DE2153305A1 - Verfahren zum Schmelzen von Ferrosilizium mit hoher Qualität - Google Patents
Verfahren zum Schmelzen von Ferrosilizium mit hoher QualitätInfo
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Description
Verfahren zum Schmelzen von FerroSilizium mit
hoher Qualität
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Ferrosilizium mit hoher Qualität.
Zum Schmelzen einer Stahllegierung mit hohem Siliziumanteil,
wie z.B. Ferrosilizium, wird im allgemeinen ein Lichtbogenofen mit verdecktem Lichtbogen verwendet, und das Erhitzen
mit Hilfe des Bogens wird ausgenützt. Der Vorgang hat dabei die folgenden Eigenschaften:
1. Infolge des Ofens mit eintauchendem oder verdecktem Lichtbogen für das Reduzieren von Siliziumoxid wird
ein Lichtbogen mit hoher Temperatur, d.h. mit einer Hitze von mehr als 30000C, verwendet.
2. Rohes Siliziumoxid wird ausgewählt, welches geringere Verunreinigungen enthält, mit dem Ziel, daß bei der
Reduktion der erzeugten Schlacke deren Menge nur etwa 2 bis 6% im Vergleich mit der des erzeugten Ferrosiliziums
beträgt.
3. Wenn das Erzeugnis aus dem Ofen abgeführt wird, fließt es vollständig heraus, ohne daß ein Rest der Schmelze in- dem
Ofen bleibt, '
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ORIGINAL INSPECTED
Bei diesem beschriebenen Verfahren erhalten die äußersten Enden der Elektroden eine hohe Temperatur von mehr als
3000 C, so daß nicht nur Siliziumoxid zu Silizium reduziert wird, sondern daß auch ungünstigerweise verschiedene damit
be— '
verbundene gleitende Reduktionsreaktionen durchgeführt werden, die thermische Energie und/oder elektrische Energie verbrauchen
und ungünstige Bestandteile werden erhalten, wie. z.B. Aluminium, das von Aluminiumoxid reduziert wird, was
eine Zunahme der Verunreinigungen zur Folge hat, die in dem erzeugten Ferrosilizium enthalten sind.
infolge der hohen Hitze wandelt siel· Siliziumoxid (SiO2) in
großer Menge in Siliziummcnoxid (3x0) um, das verdampft wird
und einen pulverförmigen Staub bildet, der eine Luftverschmutzung verursacht.
Die theoretische Reduktionstemperatur bei der Reduktion von Siliziumoxid zu Silizium ist durch die folgenden Formeln gegeben
:
SiO2 (geschmolzen) + 2C (fest) = Si (geschmolzen) + 2CO (Gas)
100% Si ΔΖ° = 159230 - 87,17 T
ΔΖ° a ο ■'
ΔΖ° a ο ■'
T = 1827°K d.h. 1554°C
75% Si &Z° = 154930 - 88,00 T
= 0
75% Si &Z° = 154930 - 88,00 T
= 0
T = 1760°K d.h. 1487°C \
45% Si 4Z° = 3r5-4930 - 88,00 T
o
Λ*Γ930 - ff ro
£Ζ° = 0
T = lr^&Q-°K d.h. ^423-0C
Daraus wird deutlich, daß Si eine bemerkenswert niedrige Reduktionstemperatur oesitzt im Vergleich mit Al, Ca, Mg,
SiO oder ähnlichem. Im Falle der industriellen Produktion ist es im allgemeinen erforderlich, die Temperatur um 150 2000C
von der Temperatur zu erhöhen, bei der die Reduktion beginnt, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
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Die Schmelztemperatur von Siliziumoxid ist jedoch 1670 bis 1725°C. Daher kann Siliziumoxid unter der Schmelzbedingung
bei einer Betriebstemperatur, wie sie bisher aufrechterhalten würde, nicht ausreichend flüssig sein, und demgemäß ist keine
große Berührungsfläche zwischen Siliziumoxid und festem Kohlenstoffmaterial vorhanden, so daß die direkte Reduktion
SiO2 (geschmolzen) + 2C(fest) = Si (geschmolzen) + 2CO (Gas),
die eine direkte Berührung zwischen Siliziumoxid und Kohlenstoff erfordert, nicht aktiv stattfinden kann. Das heißt, .da
es schwierig ist, daß sich das Material nach der Reduktion verteilt, daß die Reaktion möglicherweise nicht forgesetzt
wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die verschiedenartigen oben genannten Nachteile bei dem bisher im allgemeinen durchgeführten
Verfahren zum Schmelzen von FerroSilizium zu vermeiden,
und ein Verfahren zu schaffen, das gute Ergebnisse liefern kann.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zum Schmelzen von Ferrosilizium mit inher Qualität dadurch erreicht, daß
die geschmolzene Schlacke in einem Ofen angesammelt wird und dort bleibt unter Verwendung eines Rohmaterials, welches
eine Zusammensetzung aus massiven Siliziumoxid (Quarz) heißen Erzen, massivem Kohlenstoffmaterial für die Verwendung
zur Reduktion und aus Schlacken erzeugendem Material ist, daß das massive Kohlenstoffmaterial ausreichend in die
Schlackenschicht eintaucht, das durch seinen Auftrieb das
zusammengesetzte Rohmaterial im oberen Teil getragen wird, daß gleichzeitig die äußersten Enden der Elektroden stets
in die geschmolzene Schlacke eingetaucht werden und daß das Zusammensetzungsverhältnis (CaO + MgO + BaO) : Si0?
der Schlacke auf weniger als 0,6 festgelegt wird, wobei der Schmelzpunkt erniedrigt wird ohne die Aktivität des SiO„
zu verringern, wobei die Schlackenschicht als elektrischer
Widerstand wirkt und elektrischer Strom so durch sie geleitet,
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3153305
wird, daß Joule'sehe Wärme erzeugt wird, wodurch eine Temperatur
erhalten wird, die für die Reduktion von Silizium notwendig und ausreichend ist. Vorzugsweise wird dabei eine
Temperatur der geschmolzenen Schlacke von weniger als 1800 C aufrecht erhalten, um den Schmelzpunkt zu erniedrigen, ohne
die Aktivität des SiO_ in der geschmolzenen Schlacke zu verringern.
Erfindungsgemäß wird also ein reiner elektrischer Widerstandsofen
geschaffen, bei dem die notwendige und ausreichende Menge von geschmolzener Schlacke in dem Ofen bleibt, bei dem die
Elektroden in diese Schlacke eingetaucht sind, die als elektrischer
Widerstand dient, und wobei elektrischer Strom durchgeleitet wird, so daß Joule-'sche Wärme erzeugt wird, durch
welche die Reduktionsreaktion stattfindet.
Weiter wird erfindungsgemaß eine einheitliche Temperaturverteilung
in der waagrechten Richtung und ein vernünftiger Temperaturgradient in der axialen Richtung in dem Elektroofen
erzeugt, und es wird eine direkte Reduktion in der Schlackenschicht und ein Vorheizen und eine indirekte Reduktion (Gasreduktion)
in der Schicht aus dem zusammengesetzten Rohmaterial geliefert.
Weiter wird erfindungsgemäß eine komplexe Zusammensetzung ψ von Siliziumoxid und anderen Oxiden ausgewählt, wobei die
daraus geschmolzene Schlacke eine hohe Siliziumoxidkonzentration und eine hohe Aktivität hat, und wobei der Schmelzpunkt
nahe bei der Reduktionstemperatur des Siliziumoxids liegt.
Weiter wird erfindungsgemäß die elektrische Leistungsdichte so auf einen geeigneten Wert (350 kW - 450 kW) eingestellt,
wobei die waagerechte Ebene der geschmolzenen Schlacke als Standardwert genommen wird, daß die Schlackenschicht in dem
Temperaturbereich (16000C - 17000C) gehalten wird, der notwendig
und ausreichend ist, um die Reduktion von Silizium
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leicht durchzuführen.
Auf diese Weise wird schließlich erfindungsgemäß ein
Schmelzverfahren für Ferrosilizium erhalten, das eine äußerst
hohe Ausbeute, einen äußerst niedrigen Verbrauch an elektrischer Energie und eine äußerst geringe Aufzehrung der verwendeten
Elektroden aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden,
wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, in welcher die einzige Figur die Abmessung eines Elektroofens
zeigt, der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Um die oben beschriebenen Nachteile des bisher verwendeten Verfahrens zum Schmelzen von Ferrosilizium zu vermeiden, ist
das erfindungsgemäße Verfahren so ausgebildet, daß, wenn zusammengesetztes Rohmaterial durch Zusammengeben von massivem
Siliziumoxid (Quarz), Eisenerzen, massivem Kohlenstoffmaterial
für die Verwendung zur Reduktion und öchlackenbildendem Material hergestellt wird, eine komplexe Zusammensetzung von
Siliziumoxid und anderen Oxiden so gebildet wird, daß sie eine hohe Konzentration von Siliziumoxid hat, wenn diese
Zusammensetzung geschmolzen wird, wobei demzufolge ihre Aktivität hoch ist und es möglich wird, den Schmelzpunkt der
Schlacke in die Nähe der Reduktionstemperatur der Kieselsäure zu bringen.
Schlacken, die die obigen Bedingungen erfüllen sind z.B. die folgenden:
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Ba CaO%
1. Anorthit 0,522 22
2. Fridimit 0,286 20
3. Cristobalit 0,537 25
| , MgO% | SiO2% | 2153305 | |
| Schmelzpunk t | |||
| / | 42 | CcL. | |
| 36 | / | 70 | 1500°C |
| 10 | 10 | 65 | 1500°C |
| / | 1500°C | ||
Die Schmelze, die die obigen Komponenten umfaßt, wird hergestellt und massives Kohlenstoffmaterial wird zugefüllt und
eine reduzierende Reaktion wird an der Oberfläche des Kohlenstoff
materials ausgeführt. Im allgemeinen ist das spezifische
Gewicht des Kohlenstoffmaterials 1 oder unter 1, während
das spez.ifj.3che Gewicht der obigen zusammengesetzten Schmelze 2,5 überschreitet, so daß besondere Sorgfalt darauf verwendet
werden soll, das Kohl en stoffmaterial in die Schmelze
einzutauchen.
Daher wird erfindungsgemäß ein Rohmaterial verwendet, das
durch Zusammensetzen von Quarz, Eisenerzen, massivem Kohlenstoffmaterial für die Verwendung bei der Reduktion
Material
und schlackenbildenderr hergestellt ist, und eine Metallschicht,
eine Schicht aas geschmolzener Schlacke und eine Schicht aus festem zusammengesetztem Rohmaterial werden vorn
Boden zum oberen Ende des Elektroofens gebildet.
Die Schicht aus geschmolzener Schlacke sieht so aus, daß eine Zusammensetzung von Teilchen aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid,
Calciumoxid, Magnesiumoxid oder Eisenoxid, das in dem obigen zusammengesetzten Rohmaterial enthalten ist, gebildet wird,
oder es wird nicht gebildet, indem es davon freigesetzt wird, und mit dem massiven Kohlenstoffmaterial auftritt, das
in ausreichender Menge eingefüllt ist. Der Grund dafür ist, daß das massive Kohlenstoffmaterial aufhört als Folge der
Reduktion vorhanden zu sein, aber es ist niemals geschmolzen und daher wird das Kohlenstoffmaterial durch das Gewicht
des zusammengesetzten Materials zwangsweise fortlaufend in die geschmolzene Schicht gedrückt.
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_ η
Der Auftrieb des massiven eingetauchten Kohlenstoffmaterials
und das Gewicht des zusammengesetzten Rohmaterials, das sich im oberen Teil befindet, werden im Gleichgewicht gehalten,
die Schicht aus zusammengesetztem Rohmaterial wird teilweise geschmolzen,-wobei sie in die geschmolzene Schicht eintaucht,
und die Schmelzgeschwindigkeit wird auf einem gegebenen Wert gehalten.
Die äußersten Enden der Elektroden sind so vorgesehen, daß sie stets in die geschmolzene Schlacke eingetaucht sind. Bei
dieser beschriebenen Anordnung fließt ein elektrischer Strom auf die Metallschicht zu, die an dem Ofenboden angesammelt
ist, wobei die geschmolzene Schioc/ruiischicht eis Widerstand
dient. Die dabei erzeugte Joule'sehe Wärme erzeugt in dem
Ofen die Temperatur und führt alle die thermische Energie zu,
die für die chemische Reaktion notwendig ist.
Der Vorteil der oben beschriebenen Widerstandsheizung ist, daß es möglich ist, -nach Wunsch die notwendige und ausreichende
Temperatur zu erzeugen, nicht wie bei der Lichtbogenheizung,
und bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Inneren des Ofens kann, wenn man große Mengen der Schichten von geschmolzenem
Metall und der Schichten von geschmolzener Schlacke in dem Ofen vorhanden sein läßt, eine gleichmäßige Temperaturverteilung
in der waagerechten dichtung und ein vernünftiger Temperaturgradient
in der axialen Richtung des Elektroofens gebildet v/erden, wodurch es möglich ist, ein Vorheizen und
ein Vorreduzieren in der Schicht aus zusammengesetztem Rohmaterial durchzuführen.
Die Dichte der elektrischen Leistung wird auf 350 kW bis
2
450 kV/ pro m festgelegt, wobei eine waagerechte Ebene der geschmolzenen Schlaccenschicht als Bezugspunkt genommen wird. Wenn der Siliziumanteil in dem Erzeugnis hoch ist, kann auch die Dichte der elektrischen Leistung erhöht werden. Wenn der Siliziumanteil niedrig ist, kann auch die Dichte der elektrischen Leistung verringert werden.
450 kV/ pro m festgelegt, wobei eine waagerechte Ebene der geschmolzenen Schlaccenschicht als Bezugspunkt genommen wird. Wenn der Siliziumanteil in dem Erzeugnis hoch ist, kann auch die Dichte der elektrischen Leistung erhöht werden. Wenn der Siliziumanteil niedrig ist, kann auch die Dichte der elektrischen Leistung verringert werden.
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Mit der oben beschriebenen Festlegung der Dichte der elektrischen Leistung und der Schi ackenzusaitimen Setzung kann die
Temperatur der Schlackenschicht in dem Temperaturbereich von
1600 bis 1700 C gehalten werden, der notwendig und ausreichend ist, um die Reduk.tion in einfacher Weise auszuführen. Dabei
wird eine Reaktion, die durch SiO„+ 2C = Si + 2CO dargestellt
ist, an der Oberfläche des massiven Kohlenstoffmaterials durchgeführt, welches in der Schmelze vorhanden ist, und
Ferrosilizium wird an dem Ofenboden zusammen mit Fe abgelagert, welches durch die Reaktionen FeO +C= Fe + CO
oder FeO + CO = Fe -f- C0„ gebildet wird.
Bei der vOvnergehender.1 Reaktion steigt das erzeugte CO-Gas
hoch, und wenn es sich beim Hochsteigen in die Schicht aus zusammengesetztem Rohmaterial bev/egt, die sich im oberen
Teil befindet, finden solche Gasreduktionsreaktionen (indirekte Reduktion) statt väe
Fe2O3 + CO —*» Fe3°4 t CO2
Fe3O4 + CO -—*- FeO + CO2.
Fe3O4 + CO -—*- FeO + CO2.
Eine Verringerung der Konzentration bezüglich Si0? und FeO
durch die Reduktion und Trennung von Si und Fe in der Schlakkenschicht wird durch das Schmelzen von zusammengesetztem
Rohmaterial kompensiert und die notwendige Konzentration wird stets aufrecht erhalten.
Das erzeugte Metall (Ferrosilizium), das sich am Boden des Ofens ansammelt, wird in festen Zeitabständen ausgegossen,
wobei es teilweise (etwa. 15 bis 20%) abgezogen wird.
Die aus dem Rohmaterial gebildete Schlacke wird teilweise zum Zeitpunkt des Abziehens des erzeugten Metalls abgezogen.
Da sowohl das Metall als auch die Schlacke teilweise (15-2070) von der angesammelten Menge abgezogen werden, wird das Ofeninnere in seinen Bedingungen nicht stark geändert.
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Die Betriebsbedingungen, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt wird, können z.B. auf den folgenden Werten beruhen:
Transformatorleistung 25 000 kVA
Durchschnittliche Belastung - 20 000 kV/
Abmessungen des Elektroofens siehe Zeichnung
Anschlußspannung des Elektroofens 230 V
Strom 56 000 A
Leistungsfaktor des Elektroofens 89,50%
Elektrische Leistungseinheit 7 000 kWh
Verv/endetes Siliziumoxid 1 700 kg
Eisener-.· 300 kg
Schl?cjcenbildendes Material 70 kg
Massives Kohlenstoffmaterial (Koks) 890 kg
Elektroden 25 kg
Es wurde beim Betrieb festgestellt, daß der Strom bei Messung
mit einem Oszillographen eine äußerst zufriedenstellende Sinusform zeigte, d.h. daß der Ofen als vollkommener Widerstandsofen
arbeitet. Das bedeutet, daß sowohl die elektrische
Leistung als auch die verwendeten Elektroden äußerst klein sind, und daß es möglich war, Ferrosilizium mit einer äußerst
hohen Ausbeute an Silizium zu schmelzen.
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Claims (2)
1. Verfahren zum Schmelzen von Ferrosilizium mit hoher Qualität, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschmolzene
Schlacke in einem Ofen angesammelt wird und' dort bleibt, wobei ein Rohmaterial verwendet wird, welches eine Zusammensetzung
von Quarz, Eisenerzen, massivem Kohlenstoffmaterial
für die Verwendung zur Reduktion und schlackenbildendem
Material ist, daß das massive Kohlenstoff mat er", ^l
ausreichend in die Schiackenschicht eingetaucht wird -md
durch ihren Auftrieb das zusammengesetzte Rohmaterial im oberen Teil getragen wird, daß die äußersten Enden der
Elektroden stets in diese geschmolzene Schlackο eingetaucht
werden, und daß das Zusammensetzungsverhältnis (CaO + MgO + BaO) : SiO? dieser Schlacke auf unter
0,6 festgelegt wird, wobei der Schmelzpunkt ohne Verringerung der Aktivität des SiO„ erniedrigt wird, wobei
die Schlackenschicht als elektrischer Widerstand wirkt
und ein elektrischer Strom durchgeleitet wird, so daß
Joule-1 sehe Wärme erzeugt wird, durch welche eine Temperatur
erhalten wird, die notwendig und ausreichend für die Reduktion von Silizium ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur der geschmolzenen Schlacke unter 18000C
aufrecht erhalten wird, um den Schmelzpunkt zu erniedrigen, ohne die Aktivität des SiO„ in der geschmolzenen Schlacke
zu verringern.
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Applications Claiming Priority (1)
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| EP0028208A1 (de) * | 1979-10-24 | 1981-05-06 | KemaNord AB | Verfahren zur Herstellung von Silicium oder Ferro-Silicium |
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