Producción industrial de ferro-silicio (Fe‑Si): proceso, calidades y aplicaciones

Producción de ferro-silicio

El ferro-silicio (Fe-Si) es una ferro-aleación con hierro (Fe) y silicio (Si) como elementos principales. Contiene normalmente 15-90% Si. Contenidos habituales en mercado: 15%, 45%, 65%, 75% y 90%. El resto es Fe, con ~2% otros elementos (Al, Ca).

Fe-Si se produce industrialmente por reducción carbotérmica de dióxido de silicio (SiO₂) con carbono (C) en presencia de mineral de hierro, chatarra, escama de laminación u otra fuente de Fe. La fundición es proceso continuo en horno de arco sumergido eléctrico (SAF) con electrodos auto-panificables.

Fe-Si (calidades típicas 65%, 75%, 90% Si) se usa principalmente en acería y fundiciones para aceros al carbono, inoxidables como desoxidante y aleación de acero y fundición. También para acero al silicio (acero eléctrico). En producción fundición, Fe-Si inocula hierro para acelerar grafitización. En soldadura por arco, Fe-Si en algunos recubrimientos electrodos.

Reacción ideal: SiO₂ + 2C = Si + 2CO. Pero reacción real es compleja por diferentes zonas temperatura en SAF. Gas en zona más caliente tiene alto contenido de monóxido de silicio (SiO) que debe recuperarse en capas externas de carga para alta recuperación Si. Reacciones recuperación en capas externas calientan carga a muy alta temperatura creando carga pegajosa que no fluye fácil a zona caliente. Gas salida horno contiene polvo SiO₂ recuperable. Formación Si líquido pasa por varias reacciones intermedias. Tres características principales:

• Gas en zona más caliente SAF tiene alto contenido gas con Si, requerido recuperar en capas externas para alta recuperación Si.
• Reacciones recuperación Si en capas externas calientan carga a muy alta temperatura creando carga pegajosa que no fluye fácil a zona caliente.
• Gas horno contiene cantidades significativas polvo SiO₂.

Esquema flujo producción Fe-Si en Fig 1.

Fig 1 Esquema flujo proceso producción Fe-Si

Materias primas

Fe-Si se produce fundiendo materiales con Fe y Si usualmente en SAF. Fe: mineral hierro, chatarra acero, escama laminación. Si: normalmente cuarcita en trozos. Combinados con material carbonoso (carbón o coque petróleo) y agente voluminizador (astillas madera). Cuarcita es fuente Si en proceso carbotérmico. Pureza cuarcitas suele ser menor que otros yacimientos cuarzo pero normalmente apta para Fe-Si.

"Furnaceability" (aptitud para horno) es término industrial internacional común para cuarcita. Cuarcita tiene buena furnaceability cuando todos sus criterios químicos y físicos la hacen materia prima sílice apropiada para Fe-Si con alto Si a altas tasas rendimiento. Requisitos absolutos calidad cuarcita para optimizar proceso: (i) química, (ii) tamaño material (típico 10-150 mm), (iii) resistencia mecánica, (iv) resistencia térmica, (v) propiedades ablandamiento.

Química y tamaño son especificaciones más usadas por productores Fe-Si. Requisitos química: contenido elementos impureza especialmente Al, Ca, Ti, B, P. Normalmente, elementos más nobles que Si (ej. Al, Ca) van a producto; volátiles a gas salida. Pero reacciones en horno más complejas; distribución elementos en materias primas determina dónde van. Algunos elementos, especialmente álcalis (Na, K) pueden bajar punto fusión cuarcita. Generalmente, requisitos materias primas conectados a requisitos productos. Producción Fe-Si suele permitir mayores contenidos elementos difíciles.

Tamaño puede variar entre plantas: 10-150 mm. Algunos productores especifican rangos más estrechos. Algunos miden resistencia mecánica y térmica, aunque no suelen incluirse en especificaciones proveedor. Algunos se centran en propiedades ablandamiento. Requisitos adicionales definidos por productor según operación óptima.

Propiedades mecánicas cuarcita afectan reducción tamaño durante producción mina, transporte y almacenamiento antes carga. Finos generados crean problemas: bajan permeabilidad carga y obstruyen flujo gas desde partes inferiores a superiores donde gas SiO reacciona con C no reaccionado formando SiC, reacción importante. Pérdida gas SiO por canales salida y menor recuperación Si por baja permeabilidad.

Finos definidos por dos criterios: (1) material <2 mm, más crítico; baja permeabilidad. (2) material tamaño trozo bajo especificación (ej. -10 mm). Propiedades termo-mecánicas: generación finos dentro horno; malas propiedades causan desintegración cuarcita por calor extremo. Idealmente, cuarcita mantiene tamaño original al bajar por carga hasta ablandarse y fundirse en partes bajas cerca pared cavidad.

Aunque cuarcita se desintegra algo, no debe pulverizarse generando excesivos finos que bajen permeabilidad. En casos extremos, efecto "popping": fragmentos lanzados al aire. Cuarcita baja estabilidad térmica que se desintegra en carga también contribuye a formación escoria.

Propiedades ablandamiento: otro lado termo-mecánico. Temperatura o intervalo ablandamiento: donde cuarcita empieza a fundir. Menor que punto fusión 1723 °C. Temperatura ablandamiento debe ser lo más cercana a fusión para proceso ideal: cuarcita baja a paredes cavidad antes de fundir y gotas cuarcita fundida gotean a cavidad donde ocurren reacciones formación Si. Elementos álcalis (y en menor medida alcalinotérreos) afectan temperatura fusión. Cuarcita que ablanda/funde demasiado arriba en horno crea masa pegajosa que aglomera con otras partículas, se vuelve conductora eléctricamente, altera caminos eléctricos y reduce potencia arco.

Horno de arco sumergido para producción Fe-Si

Fe-Si grado comercial 15% Si generalmente se produce en alto horno (BF) revestido ladrillos refractarios ácidos. Fe-Si con mayor Si se produce normalmente en SAF. Tamaño SAF se da en carga eléctrica: 1-2 MVA a >40 MVA. Típicos: hasta 10 m diámetro, 3,5 m profundidad. Energía eléctrica trifásica AC por tres electrodos sumergidos profundo en carga. Consumo específico típico: 9-10 MWh/t Fe-Si (75% Si). Para operar eficientemente y reducir coste fijo unitario, SAF debe funcionar continuo 24h/día.

Calor necesario para reacciones endotérmicas reducción SiO₂ generado directo en carga SAF por calentamiento resistivo (flujo corriente) y calentamiento por arco (quema en cámaras gas cerca puntas electrodos). Estructura interna y distribución temperatura zonas reacción relacionadas con proporciones calor generado por resistencia y arco. Elemento estructural clave: electrodos "Soderberg" auto-panificables sumergidos en carga que aportan electricidad. Quema arco y condiciones temperatura zonas reacción relacionadas con posición puntas electrodos. Corriente calienta parte carga a ~2000 °C en zona más caliente. A esta temperatura SiO₂ reducido a Si fundido.

Distribución temperatura zonas no sujeta a mediciones directas, pero para condiciones eléctricas y temperatura correctas es necesario deslizar electrodos sistemáticamente. Posición óptima electrodos minimiza indicadores económicos. En operación buena y estable, en zonas reacción hay condiciones para evolución continua nuevos productos reducción SiO₂. Proceso cíclico asociado a fusión y penetración periódica SiO₂ líquido en cámaras arco.

SAF tiene campana en parte superior que dirige gases calientes por chimenea a sistema limpieza gas. Materias primas (cuarcita, materiales Fe, materiales C) transportadas en cintas y almacenadas separadas en tolvas diarias. Materiales en forma lote mezcla (cuarcita, reductores C, portadores Fe) pesados, combinados proporciones requeridas, mezclados y cargados al horno por tubos carga. Tubos ubicados con salidas hacia electrodos. Número tubos alrededor electrodos varía. Material cargado a nivel suelo exterior rodeado por campana con compuertas estocaje en secciones abiertas durante estocaje.

Proceso producción Fe-Si

Materias primas cargadas desde tope. Electricidad alta corriente, bajo voltaje entregada por transformador al horno por electrodos C. Proceso muy intensivo energía: ~9.000-10.000 kWh/t Fe-Si 75%.

SAF para Fe-Si opera en ciclos con estocaje, carga y vaciado como operaciones principales. Durante estocaje, costra fina tope carga se rompe y carga vieja empujada hacia electrodo. Nueva carga puesta sobre antigua.

Ciclo estocaje-carga es ciclo operacional. Estocaje por máquina especial con vara estocaje montada frontalmente. Carga desigual distribuida por máquina por compuerta estocaje. Material viejo en superficie distribuido hacia electrodos donde se formaron depresiones alrededor electrodos por zona reacción caliente en cavidad.

En horno, carga calentada a ~1815 °C. A esa temperatura, cuarcita combina con C reductores formando gas CO y liberando Si, que forma aleación con Fe fundido. Fe-Si fundido acumula en fondo. Contenido trazas materias primas (incluyendo cuarcita, reductores, electrodos) pasa a producto.

Periódicamente, a intervalos regulares, ferro-aleación líquida vaciada a cuchara por orificios vaciado en revestimiento. Orificios en transición entre revestimiento lateral y fondo. Número varía. Orificio abierto mecánicamente y cerrado con arcilla especial.

Gases salida pasan por planta limpieza gas para eliminación polvo (principalmente SiO₂ amorfo condensado). Polvo usado como relleno en hormigón, cerámica, refractarios, caucho, etc. Horno produce ~0,2-0,4 t polvo SiO₂/t ferro-aleación. Gas limpio: principalmente CO, SO₂, CO₂, NOx. Calor gases recuperable en sistema recuperación calor residual.

Las reacciones

Proceso producción Fe-Si: alta temperatura donde SiO₂ reducido con C a Si y CO(g). Reacción global basada en reacción carbotérmica idealizada:

SiO₂(s) + 2C(s) = 2Si(l) + 2CO(g)  ΔH 2000°C = 687 kJ/mol

Horno Fe-Si normalmente dividido en dos zonas: (i) zona interna caliente, (ii) región externa fría. Si producido en zona interna. Condición equilibrio producción Si:

SiO(g) + SiC(s) = 2Si(l) + CO(g)

Temperatura producción Si ~2000 °C. Presión equilibrio SiO para reacción anterior a 1 atm = 0,5 atm. Para alta recuperación Si, este SiO debe recuperarse en partes frías horno. SiO recuperado por reacción con C o condensación. SiO no recuperado perdido como polvo SiO₂.

Capacidad material C reaccionar con SiO = reactividad. Alta reactividad: mucho C reacciona con SiO formando SiC en zona externa. Baja reactividad: C libre llega zona interna. Menos Si, más SiO y CO. Por baja reactividad zona externa, más SiO condensa. Condensación aporta calor, hay límite. Si se supera, SiO sale horno. Baja reactividad: balance C en carga debe reducirse evitar depósitos SiC. Recuperación Si disminuye.

En operación práctica siempre hay pérdida Si en gas, principalmente por pérdida especie SiO. SiO quema con CO en exceso aire sobre carga. Descripción más precisa más compleja: muchas reacciones intermedias complican situación. Interiores SAF dividibles en zona alta temperatura (~2000 °C) y baja (<1815 °C) donde dominan reacciones diferentes. En zona alta temperatura alrededor punta electrodo:

2SiO₂(s,l) + SiC(s) = 3SiO(g) + CO(g)  ΔH 2000°C = 1364 kJ/mol
SiO₂(s,l) + Si(l) = 2SiO(g)  ΔH 2000°C = 599 kJ/mol
SiO(g) + SiC(s) = Si(l) + CO(g)  ΔH 2000°C = 167 kJ/mol

Las más lentas probablemente reacciones productoras SiO(g) que consumen mayor parte energía eléctrica. Si producido por reacción >1815 °C. Gas SiO sube y recuperado por reacción con C (abajo) o condensación donde temperatura suficientemente baja (<1800 °C). Últimas dos reacciones reversibles:

SiO(g) + 2C(s) = SiC(s) + CO(g)  ΔH 1800°C = -78 kJ/mol
3SiO(g) + CO(g) = 2SiO₂(s,l) + SiC(s)  ΔH 1800°C = -1380 kJ/mol
2SiO(g) = SiO₂(s,l) + Si(l)  ΔH 1800°C = -606 kJ/mol

Últimas dos reacciones productoras condensado fuertemente exotérmicas: principal factor transporte calor arriba horno. Condiciones equilibrio otras reacciones en Fig 2.

Fig 2 Presión parcial SiO(g) en equilibrio con SiO₂, SiC y C

En tope carga horno, temperatura varía 1000-1700 °C. Rendimiento Si industrial típico ~85% en horno bien operado. Reacción formación SiC preferida recuperación SiO >1512 °C. Por debajo, gas SiO capturado generalmente por últimas dos reacciones condensado. Temperatura gran efecto en condiciones equilibrio. Si temperatura tope ~1620 °C (presión parcial SiO=0,1 atm) y recuperación principal por condensación, rendimiento Si ~80%.

Refino y colada Fe-Si

Impurezas en ferro-aleación líquida (Al, Ca) eliminables por O₂ y aire mientras aleación fundida en cuchara antes colada. Aleación líquida vaciada de horno a cuchara acero revestida refractario.

Fe-Si líquido vertido de cucharas a moldes grandes planos hierro fundido. Moldes preparados añadiendo capa finos Fe-Si en superficie. Material colado retirado cuando enfriado a nivel donde resistencia suficiente para retirar y apilar para enfriamiento final. Tras enfriamiento y solidificación, Fe-Si triturado y cribado para tamaños trozo requeridos. En trituración generan finos. Finos pueden molerse a polvo, combinarse con aglutinante, formar briquetas. Fundido también puede granuarse.

Todos grados Fe-Si producidos esencialmente mismo proceso, pero grados mayor pureza requieren pasos adicionales: materias primas con menores impurezas, refino aleación líquida eliminar impurezas no deseadas y adición elementos aleación especiales en cucharas. Procesamiento adicional para Fe-Si alta pureza = metalurgia cuchara. Grado especial 15% Fe-Si para medio denso típicamente producido refundiendo 75% Fe-Si con chatarra acero en horno arco eléctrico y colando en spray agua alta presión.