Los métodos de producción de ferrosilicio se basan principalmente en reacciones de reducción a alta temperatura. El proceso básico es la reducción de sílice (SiO₂) y hierro en un horno eléctrico utilizando un agente reductor carbonoso para producir una aleación de ferrosilicio.
1. Preparación de materias primas.
Sílice (SiO₂):
Requisitos: Contenido de sílice mayor o igual al 97%, bajo contenido de impurezas (por ejemplo, Al₂O₃, CaO) para garantizar la pureza del silicio.
Pretratamiento: trituración en partículas de 5 a 50 mm para mejorar la eficiencia de la reacción.
fuente de hierro:
Normalmente se utilizan chatarra de acero, limaduras de hierro o mineral de hierro (como magnetita).
Papel del hierro: actúa como portador del silicio, reduce la temperatura de reacción y forma una aleación.
Agente reductor carbonoso:
coque (preferido): alto contenido de carbono fijo (Mayor o igual al 80%), bajo contenido de cenizas (Menor o igual al 10%).
Otros: carbón vegetal, coque de petróleo (más caro, para necesidades especiales).
Materias primas auxiliares:
chatarra de acero (para regular la permeabilidad al aire del horno), cal (fundente, para reducir la viscosidad de la escoria).
2. Equipo principal - horno de arco sumergido (horno de arco eléctrico)
Tipo de horno:
Horno de arco sumergido abierto o cerrado, siendo el principal el tipo cerrado (respetuoso con el medio ambiente y con un alto aprovechamiento de energía térmica).
Potencia: normalmente 10-50 MW, productividad de hornos grandes: hasta 100 000 toneladas/año.
Electrodos:
Electrodos autococinables o electrodos de grafito con un diámetro de hasta 1,5 metros, que transmiten energía eléctrica profundamente a la carga del horno.
Diseño de horno:
Revestimiento de material refractario (como ladrillo de carbono, ladrillo de magnesia), resistente a altas temperaturas (1800-2000 grados).
3. Proceso de producción
(1) Dosificación y carga
Mezcle sílice, hierro, coque y materias primas auxiliares en proporción (por ejemplo, sílice: coque≈3:1).
Carga en capas: coque en la parte inferior, una mezcla de sílice y fuente de hierro en la parte superior, para mantener la permeabilidad al aire en el horno.
(2) Reacción de reducción a alta temperatura
Temperatura de reacción: 1600~2000 grados, energía suministrada por arco eléctrico y calentamiento por resistencia.
Reacciones químicas básicas:
SiO2+2C→Si+2CO ↑ (reacción principal) FeO+C→Fe+CO ↑ (reducción de fuente de hierro).
Reacciones adversas: Se forman pequeñas cantidades de productos intermedios como SiC y FeSi₂. Se debe controlar la temperatura del horno para evitar una carbonatación excesiva.
(3) Fusión y delaminación
El silicio reducido y el hierro forman una aleación fundida (densidad de unos 5,2 g/cm³) que desciende al fondo del horno.
La escoria (que consiste principalmente en CaO-SiO₂-Al₂O₃) flota hasta la superficie y se descarga periódicamente.
(4) Vertido y fundición
El ferrosilicio fundido ingresa al cucharón a través del orificio de salida.
Se vierte en lingotes o se granula (se utiliza enfriamiento en agua para obtener ferrosilicio granulado).
(5) Refinación (opcional)
Purga de oxígeno/argón: reduce el contenido de impurezas como aluminio y calcio, lo que permite la producción de ferrosilicio con bajo contenido de aluminio (por ejemplo, grados especiales para la reducción de magnesio metálico).
Agregar un agente formador de escoria: mayor separación de impurezas.
4. Consumo de energía y requisitos de energía.
Consumo de electricidad:
Para producir 1 tonelada de ferrosilicio, se requieren 8 000-9 000 kWh de electricidad, lo que representa entre el 60 y el 70 % del coste total.
Fuentes de energía: La mayoría están ubicadas en áreas con grandes cantidades de energía hidroeléctrica (por ejemplo, Yunnan, China y Noruega).
Tecnologías de ahorro de energía.:
Recuperación de calor residual (utilización de gases de escape para precalentar materias primas).
Los hornos eléctricos de tipo cerrado reducen la pérdida de calor.
5. Medidas medioambientales
Limpieza de gases de escape:
Los hornos eléctricos cerrados recolectan gas CO (que puede quemarse para generar electricidad o usarse como materia prima química).
Los filtros de bolsa capturan el polvo (incluidas las partículas de SiO₂, que se utilizan en la producción de materiales de construcción).
Tratamiento de aguas residuales:
El agua residual de ferrosilicio granular debe tratarse para evitar la contaminación del polvo de silicio.
Eliminación de residuos sólidos:
La escoria se puede utilizar para la construcción de carreteras o como aditivo en el cemento.
6. Procesos de producción especiales
(1) Método directo (método de un solo paso)
Reducción simultánea de sílice y hierro, adecuada para grados de silicio bajos- y medios (por ejemplo, FeSi45).
Ventajas: proceso simple, bajo costo; desventajas: mal control de impurezas.
(2) Método indirecto (método de dos pasos)
Primero se produce silicio industrial (Si mayor o igual al 98%), luego se funde con hierro para producir ferrosilicio con alto contenido de silicio (por ejemplo, FeSi90).
Ventajas: mayor pureza; desventajas: mayor consumo de energía.
7. Características de la producción mundial.
Porcelana:
representa más del 60% de la capacidad de producción mundial, concentrada en las regiones hidroeléctricas del noroeste (Ningxia, Mongolia Interior) y del suroeste (Yunnan).
En los últimos años, las estufas pequeñas y obsoletas (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
Noruega/Rusia:
uso de energía limpia (energía hidroeléctrica/energía nuclear) para la producción de ferrosilicio de alto valor añadido (por ejemplo, FeSi75 con bajo contenido de aluminio).
8. Retos e innovaciones tecnológicas
Reemplazo de materias primas: Esfuerzos para reemplazar el coque con carbón de biomasa para reducir las emisiones de carbono.
Control inteligente:
Optimizar los ingredientes y las temperaturas del horno utilizando inteligencia artificial para mejorar la eficiencia energética (por ejemplo, reducir el consumo de energía entre un 5 y un 10%).
Pruebas de metalurgia del hidrógeno.:
Estudiar la posibilidad de utilizar hidrógeno para sustituir parcialmente los agentes reductores de carbono con el fin de lograr una producción respetuosa con el medio ambiente (aún en fase de investigación de laboratorio).