DD209658A5 - Verfahren zur herstellung von ferrosilizium

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Abstract

Description

Claims

DD209658A5

Publication number: DD209658A5
Application number: DD83249302A
Authority: DD
Inventors: Sune Eriksson; Sven Santen
Original assignee: Skf Steel Eng Ab
Priority date: 1982-09-08
Filing date: 1983-03-29
Publication date: 1984-05-16
Also published as: SE436124B; SE8205086L; FR2532661B1; OA07396A; BR8301516A; ES520029A0; GB2126606A; FI830441A0; SE8205086D0; FI830441L; ZA831401B; CA1200393A; JPS5950155A; US4526612A; AU553732B2; FI70259C; NO157066B; NO830389L; FR2532661A1; DE3306910A1

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON FERROSILIZIUM AUS EINEM SILIZIUMDIOXID ENTHALTENDEN MATERIAL. DIESE MATERIALIEN WERDEN, MOEGLICHERWEISE ZUSAMMEN MIT EINEM REDUKTIONSMITTEL, MIT HILFE EINES TRAEGERGASES IN EIN PLASMAGAS EINGEBLASEN. DAS SILIZIUMDIOXID UND DAS EISEN-ROHMATERIAL, MOEGLICHERWEISE MIT DEM REDUKTIONSMITTEL, WERDEN DANN AUF DIESE WEISE ERHITZT MIT DEM ENERGIEREICHEN PLASMAGAS IN EINE REAKTIONSKAMMER (8) EINGELEITET, WELCHE VON EINEM FESTEN REDUKTIONSMITTEL (2) IN STUECKIGER FORM UMGESCHLOSSEN IST, WODURCH DAS SILIZIUMDIOXID GESCHMOLZEN WIRD, REDUZIERT WIRD UND MIT DEM EISEN REAGIERT, SO DASS FERROSILIZIUM ENTSTEHT. DAS PLASMAGAS WIRD VORZUGSWEISE MIT HILFE EINES LICHTBOGENS IN EINEM PLASMAGENERATOR (7) ERZEUGT.

J U L Ό Berlin, den 16,06,1983

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Verfahren zur Herstellung von FerroSilizium

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ferroailizium aus einem Siliziumdioxid enthaltenden Material, einem Reduktionsmittel und einem eisenhaltigen Material durch Direktreduktion des Siliziumdioxide und gleichzeitige Reaktion zwischen Silizium und Eisen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der heutigen Herstellung von Ferrosilizium wird ein Elektroofen mit Söderberg-Elektroden verwendet. Hierzu wird ein Ausgangstnaterial in stückiger Form, im allgemeinen Quarz, benötigt, welcher etwa 93 % SiO₂ und geringe Mengen an Al, Ca, P und Ae enthält. Bei dem verwendeten Reduktionsmittel kann es sich um Koks und Kohle in stückiger Form mit geringem Aachegehalt handeln und möglicherweise auch um Schnitzel, Das verwendete Eisen-Rohmaterial ist vorzugsweise kleiner Stahlschrott, gewöhnlich Eisenfeilspäne,

Das Verfahren wird gewöhnlich in der Weise durchgeführt, daß sich keine Schlacke bildet, und vorzugsweise werden Drehöfen verwendet. Eine relativ große Menge von Silizium wird in Form von SiO verdampft, welches außerhalb des Ofens zu einem weißen SiOg-Rauch oxydiert wird. Je höher der Siliziumgehalt ist, um. so größer ist die Menge an verlorengegangenem Silizium, und um so größer ist der Energieverbrauch pro t Legierung und insbesondere pro t an gewonnenem Silizium,

ü £ '8 -2«» 1β_β0β_β1983

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Nachstehende Tabelle zeigt den Energieverbrauch für die gebräuchlichsten Siliziumlegierungen, die Ausbeute und die

Die Perroailizium-Legierungen werden hauptsächlich als Legierungszusätze verwendet sowie zur Reduktion von Oxiden aus Schlacke, wie beispielsweise Or^O-s, speziell jedoch zur Reduktion oder zum Beruhigen von Stahl, IJie gebräuchlichste Perrons ilizium-Legie rung enthält 45 % Si· Legierungen mit 75 % Si und darüber lösen sich in Stahl unter Wärmeentwicklung· Siliziummetall, d, h· 98 % Si, wird als Zusatz insbesondere für Stahl verwendet, jedoch auch als Zusatz zu Aluminium und Kupfer« Die Legierung mit 75 % Si wird auch beispielsweise bei der ailikogenetischen Reduktion von Magnesium verwendet·

Lichtbogenöfen erfordern ein Ausgangsmaterial in stückiger Form_s wodurch sich Grenzen für das Rohmaterial ergeben und der Einsatz von sehr reinem Rohmaterial in Pulverform kompli*- ziert wird» Wenn feinkörnige Stoffe verwendet werden sollen, müssen sie mittels irgendeines Binders zu größeren Stücken verbunden werden₈ was die Verfahrenskosten weiter steigert·

24 9 3 02 θ .3. ₁₆.₀,₁₉₈3

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Das Lichtbogenö'fen-Verfahren ist auch in bezug auf die elektrischen Eigenschaften der Rohstoffe empfindlich« Da ein Ausgangsmaterial in stückiger Form verwendet werden muß, herrscht zwischen dem Siliziumdioxid und dem Reduktionsmittel ein schwächerer lokaler Kontakt, was zu SiO-Verlusten führt« Diese Verluste steigen infolge der extrem hohen Temperaturen, welche lokal bei diesem Verfahren auftreten. Außerdem ist es schwierig, oberhalb der Charge in einem Lichtbogenofen absolute Reduktionsbedingungen einzuhalten, was dazu führt, daß das entstandene SiO zu SiO₂ reoxydiert wird.

Die vorgenannten Faktoren sind für die meisten Verluste bei diesem Verfahren verantwortlich, der SiO-Verlust und die vorgenannte Reoxydation von SiO zu SiO₂ führen zu beträchtlichen Rauchmengen, was wiederum dazu führt, daß preisaufwendige Gasreiniguiigseinrichtuagen eingebaut werden müssen«

Ziel der Erfindung,..

Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu VeI⁵DIe iden«

Darlegung, des Weaens_nder Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von FerroSilizium zu schaffen, welches die Herstellung von Ferrosilizium in einem einzigen Verfahrensßchritt sowie die Verwendung von Rohstoffen in Pulverform ermöglicht»

3 02 8

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Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Siliziunidioxid enthaltende pulverisierte Material sowie.das Bisen-Rohmaterial, möglicherweise zusammen mit einem Reduktionsmittel, mit Hilfe eines Trägergaees in ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Plaeniagas eingeblasen werden und alsdann auf diese Weise erhitzt mit dem energiereichen Plasmagas in eine im wesentlichen allseits von einem feeten Reduktionsmittel in stückiger Form umgebene Reaktionskammer eingebracht werden, wodurch das Siliziumdioxid geschmolzen wird und zu Silizium reduziert wird, welches sich mit dem Bisen zu Ferrosilizium verbindet. Dabei läßt sich der Siliziumgehalt im Endprodukt durch Steuerung der zugesetzten Eisenmenge vorbestimmen»

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung von pulverfö'rmigen Rohstoffen erleichtert die Auswahl der Siliziumdioxid-Rbhstoffe und macht sie kostengünstiger. Das erfindungsgetnäß vorgeschlagene Verfahren ist auch gegenüber den elektrischen Eigenschaften des Rohmaterials unempfindlich und erleichtert somit die Auswahl des Reduktionsmittels. Außerdem stellt der ständige Überschuß an Reduktionsmittel sicher, daß entstandenes SiO sofort zu Si reduziert wird.

Als Siliziumdioxid enthaltendes Material wird vorzugsweise Quarzsand verwendet, welcher zusammen mit dem Eisen-Rohmaterial eingeapeist wird. Das Eisen-Rohmaterial kann aus Eiaenfeilspänen; Schwämmeisen-Pellets oder Eisengranulat bestehen® Mikropellets aus Quarz und Kohlenstaub eignen sich besonders für das Siliziumdioxid-Rohmaterial und ebenfalls für Kohle» Eisenhaltiges Material wie beispielsweise kalzinierte Pyrite, welche etwa 66 % Pe in Form von Oxiden enthalten,, können jedoch ebenfalls als Ausgangsmaterial verwendet werden. Selbst anderes Material, welches Eisen-

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träoxid enthält, kann verwendet werden, da diese Oxid© gleichzeitig reduziert werden, wenn das Siliziumdioxid zu Silizium reduziert wird» Oxidverbindungen von Fe und Si sind ebenfalls geeignet, und ale Beispiel kann 2 PeO · (Fayalit) erwähnt werden«

Als Reduktionsmittel können Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Erdgas, Kohlenstaub, Holzkohlenpulver, Petrolkoks, sogar in gereinigter Form, und Kohlengrus eingeblasen werden»

Die für das Verfahren benötigte Temperatur kann ohne Schwierigkeiten durch die Menge an pro Einheit Plasmagas zugeführter elektrischer Energie gesteuert werden, so daß die optimalen Bedingungen für den geringstmöglichen SiO-Verluet eingehalten werden können»

Da die Reaktionskammer im wesentlichen allseits durch Reduktionsmittel in stückiger Form umschlossen ist, wird eine Reoxydation von SiO effektiv verhindert»

Vorzugs v/eise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das feste Reduktionsmittel in stückiger Form kontinuierlich der Reaktionszone entsprechend seinem Verbrauch zugeführt»

Als festes Reduktionsmittel eignen sich Koks, Holzkohle und/oder Petrolkoks· Das für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Plasmagas besteht vorzugsweise aus Prozeßgas, welches aus der Reaktionszone erneut in Umlauf gebracht wird·

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Das feste Reduktionsmittel in stückiger Form kann auch ein pulverförmiges Material sein, welches mit Hilfe eines Binders in atUckige Form umgewandelt wird, welcher aus G und H und möglicherweise auch aus 0 zusammengesetzt ist, wie beispielsweise Sukrose®

Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung besteht der Plasmabrenner aus einem induktiven Plasmabrenner« Auf diese Weise werden Verunreinigungen seitens der Elektroden auf einen absoluten Miniraalwert herabgesetzt,,

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von extrem reinem FerroSilizium, so daß extrem reines Siliciumdioxid und Reduktionsmittel mit sehr geringen Verunreinigungen als Rohstoffe verwendet werden können» Da das Gassystem vorzugsweise geschlossen ist, d» h», das Prozeßgas erneut in Umlauf gebracht wird, kann im wesentlichen die gesamte Energie ausgenutzt werden. Außerdem sind die Gasmengen wesentlich geringer als bei den normalen FeSi-Verfahren, was im Hinblick auf den Energieverbrauch ebenfalls ein bedeutender Faktor ist* Wie bereits erwähnt, wird im Prinzip das SiO vollständig eliminiert, so daß das bei dem bisherigen Herstellungsverfahren entstehende Staubproblem durch SiO₂™Rauch praktisch gelöst wird»

Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand einiger Beispiele unter Bezugnahme eines Ausführungsbeispiels

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eines Reaktors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie er in der beiliegenden Zeichnung dargestellt

Das erfindungagemäße Verfahrens-System erlaubt es, die gesamte Reaktion in einer sehr begrenzten Reaktionszone in unmittelbarer Nachbarschaft der Blasform zu konzentrieren, wodurch das Hochtemperatur-Volumen bei dem Verfahren weitgehend begrenzt werden kann. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen die Reduktions-Reaktionen nacheinander erfolgen und sich über ein großes Ofenvolumen ausbreiten.

Infolge des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensablaufes, bei welchem alle Reaktionen in einer einzigen Reaktionszone im Koksschacht unmittelbar vor dem Plasmagenerator stattfinden, kann die Reaktionszone auf einem extrem hohen und \ steuerbaren Temperaturwert gehalten werden. Dies ruft folgende Reaktion hervor: SiOg + 2 C ) Si + 2 00·

Alle iteaktionsteilnehmer (SiO₂, SiO, SiC, Si, C, SO) sind gleichseitig in der Reaktionszone vorhanden, und die in geringen Mengen entstandenen SiO- und SiC-Produkte reagieren unmittelbar wie folgt %

SiO + C i Si + CO

SiO + SiC 1 2 Si + CO

2 SiC + SiO₂ _: > 3 Si + 2 CO

/4 SI J U £ Ό ^⁸" Ι6_βθβ_β1983

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Dieses flüssige Silizium reagiert mit dem flüssigen Eisen« gehalt in der Reaktionszone, während das gasförmige CO di© Reaktionszone verläßt₉

Die Reaktionen werden voraugsweiee in einem Reaktor 1 durchgeführt _s der einem Schachtofen ähnelt und kontinuierlich von oben her mit einem festen Reduktionsmittel 2 beschickt wird, beispielsweise über eine Hochofengicht 3 tnit gleichmäßig verteilten, geschlossenen Speisekanälen oder einer ringförmigen Speisesäule 4 am Unifang des Ofens_ö Eisenpellets oder irgend~ ein anderes Eisen«Rohmaterial in stückiger Form wird vorzugsweise dem Reaktor von oben her zugeführt«

Daa Siliziumdioxid-enthaltende, möglicherweise vorreduzierte, pulverisierte Material sowie pulverisiertes Biaen-Rohmaterial werden am Boden des Reaktors 1 durch Gasleitungen 5 und 6 mit Hilfe eines inerten oder eines Reduktionsgases eingeblasen» Die Mündungen der Blasleitungen 5 und 6 liegen vor einem Plaamagenerator 7 in einem von diesem erzeugten Plasmagae*

Kohlenwasserstoff und möglicherweise sogar Sauerstoffgas können gleiehsseitIg₅, und zwar vorzugsweise durch die gleiche Blasleitung eingeblasen werden* Das- Eisen wird vorzugsweise in metallischer Form in der Reaktion©zone zugesetzt» Wie bereits erwähnt_s kann jedoch auch Eisentrioxid zugesetzt werden, welches in der Reaktionazone zu Bisen reduziert wird, was sich dann mit Silicium zu Ferroeilizium verbindet_e

2*93 0 2 8

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Im unteren Teil des Schachtofens 1, der mit einem Reduktionsmittel 2 in stückiger Form gefüllt ist, befindet sich eine Reaktionskammer 8, welche im wesentlichen allseitig von diesem Reduktionsmittel 2 in stückiger Form umschlossen ist» Die Reaktionskammer 8 wird durch die heiße Mischung gebildet, welche einen Raum ausbrennt, der .fortlaufend erneut ausgebildet wird, wenn die Wandungen aus dem Reduktionsmittel einfallen« Die Reduktion des Siliziumdioxids und möglicherweise des Eisentrioxids und das Schmelzen erfolgen augenblicklich in dieser Reduktionszone,

Das erzeugte flüssige legierte Metall wird am Boden des Reaktors über einen Kanal 9 abgezapft und in geeigneter Weise, beispielsweise in einem Behälter 10, aufgefangen.

Das den Reaktor verlassende, aus einer Mischung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in hoher Konzentration bestehende Gas wird vorzugsweise erneut in Umlauf gebracht und zur Erzeugung des Plasmagases sowie al3 Transportgas oder Trägergas fUr die Pulvercharge ausgenutzt·

Zur weiteren Illustrierung der Erfindung werden nachstehend zwei Beispiele beschrieben,

Beispiel 1

Durchgeführt wurde ein Versuch in auf die Hälfte reduziertem Maßstab« Seesand mit einer Körnung von unter 1,0 mm wurde

· U «10- 16.06.1933

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als oiliziumdioxid-Äoliiüaterial benutzt und Eisenfeilstäbe wurden als Eisen-Rohniaterial verwendet. Pie "Reaktionskammer"¹¹ bestand aus Koks, Propan (LPG) wurde als Reduktionsmittel verwendet, und gewaschenes Reduktionsgas, bestehend aus CO und ügs wurde als Trägergaa und Plastnagas verwendet.

Die zugefahrte elektrische Leistung betrug 1000 kV/, 2,5 kg SiOo/min sowie 0,4 kg "Fe/min wurden als Rohstoffe und als Reduktionsmittel 1,5 kg Kohle pro Minute zugeführt,.

Während oes Versuchs wurde eine Gesamtmenge von etwa 500 kg .FerroSilizium mit 75 % Si hergestellt« Der durchschnittliche Stromverbrauch betrug etwa 10 kWh/kg Perrosilizium.

Da der Versuch in einem relativ kleinen Maßstab durchgeführt wurde, war der /i/ärmeverlust beträchtlich. Der Stromverbrauch kann jedoch durch Gasrückgewinnung weiter reduziert werden, und die WärmeVerluste dürften bei einer größeren Anlage ebenfalls bedeutend abnehmen»

Ferrosilizium wurde unter Verwendung von pulverisiertem üiaeiitrioxid als Eisenrohmaterial unter Einhaltung der gleichen .bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt.

Bei diesem Versuch wurden 300 kg Ferrosilizium mit 75 Vo Si hergestellt» Der durchschnittliche Stromverbrauch betrug et v/a 11 kWh/kg Ferrosiliziunu

, %-Gehalt an

kWh/t Legierung Si^Ausbeute % MWh/t Si Schmelzpunkt ⁰G

•5-5, 91 11,0 1300

5 8,5 - 85 12,5 1310

10 12 - 14 81 15,0 1380

14 - 75 18,0 1420

3 U L B -11- 16.06.1383

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iär f ind ungsanspruc h

1« Verfahren zur Herstellung von Ferroaiiiζium aus einem SiIiziusidioxid, ein Re duict ionsmit t el, sowie ein eisenhaltiges Material enthaltenden Ausgangsmaterial durch JDirektreduktion des Siliziumoxids und gleichzeitige Reaktion zwischen oiliaiura und üisen, gekennzeichnet dadurch, daß das 3iliziumdioxid enthaltende pulverisierte Material sowie das Eisen-Rohmaterial, möglicherweise zusammen mit einem Reduktionsmittel, mit Hilfe eines Trägergases in ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Plasmagaa eingeblasen werden und alsdann auf diese Weise erhitzt mit dem energiereichen Plasmagas in eine im wesentlichen allseits von einem festen Reduktionsmittel in stückiger Form umgebene rieaict ionskammer eingebracht werden, wodurch das Siliziumdioxid geschmolzen wird und zu Silizium reduziert wird, "welches sich mit dem Eisen zu Ferrosilizium verbindet,

2«, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Gasplasma in der Weise erzeugt wird, daß das Plasmagas durch einen Lichtbogen in einem Plasmagenerator geleitet wird«

3. Verfahren nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet da» durch, daß der Lichtbogen im Plasmagenerator induktiv erzeugt wird.

4» Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß daa feste Reduktionsmittel in stückiger Form kontinuierlich der Reaictionszone zugeführt wird.

CS -12- 16.06,1933'

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5« Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das feste Reduktionsmittel in stückiger Fons, aus Holzj. Kohle oder Koks besteht_e

6«, '/erfahren nach einem der Punkte 1 bis 5? gekennzeichnet dadurch*. daß das Plasmagas aus von der Reaktionssone zurückgeführtem Prozeßgas besteht®

7« Verfahren nach einem, der Punkte 1 bis 6$ gekennzeichnet dadurch,, daß das feate Reduktionsmittel in stückiger Form aus einer Gruppe ausgewählt .wird, weiche aus Petrol« koksbriketts, Holzkohlenbriketts und Kolakoiilenstücken besteht *

8@ Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 7» gekennzeichnet dadurch, daß das eingeblasene Reduktionsmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aua Holzkohlenpulver, pulverisiertem Petrolkoks, gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Erdgas_s Propan und Leichtbenzin bestellt.

9β Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 8_S gekennzeichnet cLcidurcJij aaß als uiiiaiumdioxid-haliiges Ausgangs™ material Quarasand verwendet wird©

10» Ve π aiii.¹ en nach eine© der Punkte 1 bis 9_S gekennzeichnet dadurch^ daß ein freies .Eisen enthaltendes Material wie äisenpellets, üJisenfeilspäne usw«, als iiisen-Rohmaterial verwendet v/ira_e

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11_β Verfahren nach einem der Punkte 1 bia 9, gekennzeichnet dadurch, daß ein Eisentrioxid enthaltendes Auagangsciaterial als ä&u üisen-Hoinnaterial verwendet wird*

12_O Verfahren nach eineci der Punkte 1 bis 9» gekennzeichnet dadurchj, daß kalzinierte Pyrite als iiisen-Rohmaterial verwendet werden»

13· Verlahren nach einem der Punkte 1 bis 12, gekennzeiciinet dadurchj daß Fayal it schlacken j welche iiaupt sächlich 2 FeQsSiOp enthalten, als Ausgangsmaterial verwendet werden*

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