Die Herstellungsverfahren für Ferrosilicium basieren hauptsächlich auf Hochtemperatur-Reduktionsreaktionen. Der grundlegende Prozess ist die Reduktion von Siliziumdioxid (SiO₂) und Eisen in einem Elektroofen unter Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels zur Herstellung einer Ferrosiliciumlegierung.
1. Vorbereitung der Rohstoffe
Kieselsäure (SiO₂):
Anforderungen: Siliziumgehalt größer oder gleich 97 %, geringer Gehalt an Verunreinigungen (z. B. Al₂O₃, CaO), um die Reinheit des Siliziums sicherzustellen.
Vorbehandlung: Zerkleinerung auf 5–50 mm große Partikel zur Verbesserung der Reaktionseffizienz.
Eisenquelle:
Typischerweise werden Stahlschrott, Eisenspäne oder Eisenerz (z. B. Magnetit) verwendet.
Rolle von Eisen: Fungiert als Träger für Silizium, senkt die Reaktionstemperatur und bildet eine Legierung.
Kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel:
Koks (bevorzugt): hoher Gehalt an festem Kohlenstoff (größer oder gleich 80 %), niedriger Aschegehalt (weniger als oder gleich 10 %).
Andere: Holzkohle, Petrolkoks (teurer, für besondere Anforderungen).
Hilfsrohstoffe:
Stahlschrott (zur Regulierung der Luftdurchlässigkeit des Ofens), Kalk (Flussmittel, um die Viskosität der Schlacke zu reduzieren).
2. Hauptausrüstung - Unterpulverofen (Elektrolichtbogenofen)
Ofentyp:
offener oder geschlossener Unterpulverofen, wobei der geschlossene Typ im Vordergrund steht (umweltfreundlich und mit hohem Wärmeenergieverbrauch).
Leistung: normalerweise 10-50 MW, Produktivität großer Öfen – bis zu 100 000 Tonnen/Jahr.
Elektroden:
Selbstbackende Elektroden oder Graphitelektroden mit einem Durchmesser von bis zu 1,5 Metern, die elektrische Energie tief in die Ofenbeschickung übertragen.
Ofendesign:
Auskleidung aus feuerfestem Material (z. B. Kohlenstoffstein, Magnesiastein), beständig gegen hohe Temperaturen (1800–2000 Grad).
3. Produktionsprozess
(1) Dosierung und Beladung
Mischen Sie Kieselsäure, Eisen, Koks und Hilfsrohstoffe im Verhältnis (z. B. Kieselsäure: Koks≈3:1).
Schichtweise Beschickung: unten Koks, oben eine Mischung aus Quarzsand und Eisen, um die Luftdurchlässigkeit im Ofen aufrechtzuerhalten.
(2) Reduktionsreaktion bei hoher Temperatur
Reaktionstemperatur: 1600–2000 Grad, Energieversorgung durch Lichtbogen und Widerstandsheizung.
Grundlegende chemische Reaktionen:
SiO2+2C→Si+2CO ↑ (Hauptreaktion) FeO+C→Fe+CO ↑ (Reduktion der Eisenquelle).
Nebenwirkungen: Es entstehen geringe Mengen an Zwischenprodukten wie SiC und FeSi₂. Die Ofentemperatur muss kontrolliert werden, um eine übermäßige Kohlensäurebildung zu verhindern.
(3) Schmelzen und Delaminierung
Das reduzierte Silizium und Eisen bilden eine geschmolzene Legierung (Dichte etwa 5,2 g/cm³), die auf den Boden des Ofens sinkt.
Die Schlacke (hauptsächlich bestehend aus CaO-SiO₂-Al₂O₃) schwimmt nach oben und wird regelmäßig ausgetragen.
(4) Gießen und Gießen
Geschmolzenes Ferrosilicium gelangt durch das Auslassloch in die Pfanne.
Es wird in Barren gegossen oder granuliert (um granuliertes Ferrosilicium zu erhalten, wird es durch Abschrecken in Wasser hergestellt).
(5) Verfeinerung (optional)
Sauerstoff-/Argonspülung: Reduziert den Gehalt an Verunreinigungen wie Aluminium und Kalzium, was die Herstellung von Ferrosilicium mit niedrigem Aluminiumgehalt ermöglicht (z. B. spezielle Qualitäten zur Reduktion von Magnesiummetall).
Zugabe eines schlackebildenden Mittels: weitere Abtrennung von Verunreinigungen.
4. Energieverbrauch und Leistungsbedarf
Stromverbrauch:
Zur Herstellung von 1 Tonne Ferrosilicium werden 8 000-9 000 kWh Strom benötigt, was 60–70 % der Gesamtkosten ausmacht.
Energiequellen: Die meisten liegen in Gebieten mit großen Wasserkraftmengen (z. B. Yunnan, China und Norwegen).
Energiesparende Technologien:
Abwärmerückgewinnung (Nutzung von Abgasen zur Vorwärmung von Rohstoffen).
Geschlossene Elektroöfen reduzieren den Wärmeverlust.
5. Umweltmaßnahmen
Abgasreinigung:
Geschlossene Elektroöfen sammeln CO-Gas (das zur Stromerzeugung verbrannt oder als chemischer Rohstoff verwendet werden kann).
Beutelfilter fangen Staub auf (einschließlich SiO₂-Partikel, die bei der Herstellung von Baustoffen verwendet werden).
Abwasserbehandlung:
Das körnige Ferrosilicium-Abwasser muss aufbereitet werden, um eine Kontamination des Siliciumpulvers zu verhindern.
Entsorgung fester Abfälle:
Die Schlacke kann im Straßenbau oder als Zusatz in Zement verwendet werden.
6. Spezielle Produktionsverfahren
(1) Direkte Methode (einstufige Methode)
Gleichzeitige Reduktion von Siliziumdioxid und Eisen, geeignet für niedrige -- und mittlere Siliziumgehalte (z. B. FeSi45).
Vorteile: einfacher Prozess, geringe Kosten; Nachteile: schlechte Kontrolle von Verunreinigungen.
(2) Indirekte Methode (zweistufige Methode)
Zunächst wird industrielles Silizium hergestellt (Si größer oder gleich 98 %), dann wird es mit Eisen geschmolzen, um Ferrosilizium mit hohem Siliziumgehalt (z. B. FeSi90) herzustellen.
Vorteile: höhere Reinheit; Nachteile: erhöhter Energieverbrauch.
7. Merkmale der Weltproduktion
China:
Es macht mehr als 60 % der weltweiten Produktionskapazität aus und konzentriert sich auf die Wasserkraftregionen im Norden-Westens (Ningxia, Innere Mongolei) und im Süden-Westens (Yunnan).
In den letzten Jahren wurden kleine und veraltete Öfen (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Norwegen/Russland:
Nutzung sauberer Energie (Wasserkraft/Kernenergie) zur Herstellung von Ferrosilicium mit hoher Wertschöpfung (z. B. FeSi75 mit niedrigem Aluminiumgehalt).
8. Technologische Herausforderungen und Innovationen
Ersatz von Rohstoffen: Bemühungen, Koks durch Biomassekohle zu ersetzen, um den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren.
Intelligente Steuerung:
Optimierung der Zutaten und Ofentemperaturen mithilfe künstlicher Intelligenz zur Verbesserung der Energieeffizienz (z. B. Reduzierung des Energieverbrauchs um 5–10 %).
Wasserstoffmetallurgische Tests:
Untersuchung der Möglichkeit, Wasserstoff als teilweisen Ersatz von Kohlenstoffreduzierungsmitteln einzusetzen, um eine umweltfreundliche Produktion zu erreichen (noch im Stadium der Laborforschung).