طريقة إنتاج الفيروسيليكون

تعتمد طرق إنتاج الفيروسيليكون بشكل أساسي على تفاعلات تخفيض درجات الحرارة العالية. العملية الأساسية هي اختزال السيليكا (SiO₂) والحديد في فرن كهربائي باستخدام عامل اختزال كربوني لإنتاج سبيكة الفيروسيليكون.

1. تحضير المواد الخام

السيليكا (SiO₂):

المتطلبات: محتوى السيليكا أكبر من أو يساوي 97%، محتوى منخفض الشوائب (مثل Al₂O₃، CaO) لضمان نقاء السيليكون.

المعالجة المسبقة: التكسير إلى جزيئات 5-50 مم لتحسين كفاءة التفاعل.

مصدر الحديد:

عادةً ما يتم استخدام خردة الفولاذ أو برادة الحديد أو خام الحديد (مثل المغنتيت).

دور الحديد: يعمل كحامل للسيليكون، ويخفض درجة حرارة التفاعل ويشكل سبيكة.

عامل اختزال كربوني:

فحم الكوك (المفضل): محتوى كربون ثابت عالي (أكبر من أو يساوي 80%)، محتوى منخفض من الرماد (أقل من أو يساوي 10%).

أخرى: الفحم، وفحم الكوك (أكثر تكلفة، لمتطلبات خاصة).

المواد الخام المساعدة:

خردة الفولاذ (لتنظيم نفاذية هواء الفرن)، الجير (التدفق، لتقليل لزوجة الخبث).

2. المعدات الرئيسية - فرن القوس المغمور (فرن القوس الكهربائي)

نوع الفرن:

فرن القوس المغمور المفتوح أو المغلق، مع كون النوع المغلق هو النوع الرئيسي (صديق للبيئة وذو مستوى عالٍ من استخدام الطاقة الحرارية).

الطاقة: عادة 10-50 ميجاوات، إنتاجية الأفران الكبيرة - تصل إلى 100 000 طن/سنة.

أقطاب كهربائية:

أقطاب الخبز الذاتي أو أقطاب الجرافيت التي يصل قطرها إلى 1.5 متر، والتي تنقل الطاقة الكهربائية إلى عمق شحنة الفرن.

تصميم الفرن:

البطانة مصنوعة من مادة مقاومة للحرارة (مثل طوب الكربون، طوب المغنيسيا)، مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة (1800-2000 درجة).

3. عملية الإنتاج

(1) الجرعات والتحميل

قم بخلط السيليكا والحديد وفحم الكوك والمواد الخام المساعدة بالتناسب (على سبيل المثال، السيليكا: فحم الكوك≈3:1).

التحميل الطبقي: فحم الكوك في الأسفل، خليط من السيليكا ومصدر الحديد في الأعلى، للحفاظ على نفاذية الهواء في الفرن.

(2) رد فعل تخفيض درجة الحرارة العالية

درجة حرارة التفاعل: 1600 ~ 2000 درجة، الطاقة التي يتم توفيرها عن طريق القوس الكهربائي والتدفئة المقاومة.

التفاعلات الكيميائية الأساسية:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (التفاعل الرئيسي) FeO+C→Fe+CO↑ (اختزال مصدر الحديد).

ردود الفعل السلبية: يتم تكوين كميات صغيرة من المنتجات الوسيطة مثل SiC وFeSi₂. يجب التحكم في درجة حرارة الفرن لمنع الكربنة المفرطة.

(3) الذوبان والتصفيح

يشكل السيليكون والحديد المختزلان سبيكة منصهرة (كثافتها حوالي 5.2 جم/سم مكعب)، والتي تغوص في قاع الفرن.

يطفو الخبث (الذي يتكون بشكل أساسي من CaO-SiO₂-Al₂O₃) إلى الأعلى ويتم تفريغه بانتظام.

(٤) الصب والصب

يدخل الفيروسيليكون المنصهر إلى المغرفة من خلال فتحة المخرج.

يتم صبها في سبائك أو حبيبات (يتم استخدام التبريد في الماء للحصول على فيروسيليكون محبب).

(5) التكرير (اختياري)

تطهير الأكسجين / الأرجون: يقلل من محتوى الشوائب مثل الألومنيوم والكالسيوم، مما يسمح بإنتاج الفيروسيليكون منخفض الألومنيوم (على سبيل المثال، درجات خاصة لاختزال معدن المغنيسيوم).

إضافة عامل تشكيل الخبث: مزيد من فصل الشوائب.

4. استهلاك الطاقة ومتطلبات الطاقة

استهلاك الكهرباء:

لإنتاج 1 طن من الفيروسيليكون، يلزم 8 000-9 000 كيلووات ساعة من الكهرباء، وهو ما يمثل 60-70% من إجمالي التكاليف.

مصادر الطاقة: يقع معظمها في مناطق ذات كميات كبيرة من الطاقة الكهرومائية (مثل يونان والصين والنرويج).

تقنيات توفير الطاقة:

استعادة الحرارة المهدرة (باستخدام غازات العادم لتسخين المواد الخام).

الأفران الكهربائية المغلقة تقلل من فقدان الحرارة.

5. التدابير البيئية

تنظيف غاز العادم:

تجمع الأفران الكهربائية المغلقة غاز ثاني أكسيد الكربون (الذي يمكن حرقه لتوليد الكهرباء أو استخدامه كمادة خام كيميائية).

تقوم مرشحات الأكياس بالتقاط الغبار (بما في ذلك جزيئات SiO₂، التي تستخدم في إنتاج مواد البناء).

معالجة مياه الصرف الصحي:

تحتاج مياه الصرف الصحي المصنوعة من الفيروسيليكون الحبيبي إلى المعالجة لمنع تلوث مسحوق السيليكون.

التخلص من النفايات الصلبة:

يمكن استخدام الخبث لبناء الطرق أو كمادة مضافة للأسمنت.

6. عمليات الإنتاج الخاصة

(1) الطريقة المباشرة (طريقة الخطوة الواحدة)

التخفيض المتزامن للسيليكا والحديد، مناسب لدرجات السيليكون المنخفضة - والمتوسطة (على سبيل المثال FeSi45).

المزايا: عملية بسيطة، منخفضة التكلفة؛ العيوب: ضعف السيطرة على الشوائب.

(2) الطريقة غير المباشرة (طريقة من خطوتين)

أولاً، يتم إنتاج السيليكون الصناعي (Si أكبر من أو يساوي 98%)، ثم يتم صهره مع الحديد لإنتاج الفيروسيليكون عالي السيليكون (على سبيل المثال، FeSi90).

المزايا: نقاء أعلى؛ العيوب: زيادة استهلاك الطاقة.

7. خصائص الإنتاج العالمي

الصين:

فهي تمثل أكثر من 60% من الطاقة الإنتاجية العالمية، وتتركز في مناطق الطاقة الكهرومائية في الشمال-الغرب (نينغشيا ومنغوليا الداخلية) والجنوب-الغرب (يونان).

في السنوات الأخيرة، مواقد صغيرة وعفا عليها الزمن (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».

النرويج/روسيا:

استخدام الطاقة النظيفة (الطاقة الكهرومائية/الطاقة النووية) لإنتاج الفيروسيليكون ذي القيمة المضافة العالية (مثل FeSi75 منخفض الألومنيوم).

8. التحديات والابتكارات التكنولوجية

استبدال المواد الخام: الجهود المبذولة لاستبدال فحم الكوك بفحم الكتلة الحيوية للحد من انبعاثات الكربون.

التحكم الذكي:

تحسين المكونات ودرجات حرارة الفرن باستخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين كفاءة الطاقة (على سبيل المثال، تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 5-10%).

اختبارات تعدين الهيدروجين:

دراسة إمكانية استخدام الهيدروجين ليحل محل عوامل اختزال الكربون جزئياً لتحقيق إنتاج صديق للبيئة (لا يزال في مرحلة البحث المختبري).