DE2303242A1

DE2303242A1 - Verfahren zur reduktion von siliciumdioxid mittels kohlenstoff in elektrooefen

Info

Publication number: DE2303242A1
Application number: DE2303242A
Authority: DE
Inventors: Rolf Enger; Kristian Piene; Audun Saethre; Nils Skreien; Jan-Erik Thorslund
Original assignee: Elkem Spigerverket AS
Current assignee: Elkem ASA
Priority date: 1972-01-25
Filing date: 1973-01-24
Publication date: 1973-08-02
Also published as: IN139737B; ES410909A1; ZA729101B; NO129623B; SE382042B; YU28273A; CA987884A; FR2169100B1; AU477309B2; IT978060B; JPS5313169B2; FR2169100A1; AU5138573A; JPS4883027A; US3887359A

Description

II/K FRANKFuRT(MAIH)₁ 19.1.73

Elkem-Spigerverket A/S, Oslo ^, Norwegen

Verfahren zur Reduktion von Siliciumdioxid mittels Kohlenstoff in Elektroöfen

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Siliciummetall und siliciumhaltigen Legierungen durch Reduktion in Elektroöfen mit Kohlenstoff als Reduktionsmittel.

Die bekannten Arten von Elektroöfen für diesen Zweck sind Elektroöfen mit Tauchelektroden. Eine annähernd stöchimetrische und homogene Mischung der zu behandelnden Stoffe wird

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den Ofen von oben zugeführt. Die metallurgischen Vorgänge verlaufen hauptsächlich in der Nähe der Spitzen der Tauchelektroden zufolge der elektrischen Energie.

Die vollständige chemische Reaktion bei der Reduktion von Siliciumdioxid (Quarz) mit Kohlenstoff wird durch die Reaktionsgleichung wiedergegeben: SiOg + 2 0 » Si + 2 00. Es ist bekannt, dass diese Reaktion mehrstufig und durch mehrere Teilreaktionen verlaufen kann. Die Reaktionen verlaufen bei höherer Temperatur, und einige der Reaktanden sind im Gaszustand, insbesondere SiO und Si. Das Reaktionsprodukt wird

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am Ofenboden entfernt, während das CO-Gas durch das Rohmaterialgemisch im Oberteil des Ofens diesen verlässt.

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Es ist typisch für die derzeit in Gebrauch stehenden Ofen, dass sie sehr empfindlich sind gegenüber einer TJb er dosierung entweder von Quarz oder von Reduktionsmitteln. Auch weisen sie Mat eri al Verluste von SiOp-Staub in den Abgasen auf. Häufig betragen diese Materialverluste bis zu 1o % des zugefiihrten Quarzes. Abgesehen von diesem Leerlauf in der Produktion, bedeutet der Verlust an Staub auch einen erheblichen Nachteil für die Ofenumgebung. Die Reinigung der Abgase ist zwar möglich, aber technisch schwierig und stellt wirtschaftlich eine Belastung dar.

Die Staubverluste entstehen hauptsächlich dadurch, dass SiO-Gas und gegebenenfalls Si-Dampf aus der Reaktionszone entweichen und durch Sauerstoff der Luft im Oberteil des Ofens oxydiert werden. Regelmässig tritt ein plötzliches Blasen solcher Gase bzw. Dämpfe unmittelbar vor der Reaktionszone zu Stellen im Oberteil eines Ofens auf.

Die Ursache für diese Nachteile liegt häufig in der ungenügendm. Gasdurchlässigkeit der Rohmaterialgemische zufolge von Kondensationsprodukten, geringer thermischer Stabilität und gelegentlich ungünstiger Reaktionsbedingungen oder ungünstiger Korngrössen.

Um diese Nachteile zu vermindern, werden gegenwärtig gewisse Anforderungen an die Rohstoffe gestellt, was die Produktion verteuert. Viele Betriebe haben aber selbst mit guten Rohstoffen Schwierigkeiten in der Aufrechterhaltung stetiger Betriebs-

führung über längere Zeiträume bei Ofen zur Herstellung von Legierungen mit hohem Siliciumgehalt.

Ziel des Verfahrens der Erfindung ist, die Abführung von Staub mit den Abgasen,und somit Staubverluste, zu vermindern, die Verwendung billigerer Rohstoffe zu ermöglichen und eine besse-

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re Beherrschung des Ablaufs der Reaktionen in dem Verfahren zu erreichen. Dieses Ziel wird gemäss der Erfindung dadurch verwirklicht, dass die Ausgangsstoffe, wie Quarz oder Kohle, zur Gänze oder zu einem wesentlichen Anteil im Elektroofen auseinandergehalten werden.

Die Erfindung bedeutet, dass die Reaktionsgase durch einen Bereich mit hohem Kohlenstoffgehalt hindurchgehen müssen, so dass das SiO-Gas und gegebenenfalls Si-Dämpfe mit dem Kohlenstoff reagieren können, abgefangen werden und zur Reaktionszone zurückgebracht werden. Eine Folge davon ist, dass die Abgase eines Ofens normalerweise durch den kohlenstoffreichen Teil der Charge abgelassen werden. So werden die Anforderungen an die Stiickform und die thermische Stabilität in dem quarzreichen Teil der Charge von geringerer Bedeutung sein.

Die partielle Reduktion von SiC^ des Rohstoffs ai SiO-G-as ist die Teilreaktion, die die meiste Energie erfordert. SiO entsteht dabei hauptsächlich in einem Bereich mit grosser Zunahme an Energie, z.B. in der Nähe' der Elektrodenspitzen. Das hergestellte Siliciummetall wird normalerweise hauptsächlich vom untersten Teil des kohlenstoffreichen Bereichs in dem Ofen abgezogen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen.

Die Fig. 1-5 zeigen Beispiele für Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens mit einer vollständigen Trennung von Quarz und Reduktionsmitteln. Die Zeichnung zeigt der Einfachheit halber Ofen mit nur einer Elektrode. Es ist möglich, sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom zur Energie spei sung des Verfahrens zu verwenden. In den meisten Fällen ist es möglich, Quarzsand anstelle von Quarzstücken zu verwenden. In vielen Fällen wird Quarzsand sogar der am meisten geschätzte Rohstoff sein, da es wünschenswert ist, dass der quarzreiche Teil der Charge gasundurchlässig ist.

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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform gezeigt, in der Quarz -unmittelbar zur elektrischen Lichtbogenzone des Ofens durch einen axialen Durchlass in der Elektrode zugeführt wi"d. Die Reaktionsstoffe werden an der Aussenseite der Elektrode zugeführt. Auch kann ein Trägergas angewandt werden, um den Durchlass in der Elektrode offen zu halten.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit einer Kohlenstoffreichen Charge in unmittelbarer Nähe der Elektrode. In diesem Falle wird Quarz von der Seite her mittels einer mechanischen Zuspei sevorrichtung zugeführt.

Fig. 3 zeigt einen Ofen mit einer Hohlelektrode mit einem so grossen Ausmass, dass diese den kohlenstoffreichen Teil der Charge aufnehmen kann. Quarz wird dann seitlich zugeführt.

In Fig. 4- wird ein Ofen gezeigt, bei dem Quarz längs des Umfangs der Elektrode zugeführt wird. Hierbei ist eine Einrichtung zum Getrennthalten des Quarzes von der kohlenstoffreichen Charge vorgesehen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit getrennten Rohstoffen, die unsymmetrisch mit Bezug auf die Mittellinie der Elektrode zugeführt werden. Diese Variante ist zugleich ein Beispiel, das zeigt, dass der Innenraum des Ofens in Sektoren im Abstand von der Elektrode unterteilt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1) "Verfahren zur Herstellung von Siliciummetall oder siliciumhaltigen Legierungen in Elektroöfen durch Eeduktion von Siliciumdioxid mit Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe Siliciumdioxid und Kohlenstoff zur Gänze oder in wesentlichem Ausmass in dem Ofen getrennt voneinander gehalten werden, so dass Zonen vorliegen, die hauptsächlich reich an Siliciumdioxid (Quarz) bzw. hauptsächlich reich an Kohlenstoff sind.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Eeduktion des silieiumdioxidreichen Teils der Charge entstehenden Reaktionsgase durch die an Kohlenstoff reichere Zone des Ofens geführt werden.

5) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das3 die Abgase aus dem Ofen durch die kohlenstoffreichere Zone abgeführt werden.

4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Siliciummetall bzw. die hergestellte siliciumhaltige Legierung vom untersten Teil der kohlenstoffreichen Zone im Ofen abgeführt werden.

5) Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass andere gegenwärtige Metalloxide, insbesondere Eisenoxide, entweder der quarzreichen oder der kohlenstoffreichen Zone im Ofen zugeführt werden.

6) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Menge an Siliciumdioxid zur Gänze oder teilweise als Quarzsand oder feinkörniger Quarz zugeführt wird, so dass die schlechte Gasdurchlässigkeit der quarzreichen Zone dazu benutzt wird, die Heaktionsgase der kohlenstoffreichen Zone c?·-»s Ofens zuzuführen.

7) ' rfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumdioxid in der Hauptsache der energiereichen Zone des Ofens unmittelbar zugeführt wird.

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8) Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumdioxid nach. Massgabe der zugeführten Energie zugeführt wird.

9) Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quarzreiche und die kohlenstoffreiche Charge in Sektoren um die Elektrode oder die Elektrode herum getrennt gehalten werden.

10) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quarzreiche und die kohlenstoff reiche Charge in Eingbereichen um die Elektrode oder die Elektroden des Ofens getrennt gehalten werden.

11) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quarzreiche und die kohlenstoff reiche Charge in Bereichen getrennt gehalten werden, die asymmetrisch mit Bezug auf eine oder mehrere Elektroden angeordnet sind.

12) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroöfen mit einer oder mehreren Elektroden angewendet werden, die mit Gleichstrom oder Wechselstrom betrieben werden.

13) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Induktionsofen angewendet wird.

14-) Verfahren zur Herstellung von Sjliciummetall oder siliciumhaltigen Legierungen, z.B. siliciumreiche Ferrolegierungen, durch Reduktion von Siliciumdioxid mit Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe Siliciumdioxid und Kohlenstoff dem Elektroofen getrennt voneinander zugeführt werden, so dass Siliciumdioxid und Kohlenstoff in wesentlichem Ausmass vonein-„ander im Ofen getrennt gehalten werden und Bereiche aufrecht erhalten werden, die/reich an Quarz bzw. hauptsächlich reich an Kohlenstoff sind, hauptsächlich

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