שיטת ייצור פרוסיליקון

שיטות ייצור פרוסיליקון מבוססות בעיקר על תגובות הפחתת טמפרטורה גבוהה. התהליך הבסיסי הוא הפחתת סיליקה (SiO₂) וברזל בכבשן חשמלי תוך שימוש בחומר מפחית פחמן לייצור סגסוגת פרוסיליקון.

1. הכנת חומרי גלם

סיליקה (SiO₂):

דרישות: תכולת סיליקה גדולה או שווה ל-97%, תכולת זיהומים נמוכה (למשל Al₂O₃, CaO) כדי להבטיח טוהר הסיליקון.

טיפול מקדים: ריסוק עד 5-50 מ"מ חלקיקים לשיפור יעילות התגובה.

מקור ברזל:

בדרך כלל משתמשים בגרוטאות פלדה, סיבי ברזל או עפרות ברזל (כגון מגנטיט).

תפקיד הברזל: פועל כנשא לסיליקון, מוריד את טמפרטורת התגובה ויוצר סגסוגת.

חומר מפחית פחמימות:

קולה (מועדף): תכולת פחמן קבועה גבוהה (יותר מ-80%), תכולת אפר נמוכה (פחות או שווה ל-10%).

אחרים: פחם, קולה נפט (יקר יותר, לדרישות מיוחדות).

חומרי גלם נלווים:

גרוטאות פלדה (כדי לווסת את חדירות האוויר של התנור), סיד (שטף, כדי להפחית את צמיגות הסיגים).

2. ציוד ראשי - תנור קשת שקוע (תנור קשת חשמלי)

סוג תנור:

תנור קשת שקוע פתוח או סגור, כאשר הסוג הסגור הוא העיקרי (ידידותי לסביבה ועם רמה גבוהה של שימוש באנרגיה תרמית).

הספק: בדרך כלל 10-50 MW, פרודוקטיביות של תנורים גדולים - עד 100 000 טון לשנה.

אלקטרודות:

אלקטרודות לאפייה עצמית או אלקטרודות גרפיט בקוטר של עד 1.5 מטר, המעבירות אנרגיה חשמלית עמוק לתוך מטען התנור.

עיצוב תנור:

בטנה עשויה מחומר עקשן (כגון לבני פחמן, לבני מגנזיה), עמידה לטמפרטורות גבוהות (1800-2000 מעלות).

3. תהליך ייצור

(1) מינון וטעינה

מערבבים סיליקה, ברזל, קוק וחומרי גלם נלווים בפרופורציה (לדוגמה, סיליקה: קולה≈3:1).

העמסה שכבתית: קוקה בתחתית, תערובת סיליקה ומקור ברזל בחלק העליון, לשמירה על חדירות אוויר בכבשן.

(2) תגובה להפחתת טמפרטורה גבוהה

טמפרטורת תגובה: 1600 ~ 2000 מעלות, אנרגיה מסופקת על ידי קשת חשמלית וחימום התנגדות.

תגובות כימיות בסיסיות:
SiO2+2C→Si+2CO↑ (תגובה עיקרית) FeO+C→Fe+CO↑ (הפחתת מקור הברזל).

תגובות שליליות: נוצרות כמויות קטנות של מוצרי ביניים כגון SiC ו-FeSi₂. יש לפקח על טמפרטורת התנור כדי למנוע גז מוגזם.

(3) התכה ודלמינציה

הסיליקון והברזל המופחתים יוצרים סגסוגת מותכת (צפיפות של כ-5.2 גרם/ס"מ³), השוקעת לתחתית הכבשן.

הסיגים (המורכבים בעיקר מ-CaO-SiO₂-Al₂O₃) צף למעלה ונפלט באופן קבוע.

(4) יציקה ויציקה

סיליקון ברזל מותך נכנס למצקת דרך חור היציאה.

הוא יצוק למטילים או מגורען (המרווה במים משמש להשגת פרוסיליקון מגורען).

(5) זיקוק (אופציונלי)

טיהור חמצן/ארגון: מפחית את תכולת הזיהומים כגון אלומיניום וסידן, מה שמאפשר ייצור של פרוסיליקון דל אלומיניום (לדוגמה, דרגות מיוחדות להפחתת מתכת מגנזיום).

הוספת חומר ליצירת סיגים: הפרדה נוספת של זיהומים.

4. צריכת אנרגיה ודרישות הספק

צריכת חשמל:

כדי לייצר טון אחד של פרוסיליקון, נדרשים 8 000-9 000 קוט"ש חשמל, שהם 60-70% מסך העלויות.

מקורות אנרגיה: רובם ממוקמים באזורים עם כמויות גדולות של כוח הידרואלקטרי (למשל יונאן, סין ונורבגיה).

טכנולוגיות חיסכון באנרגיה:

שחזור חום פסולת (שימוש בגזי פליטה לחימום מוקדם של חומרי גלם).

תנורים חשמליים מסוג סגור מפחיתים את איבוד החום.

5. אמצעים סביבתיים

ניקוי גז פליטה:

תנורים חשמליים סגורים אוספים גז CO (שניתן לשרוף אותו להפקת חשמל או להשתמש בו כחומר הזנה כימי).

מסנני שקיות לוכדים אבק (כולל חלקיקי SiO₂, המשמשים לייצור חומרי בניין).

טיפול בשפכים:

יש לטפל במי שפכי הברוזיליקון הגרגירים כדי למנוע זיהום של אבקת הסיליקון.

פינוי פסולת מוצקה:

הסיגים יכולים לשמש לסלילת כבישים או כתוסף במלט.

6. תהליכי ייצור מיוחדים

(1) שיטה ישירה (שיטת שלב אחד)

הפחתה בו-זמנית של סיליקה וברזל, מתאימה לדרגות סיליקון נמוכות- ובינוניות (למשל FeSi45).

יתרונות: תהליך פשוט, עלות נמוכה; חסרונות: שליטה לקויה בזיהומים.

(2) שיטה עקיפה (שיטה דו-שלבית)

ראשית, מיוצר סיליקון תעשייתי (Si גדול או שווה ל-98%), ואז הוא מותך עם ברזל כדי לייצר סיליקון פרוסיליקון עתיר סיליקון (לדוגמה, FeSi90).

יתרונות: טוהר גבוה יותר; חסרונות: צריכת אנרגיה מוגברת.

7. מאפייני הייצור העולמי

סִין:

היא מהווה יותר מ-60% מכושר הייצור של העולם, מרוכזת באזורי אנרגיה הידרומית של צפון-מערב (נינגשיה, מונגוליה הפנימית) ודרום-מערב (יונאן).

בשנים האחרונות תנורים קטנים ומיושנים (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».

נורבגיה/רוסיה:

שימוש באנרגיה נקייה (כוח הידרואלקטרי/אנרגיה גרעינית) לייצור פרוסיליקון בעל ערך מוסף גבוה (למשל FeSi75 בעל רמת אלומיניום נמוכה).

8. אתגרים וחידושים טכנולוגיים

החלפת חומרי גלם: מאמצים להחליף קולה בפחם ביומסה כדי להפחית את פליטת הפחמן.

שליטה חכמה:

אופטימיזציה של מרכיבים וטמפרטורות התנור באמצעות בינה מלאכותית לשיפור יעילות האנרגיה (למשל, הפחתת צריכת האנרגיה ב-5-10%).

בדיקות מתכות מימן:

לימוד האפשרות להשתמש במימן להחלפה חלקית של חומרים מפחיתי פחמן על מנת להגיע לייצור ידידותי לסביבה (עדיין בשלב מחקר המעבדה).