फेरोसिलिकॉन उत्पादन विधियाँ मुख्य रूप से उच्च तापमान में कमी प्रतिक्रियाओं पर आधारित हैं। मूल प्रक्रिया फेरोसिलिकॉन मिश्र धातु का उत्पादन करने के लिए कार्बनयुक्त कम करने वाले एजेंट का उपयोग करके विद्युत भट्टी में सिलिका (SiO₂) और लोहे की कमी है।
1. कच्चे माल की तैयारी
सिलिका (SiO₂):
आवश्यकताएँ: सिलिकॉन शुद्धता सुनिश्चित करने के लिए सिलिका सामग्री 97% से अधिक या उसके बराबर, कम अशुद्धता सामग्री (उदाहरण के लिए Al₂O₃, CaO)।
पूर्व-उपचार: प्रतिक्रिया दक्षता में सुधार के लिए 5-50 मिमी कणों को कुचलना।
लोहे का स्रोत:
आमतौर पर स्क्रैप स्टील, लोहे का बुरादा या लौह अयस्क (जैसे मैग्नेटाइट) का उपयोग किया जाता है।
लोहे की भूमिका: सिलिकॉन के लिए वाहक के रूप में कार्य करता है, प्रतिक्रिया तापमान को कम करता है और एक मिश्र धातु बनाता है।
कार्बोनेसियस कम करने वाला एजेंट:
कोक (पसंदीदा): उच्च स्थिर कार्बन सामग्री (80% से अधिक या उसके बराबर), कम राख सामग्री (10% से कम या उसके बराबर)।
अन्य: चारकोल, पेट्रोलियम कोक (अधिक महंगा, विशेष आवश्यकताओं के लिए)।
सहायक कच्चा माल:
स्क्रैप स्टील (भट्ठी की वायु पारगम्यता को विनियमित करने के लिए), चूना (फ्लक्स, स्लैग की चिपचिपाहट को कम करने के लिए)।
2. मुख्य उपकरण - जलमग्न आर्क भट्टी (इलेक्ट्रिक आर्क भट्टी)
ओवन का प्रकार:
खुली या बंद जलमग्न चाप भट्टी, जिसमें बंद प्रकार मुख्य है (पर्यावरण के अनुकूल और उच्च स्तर की तापीय ऊर्जा उपयोग के साथ)।
शक्ति: आमतौर पर 10-50 मेगावाट, बड़ी भट्टियों की उत्पादकता - 100 000 टन/वर्ष तक।
इलेक्ट्रोड:
1.5 मीटर तक के व्यास वाले सेल्फ-बेकिंग इलेक्ट्रोड या ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड, जो विद्युत ऊर्जा को भट्टी चार्ज में गहराई तक संचारित करते हैं।
फर्नेस डिजाइन:
आग रोक सामग्री (जैसे कार्बन ईंट, मैग्नेशिया ईंट) से बना अस्तर, उच्च तापमान (1800-2000 डिग्री) के लिए प्रतिरोधी।
3. उत्पादन प्रक्रिया
(1) खुराक देना और लोड करना
सिलिका, लोहा, कोक और सहायक कच्चे माल को अनुपात में मिलाएं (उदाहरण के लिए, सिलिका: कोक≈3:1)।
स्तरित लोडिंग: भट्टी में हवा की पारगम्यता बनाए रखने के लिए सबसे नीचे कोक, शीर्ष पर सिलिका और लौह स्रोत का मिश्रण होता है।
(2) उच्च ताप न्यूनीकरण अभिक्रिया
प्रतिक्रिया तापमान: 1600~2000 डिग्री, इलेक्ट्रिक आर्क और प्रतिरोध हीटिंग द्वारा आपूर्ति की गई ऊर्जा।
बुनियादी रासायनिक प्रतिक्रियाएँ:
SiO+C→Fe+CO↑ (लौह स्रोत की कमी)
विपरित प्रतिक्रियाएं: छोटी मात्रा में मध्यवर्ती उत्पाद जैसे SiC और FeSi₂ बनते हैं। अत्यधिक कार्बोनेशन को रोकने के लिए ओवन का तापमान नियंत्रित किया जाना चाहिए।
(3) पिघलना और प्रदूषण
कम सिलिकॉन और लोहा एक पिघला हुआ मिश्र धातु (घनत्व लगभग 5.2 ग्राम/सेमी³) बनाते हैं, जो भट्टी के नीचे तक डूब जाता है।
स्लैग (मुख्य रूप से CaO-SiO₂-Al₂O₃ से युक्त) शीर्ष पर तैरता है और नियमित रूप से उत्सर्जित होता है।
(4) डालना और ढालना
पिघला हुआ फेरोसिलिकॉन आउटलेट छेद के माध्यम से करछुल में प्रवेश करता है।
इसे सिल्लियों में ढाला जाता है या दानेदार बनाया जाता है (पानी में बुझाने का उपयोग दानेदार फेरोसिलिकॉन प्राप्त करने के लिए किया जाता है)।
(5) शोधन (वैकल्पिक)
ऑक्सीजन/आर्गन शुद्धिकरण: एल्यूमीनियम और कैल्शियम जैसी अशुद्धियों की मात्रा को कम करता है, जो कम-एल्यूमीनियम फेरोसिलिकॉन (उदाहरण के लिए, मैग्नीशियम धातु की कमी के लिए विशेष ग्रेड) के उत्पादन की अनुमति देता है।
स्लैग बनाने वाला एजेंट जोड़ना: अशुद्धियों को और अलग करना।
4. ऊर्जा की खपत और बिजली की आवश्यकताएँ
बिजली की खपत:
1 टन फेरोसिलिकॉन का उत्पादन करने के लिए, 8 000-9 000 kWh बिजली की आवश्यकता होती है, जो कुल लागत का 60-70% है।
ऊर्जा स्रोत: अधिकांश बड़ी मात्रा में जलविद्युत ऊर्जा वाले क्षेत्रों में स्थित हैं (जैसे युन्नान, चीन और नॉर्वे)।
ऊर्जा बचत प्रौद्योगिकियाँ:
अपशिष्ट ताप पुनर्प्राप्ति (कच्चे माल को पहले से गर्म करने के लिए निकास गैसों का उपयोग करना)।
बंद प्रकार की विद्युत भट्टियाँ गर्मी के नुकसान को कम करती हैं।
5. पर्यावरणीय उपाय
निकास गैस की सफाई:
संलग्न विद्युत भट्टियाँ CO गैस एकत्र करती हैं (जिसे बिजली उत्पन्न करने के लिए जलाया जा सकता है या रासायनिक फीडस्टॉक के रूप में उपयोग किया जा सकता है)।
बैग फिल्टर धूल (SiO₂ कणों सहित, जो निर्माण सामग्री के उत्पादन में उपयोग किए जाते हैं) को पकड़ते हैं।
व्यर्थ पानी का उपचार:
सिलिकॉन पाउडर के संदूषण को रोकने के लिए दानेदार फेरोसिलिकॉन अपशिष्ट जल का उपचार किया जाना आवश्यक है।
ठोस अपशिष्ट निपटान:
स्लैग का उपयोग सड़क निर्माण या सीमेंट में एक योज्य के रूप में किया जा सकता है।
6. विशेष उत्पादन प्रक्रियाएँ
(1) प्रत्यक्ष विधि (एक-चरणीय विधि)
सिलिका और आयरन की एक साथ कमी, निम्न - और मध्यम-सिलिकॉन ग्रेड (जैसे FeSi45) के लिए उपयुक्त।
लाभ: सरल प्रक्रिया, कम लागत; नुकसान: अशुद्धियों पर खराब नियंत्रण।
(2) अप्रत्यक्ष विधि (दो चरणीय विधि)
सबसे पहले, औद्योगिक सिलिकॉन का उत्पादन किया जाता है (Si 98% से अधिक या उसके बराबर), फिर इसे उच्च-सिलिकॉन फेरोसिलिकॉन (उदाहरण के लिए, FeSi90) का उत्पादन करने के लिए लोहे के साथ पिघलाया जाता है।
लाभ: उच्च शुद्धता; नुकसान: ऊर्जा की खपत में वृद्धि.
7. विश्व उत्पादन की विशेषताएँ
चीन:
यह दुनिया की 60% से अधिक उत्पादन क्षमता का हिस्सा है, जो उत्तर{1}पश्चिम (निंग्ज़िया, इनर मंगोलिया) और दक्षिण{2}}पश्चिम (युन्नान) के जलविद्युत क्षेत्रों में केंद्रित है।
हाल के वर्षों में, छोटे और पुराने स्टोव (<25000 кВА) были выведены из эксплуатации из-за влияния политики «двойного углерода».
नॉर्वे/रूस:
उच्च मूल्य वर्धित फेरोसिलिकॉन (जैसे कम-एल्यूमीनियम FeSi75) के उत्पादन के लिए स्वच्छ ऊर्जा (पनबिजली/परमाणु ऊर्जा) का उपयोग।
8. तकनीकी चुनौतियाँ और नवाचार
कच्चे माल का प्रतिस्थापन: कार्बन उत्सर्जन को कम करने के लिए कोक के स्थान पर बायोमास कोयले का उपयोग करने का प्रयास।
बुद्धिमान नियंत्रण:
ऊर्जा दक्षता में सुधार के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उपयोग करके सामग्री और ओवन के तापमान को अनुकूलित करना (उदाहरण के लिए, ऊर्जा की खपत को 5-10% तक कम करना)।
हाइड्रोजन धातुकर्म परीक्षण:
पर्यावरण के अनुकूल उत्पादन प्राप्त करने के लिए कार्बन कम करने वाले एजेंटों को आंशिक रूप से बदलने के लिए हाइड्रोजन का उपयोग करने की संभावना का अध्ययन (अभी भी प्रयोगशाला अनुसंधान के चरण में)।