Ferrosilikon üretim yöntemleri esas olarak yüksek sıcaklıkta indirgeme reaksiyonlarına dayanmaktadır. Temel işlem, bir ferrosilisyum alaşımı üretmek için karbonlu bir indirgeyici madde kullanılarak elektrikli bir fırında silikanın (SiO₂) ve demirin indirgenmesidir.
1. Hammaddelerin hazırlanması
Silika (SiO₂):
Gereksinimler: Silika içeriği %97'den büyük veya eşit, silikon saflığını sağlamak için düşük yabancı madde içeriği (örn. Al₂O₃, CaO).
Ön arıtma: Reaksiyon verimliliğini artırmak için 5-50 mm'lik parçacıklara kırma.
Demir kaynağı:
Tipik olarak hurda çelik, demir talaşı veya demir cevheri (manyetit gibi) kullanılır.
Demirin rolü: Silikon için taşıyıcı görevi görür, reaksiyon sıcaklığını düşürür ve bir alaşım oluşturur.
Karbonlu indirgeyici madde:
kok (tercih edilir): yüksek sabit karbon içeriği (%80'e eşit veya daha fazla), düşük kül içeriği (%10'a eşit veya daha az).
Diğerleri: kömür, petrol kok (özel gereksinimler için daha pahalı).
Yardımcı hammaddeler:
hurda çelik (fırının hava geçirgenliğini düzenlemek için), kireç (cürufun viskozitesini azaltmak için akı).
2. Ana ekipman - tozaltı ark ocağı (elektrik ark ocağı)
Fırın tipi:
açık veya kapalı tozaltı ark ocağı, kapalı tip ana olanıdır (çevre dostu ve yüksek düzeyde termal enerji kullanımına sahiptir).
Güç: genellikle 10-50 MW, büyük fırınların verimliliği - 100 000 tona/yıl'a kadar.
Elektrotlar:
Elektrik enerjisini fırın yükünün derinliklerine ileten, çapı 1,5 metreye kadar olan kendi kendine pişen elektrotlar veya grafit elektrotlar.
Fırın tasarımı:
Astarı yüksek sıcaklıklara (1800-2000 derece) dayanıklı, refrakter malzemeden (karbon tuğla, magnezya tuğlası gibi) yapılmıştır.
3. Üretim süreci
(1) Dozajlama ve yükleme
Silika, demir, kok ve yardımcı hammaddeleri orantılı olarak karıştırın (örneğin silika: kok≈3:1).
Katmanlı yükleme: Fırındaki hava geçirgenliğini korumak için altta kok, üstte silika ve demir kaynağı karışımı.
(2) Yüksek sıcaklık azaltma reaksiyonu
Reaksiyon sıcaklığı: 1600~2000 derece, enerji elektrik arkı ve rezistanslı ısıtma ile sağlanır.
Temel kimyasal reaksiyonlar:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (ana reaksiyon) FeO+C→Fe+CO↑ (demir kaynağının indirgenmesi).
Olumsuz reaksiyonlar: Az miktarda SiC ve FeSi₂ gibi ara ürünler oluşur. Aşırı karbonatlaşmayı önlemek için fırın sıcaklığı izlenmelidir.
(3) Erime ve delaminasyon
İndirgenmiş silikon ve demir, fırının tabanına çöken erimiş bir alaşım (yoğunluk yaklaşık 5,2 g/cm³) oluşturur.
Cüruf (esas olarak CaO-SiO₂-Al₂O₃'dan oluşur) yukarı doğru yüzer ve düzenli olarak boşaltılır.
(4) Dökme ve döküm
Erimiş ferrosilikon çıkış deliğinden potaya girer.
Külçe halinde dökülür veya granüle edilir (granül ferrosilikon elde etmek için suda söndürme kullanılır).
(5) Rafine etme (isteğe bağlı)
Oksijen/argon temizleme: Düşük alüminyumlu ferrosilikon üretimine olanak tanıyan alüminyum ve kalsiyum gibi yabancı maddelerin içeriğini azaltır (örneğin, magnezyum metalinin indirgenmesi için özel kaliteler).
Cüruf oluşturucu bir maddenin eklenmesi: yabancı maddelerin daha fazla ayrılması.
4. Enerji tüketimi ve güç gereksinimleri
Elektrik tüketimi:
1 ton ferrosilikon üretmek için 8 000-9 000 kWh elektrik gerekir, bu da toplam maliyetin %60-70'idir.
Enerji Kaynakları: Çoğu, büyük miktarda hidroelektrik enerjinin bulunduğu bölgelerde bulunmaktadır (örneğin Yunnan, Çin ve Norveç).
Enerji tasarrufu teknolojileri:
Atık ısının geri kazanımı (hammaddelerin ön ısıtılması için egzoz gazlarının kullanılması).
Kapalı tip elektrikli fırınlar ısı kaybını azaltır.
5. Çevresel önlemler
Egzoz gazı temizliği:
Kapalı elektrikli fırınlar CO gazını toplar (bu gaz elektrik üretmek için yakılabilir veya kimyasal hammadde olarak kullanılabilir).
Torba filtreler tozu yakalar (yapı malzemelerinin üretiminde kullanılan SiO₂ parçacıkları dahil).
Atık su arıtma:
Granül ferrosilikon atık suyunun, silikon tozunun kirlenmesini önlemek için arıtılması gerekir.
Katı atık bertarafı:
Cüruf yol yapımında veya çimentoya katkı maddesi olarak kullanılabilir.
6. Özel üretim süreçleri
(1) Doğrudan yöntem (tek adımlı yöntem)
Düşük- ve orta silikon kaliteleri (ör. FeSi45) için uygun, silika ve demirin eş zamanlı indirgenmesi.
Avantajları: basit süreç, düşük maliyet; Dezavantajları: yabancı maddelerin zayıf kontrolü.
(2) Dolaylı yöntem (iki adımlı yöntem)
İlk önce endüstriyel silikon üretilir (%98'den büyük veya eşit Si), daha sonra yüksek silikonlu ferrosilikon (örneğin FeSi90) üretmek için demir ile eritilir.
Avantajları: daha yüksek saflık; dezavantajları: artan enerji tüketimi.
7. Dünya üretiminin özellikleri
Çin:
Kuzey-Batı (Ningxia, İç Moğolistan) ve Güney-Batı'nın (Yunnan) hidroelektrik bölgelerinde yoğunlaşarak dünya üretim kapasitesinin %60'ından fazlasını oluşturur.
Son yıllarda küçük ve modası geçmiş sobalar (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norveç/Rusya:
Yüksek katma değerli ferrosilikon (örneğin düşük alüminyum FeSi75) üretimi için temiz enerjinin (hidroelektrik güç/nükleer enerji) kullanımı.
8. Teknolojik zorluklar ve yenilikler
Hammaddelerin değiştirilmesi: Karbon emisyonlarını azaltmak için kok kömürünün biyokütle kömürü ile değiştirilmesi çabaları.
Akıllı Kontrol:
Enerji verimliliğini artırmak için yapay zekayı kullanarak malzemeleri ve fırın sıcaklıklarını optimize etmek (örneğin, enerji tüketimini %5-10 oranında azaltmak).
Hidrojen metalurjisi testleri:
Çevre dostu üretim elde etmek amacıyla karbon indirgeyici maddelerin kısmen yerine hidrojen kullanma olasılığının araştırılması (hala laboratuvar araştırması aşamasındadır).