั้วไฟฟ้า-

อิเล็กโทรดอบตัวเองหรืออิเล็กโทรดกราไฟท์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 1.5 เมตร ซึ่งส่งพลังงานไฟฟ้าลึกเข้าไปในประจุของเตา

การออกแบบเตา-

ซับในทำจากวัสดุทนไฟ (เช่น อิฐคาร์บอน อิฐแมกนีเซีย) ทนต่ออุณหภูมิสูง (1800-2000 องศา)

3. กระบวนการผลิต

(1) การให้ยาและการบรรทุก

ผสมซิลิกา เหล็ก โค้ก และวัตถุดิบเสริมตามสัดส่วน (เช่น ซิลิกา: โค้ก 3:1)

การโหลดแบบหลายชั้น: โค้กที่ด้านล่าง ส่วนผสมของซิลิกาและแหล่งเหล็กที่ด้านบน เพื่อรักษาการซึมผ่านของอากาศในเตาเผา

(2) ปฏิกิริยาการลดอุณหภูมิสูง

อุณหภูมิปฏิกิริยา: 1600~2000 องศา พลังงานที่มาจากอาร์คไฟฟ้าและความร้อนจากความต้านทาน

ปฏิกิริยาเคมีพื้นฐาน-
SiO2+2C→Si+2CO↑ (ปฏิกิริยาหลัก) FeO+C→Fe+CO↑ (การลดแหล่งธาตุเหล็ก)

อาการไม่พึงประสงค์: สร้างผลิตภัณฑ์ขั้นกลางจำนวนเล็กน้อย เช่น SiC และ FeSi₂ ต้องควบคุมอุณหภูมิเตาอบเพื่อป้องกันการเกิดคาร์บอนไดออกไซด์มากเกินไป

(3) การหลอมและการแยกตัว

ซิลิคอนและเหล็กรีดิวซ์ทำให้เกิดโลหะผสมหลอมเหลว (ความหนาแน่นประมาณ 5.2 ก./ซม.) ซึ่งจมลงที่ด้านล่างของเตา

ตะกรัน (ส่วนใหญ่ประกอบด้วย CaO-SiO₂-Al₂O₃) ลอยขึ้นไปด้านบนและปล่อยออกมาเป็นประจำ

(4) การเทและการหล่อ

เฟอร์โรซิลิคอนหลอมเหลวจะเข้าสู่ทัพพีผ่านทางรูทางออก

มันถูกหล่อเป็นแท่งหรือเป็นเม็ด (ใช้การชุบน้ำเพื่อให้ได้เฟอร์โรซิลิกอนที่เป็นเม็ด)

(5) การกลั่น (ไม่จำเป็น)

การล้างออกซิเจน/อาร์กอน: ลดปริมาณสิ่งสกปรก เช่น อลูมิเนียมและแคลเซียม ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตเฟอร์โรซิลิกอนอลูมิเนียมต่ำได้ (เช่น เกรดพิเศษสำหรับการลดโลหะแมกนีเซียม)

การเติมสารก่อตะกรัน: แยกสิ่งสกปรกเพิ่มเติม

4. การใช้พลังงานและความต้องการพลังงาน

ปริมาณการใช้ไฟฟ้า-

เพื่อผลิตเฟอร์โรซิลิคอน 1 ตัน ต้องใช้ไฟฟ้า 8 000-9 000 kWh ซึ่งคิดเป็น 60-70% ของต้นทุนทั้งหมด

แหล่งพลังงาน: ส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีไฟฟ้าพลังน้ำปริมาณมาก (เช่น ยูนนาน จีน และนอร์เวย์)

เทคโนโลยีประหยัดพลังงาน-

การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่ (การใช้ก๊าซไอเสียเพื่ออุ่นวัตถุดิบ)

เตาไฟฟ้าแบบปิดช่วยลดการสูญเสียความร้อน

5. มาตรการด้านสิ่งแวดล้อม

การทำความสะอาดก๊าซไอเสีย-

เตาไฟฟ้าแบบปิดจะรวบรวมก๊าซ CO (ซึ่งสามารถนำไปเผาเพื่อผลิตไฟฟ้าหรือใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นทางเคมี)

ถุงกรองดักจับฝุ่น (รวมถึงอนุภาค SiO₂ ซึ่งใช้ในการผลิตวัสดุก่อสร้าง)

การบำบัดน้ำเสีย-

น้ำเสียที่เป็นเม็ดเฟอร์โรซิลิกอนจำเป็นต้องได้รับการบำบัดเพื่อป้องกันการปนเปื้อนของผงซิลิกอน

การกำจัดขยะมูลฝอย-

ตะกรันสามารถนำมาใช้ในการก่อสร้างถนนหรือเป็นสารเติมแต่งในปูนซีเมนต์ได้

6. กระบวนการผลิตพิเศษ

(1) วิธีตรง (วิธีขั้นตอนเดียว)

การลดซิลิกาและเหล็กพร้อมกัน เหมาะสำหรับเกรดซิลิคอนต่ำ- และปานกลาง (เช่น FeSi45)

ข้อดี: กระบวนการเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ ข้อเสีย: การควบคุมสิ่งสกปรกไม่ดี

(2) วิธีทางอ้อม (วิธีสองขั้นตอน)

ขั้นแรก ซิลิคอนอุตสาหกรรมจะถูกผลิตขึ้น (Si มากกว่าหรือเท่ากับ 98%) จากนั้นจึงละลายด้วยเหล็กเพื่อผลิตเฟอร์โรซิลิกอนที่มีซิลิคอนสูง (เช่น FeSi90)

ข้อดี: มีความบริสุทธิ์สูงกว่า ข้อเสีย: การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น

7. ลักษณะการผลิตของโลก

จีน:

คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 60% ของกำลังการผลิตของโลก โดยกระจุกตัวอยู่ในภูมิภาคไฟฟ้าพลังน้ำทางตอนเหนือ-ตะวันตก (หนิงเซี่ย มองโกเลียใน) และทางใต้-ทางตะวันตก (ยูนนาน)

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เตาขนาดเล็กและล้าสมัย (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».

นอร์เวย์/รัสเซีย:

การใช้พลังงานสะอาด (พลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ/พลังงานนิวเคลียร์) เพื่อการผลิตเฟอร์โรซิลิกอนที่มีมูลค่าเพิ่มสูง (เช่น FeSi75 อลูมิเนียมต่ำ)

8. ความท้าทายทางเทคโนโลยีและนวัตกรรม

การเปลี่ยนวัตถุดิบ: ความพยายามทดแทนโค้กด้วยถ่านหินชีวมวลเพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน

การควบคุมอัจฉริยะ-

ปรับส่วนผสมและอุณหภูมิเตาอบให้เหมาะสมโดยใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (เช่น ลดการใช้พลังงานลง 5-10%)

การทดสอบโลหะผสมไฮโดรเจน-

ศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้ไฮโดรเจนทดแทนสารรีดิวซ์คาร์บอนบางส่วนเพื่อให้ได้การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยในห้องปฏิบัติการ)