DE3306910A1 - Verfahren zur herstellung von ferrosilizium - Google Patents
Verfahren zur herstellung von ferrosiliziumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ferrosilizium aus einem Siliziumdioxid enthaltenden Material,
einem Reduktionsmittel und einem eisenhaltigen Material durch Direktreduktion des Siliziumdioxids und gleichzeitige Reaktion
zwischen Silizium und Eisen.
Bei der heutigen Herstellung von Ferrosilizium wird ein Elektroofen mit Soderberg-Elektroden verwendet. Hierzu wird
ein Ausgangsmaterial in stückiger Form, im allgemeinen Quartz,
benötigt, welcher etwa $ο% SiOp und geringe Mengen an Al, Ga,
P und As enthält. Bei dem verwendeten Reduktionsmittel kann es sich um Koks und Kohle in stückiger Form mit geringem
Aschegehalt handeln und möglicherweise auch um Schnitzel. Das verwendete Eisen-Rohmaterial ist vorzugsweise kleiner
Stahlschrott, gewöhnlich Eisenfeilspäne.
Das Verfahren wird gewöhnlich in der Weise durchgeführt, daß sich keine Schlacke bildet, und vorzugsweise werden Drehöfen
verwendet. Eine relativ große Menge von Silizium wird in Form von SiO verdampft, welches außerhalb des Ofens zu einem weißen
SiOo-Rauch oxidiert wird. Je höher der Siliziumgehalt ist, um
so gröiäer ist die Menge an verlorengegangenem Silizium und um
so größer ist der Energieverbrauch pro to Legierung und insbesondere pro to an gewonnenem Silizium.
Nachstehende Tabelle zeigt den Energieverbrauch für die gebräuchlichsten Siliziumlegierungen, die Ausbeute und die
Schmelzpunkte.
Qualität, ^-Gehalt an Si:
45 75 90 90
MWh/t Legierung 5-5,5 B,5 - 10 12-14 14 - 20
Si-Ausbeute % 9I 85 Ol 75
Mh/t Si 11,0 12,5 15,0 Ιο,Ο
Schmelzpunkt 0C I300 lj510 I380 1420
Die Ferrosilizium-Legierungen νίerden hauptsächlich als Legie- ■
rungszusätze verwendet sowie zur Reduktion von Oxiden aus
Schlacke wie beispielsweise Cr^O7, speziell jedoch zur Reduk-: tion oder zum Beruhigen von Stahl. Die gebräuchlichste Ferro-' silizium-Legierung enthält 45$ Si. Legierungen mit 75$ Si und! darüber lösen sich in Stahl unter Wärmeentwicklung. Silizium-' metall, 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 j silikogenetischen Reduktion von Magnesium verwendet.
Schlacke wie beispielsweise Cr^O7, speziell jedoch zur Reduk-: tion oder zum Beruhigen von Stahl. Die gebräuchlichste Ferro-' silizium-Legierung enthält 45$ Si. Legierungen mit 75$ Si und! darüber lösen sich in Stahl unter Wärmeentwicklung. Silizium-' metall, 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 j silikogenetischen Reduktion von Magnesium verwendet.
Lichtbogenöfen erfordern ein Ausgangsmaterial in stückiger
Form, 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, ;
Form, 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 werden, was die Verfahrenskosten weiter steigert.
Das Lichtbogenöfen-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, Vielehe 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 SiOg reoxidiert wird.
Die vorgenannten Faktoren sind für die meisten Verluste bei diesem Verfahren verantwortlich. Der SiO-Verlust und die vorgenannte
Reoxidation von SiG zu SiO2 führt zu beträchtlichen
Rauchmengen, was wiederum dazu führt, daß preisaufwendige Gasreinigungseinrichtungen eingebaut werden müssen.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die vorgenannten Nachteile auszuschalten und ein Verfahren zu verwirklichen,
welches die Herstellung von Ferrosilizium in einem einzigen Verfahrensschritt sowie die Verwendung von Rohstoffen in
Pulverform ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Siliziumdioxid enthaltende
pulverisierte Material sowie das Eisen-Rohmaterial, möglicherweise zusammen mit einem Reduktionsmittel, mit Hilfe
eines Trägergases in ein von einem Plasmagenerator erzeugtes
Plasmagas eingeblasen werden und alsdann auf diese Weise erhitzt mit dem energiereichen Plasmagas in eine im wesentlichen
allseits von einem festen Reduktionsmittel in stücki- i ger Form umgebene Reaktionskammer eingebracht werden, wodurch;
das Siliziumdioxid geschmolzen wird und zu Silizium reduziert! wird, welches sich mit dem Eisen zu Ferrosilizium verbindet. ;
Dabei läßt sich der Siliziumgehalt im Endprodukt durch Steuerung der zugesetzten Eisenmenge vorbestimmen. !
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung von pulver- !
förmigen Rohstoffen erleichtert die Auswahl der Silizium- '
dioxid-Rohstoffe und macht sie kostengünstiger. Das erfindungsgemäß 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 Quartzsand verwendet, welcher zusammen mit dem Eisen-Rohmaterial
eingespeist wird. Das Eisen-Rohmaterial kann aus Eisenfeilspänen, Schwammeisen-Pellets oder Eisengranulat
bestehen. Mikropellets aus Quartz und Kohlenstaub eignen sich besonders für das Siliziumdioxid-Rohmaterial und ebenfalls
für Kohle. Eisenhaltiges Material wie beispielsweise kalzinierte Pyrite, welche etwa 66% Fe in Form von Oxiden
enthalten, können jedoch ebenfalls als Ausgangsmaterial verwendet werden. Selbst anderes Material, welches Eisen-
trioxid enthält, kann verwendet werden, da diese Oxide gleichzeitig reduziert werden, wenn das Siliziumdioxid zu
Silizium reduziert wird. Oxidverbindungen von Pe und Si sind ebenfalls geeignet und als Beispiel kann 2 FeO · SiO2
(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, sodaß die optimalen
Bedingungen für den geringstmöglichen SiO-Verlust eingehalten werden können.
Da die Reaktionskammer im wesentlichen allseits durch Reduktionsmittel
in stückiger Form umschlossen ist, wird eine Reoxidation von SiO effektiv verhindert.
Vorzugsweise 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.
Das feste Reduktionsmittel in stückiger Form kann auch ein
pulverförmiges Material sein, welches mit Hilfe eines Binders in stückige Form umgewandelt wird, welcher aus C und H und
möglicherweise auch aus 0 zusammengesetzt ist, wie beispielsweise Sukrose.
Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung besteht der Plasma4 brenner aus einem induktiven Plasmabrenner. Auf diese Weise
werden Verunreinigungen seitens der Elektroden auf einen absoluten Minimalwert herabgesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur herstellung von extrem reinem Ferrosilizium, sodaß extrem
reines Siliziumdioxid und Reduktionsmittel mit sehr geringen ,
Verunreinigungen als Rohstoffe verwendet werden können. Da ; das Gassystem vorzugsweise geschlossen ist, d.h. das Prozeß- ;
gas erneut in Umlauf gebracht wird, kann im wesentlichen die i gesamte Energie ausgenutzt werden. Außerdem sind die Gasmengen
wesentlich geringer als bei den normalen FeSi-Ver- \ fahren, was im Hinblick auf den Energieverbrauch ebenfalls
ein bedeutender Faktor ist. Wie bereits erwähnt, wird im j
Prinzip das SiO vollkommen eliminiert, sodaß 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 eini- .
ger Beispiele unter Bezugnahme eines Ausführungsbeispiels
eines Reaktors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie er in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahrens-System erlaubt es, die gesamte Reaktion in einer sehr begrenzten Reaktionszone in unmittelbarer
Hachbarschaft der Blasform zu konzentrieren, wodurch das Hochtemperatur-Volumen bei dem Verfahren weitgehend begrenzt
werden kann. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber herkömmlicher 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: SiO2 + 2 C s»-Si + 2 CO.
Alle Reaktionsteilnehmer (SiO2, SiO, SiG, Si, C, SO) sind
gleichzeitig in der Reaktionszone vorhanden und die in
geringen Mengen entstandenen SiO- und SiC-Produkte reagieren unmittelbar wie folgt:
SiO + C *- Si + CO
SiO + SiC »*- 2 Si + CO
2 SiC + SiO2 ^- 5 Si + 2 CO
- 11 -
Dieses flüssige Silizium reagiert mit dem flüssigen Eisengehalt in der Reaktionszone, während das gasförmige GO die
Reaktionszone verläßt.
Die Reaktionen werden vorzugsweise in einem Reaktor 1 durchgeführt,
der einem Schachtofen ähnelt und kontinuierlich von oben her n.it einem festen Reduktionsmittel 2 beschickt wird,
beispielsweise über eine Hochofengicht 3 mit gleichmäßig verteilten,
geschlossenen Speisekanälen oder einer ringförmigen Speisesäule 4 am Umfang des Ofens. Eisenpellets oder irgendein
anderes Eisen-Rohmaterial in stückiger Form wird vorzugsweise dem Reaktor von oben her zugeführt.
Das Siliziumdioxid-enthaltende, möglicherweise vorreduzierte,
pulverisierte Material sowie pulverisiertes Eisen-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
Plasmagenerator 7 in einem von diesem erzeugten Plasmagas.
Kohlenwasserstoff und möglicherweise sogar Sauerstoffgas können gleichzeitig und zwar vorzugsweise durch die gleiche
Blasleitung eingeblasen werden. Das Eisen wird vorzugsweise in metallischer Form in der Reaktionszone zugesetzt. Wie
bereits erwähnt, kann jedoch auch Eisentrioxid zugesetzt werden, welches in der Reaktionszone zu Eisen reduziert wird,
was sich dann mit Silizium zu Ferrosilizium verbindet.
Im unteren Teil des Schachtofens 1, der mit einem Reduktionsmittel
2 in stückiger Form gefüllt ist, befindet sich eine Reaktionskammer ei, welche im wesentlichen allseitig von diesem
Reduktionsmittel 2 in stückiger Form umschlossen ist. Die Reaktionskammer t 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 als Transportgas oder Trägergas für die
Pulvercharge ausgenutzt.
Zur weiteren Illustrierung der Erfindung werden nachstehend zwei Beispiele beschrieben.
Durchgeführt wurde ein Versuch in auf die Hälfte reduziertem Maßstabe. Seesand mit einer Körnung von unter 1,0 mm wurde
als Siliziumdioxid-Rohmaterial und Eisenfeilstäbe als Eisen- .
Rohmaterial verwendet. Die "Reaktionskammer" bestand aus j
Koks. Propan (LPG) wurde als Reduktionsmittel verwendet und j
gewaschenes Reduktionsgas, bestehend aus CO und EU, wurde ι
als Trägergas und Plasmagas verwendet. J
Die zugeführte elektrische Leistung betrug 1000 kW. 2,5 kg j
SiOg/iain sowie 0,4 kg Pe/min wurden als Rohstoffe und als !
Reduktionsmittel 1,5 kg Kohle pro Minute zugeführt. j
Während des Versuchs wurde eine Gesamtmenge von etwa 500 kg j
Ferrosilizium mit 75^ Si hergestellt. Der durchschnittliche ·
Stromverbrauch betrug etwa 10 kWh/kg Ferrosilizium. '
Da der Versuch in einem relativ kleinen Maßstab durchgeführt ;
wurde, war der Wärmeverlust beträchtlich. Der Stromverbrauch , kann jedoch durch Gasrückgewinnung weiter reduziert werden
und die Wärmeverluste dürften bei einer größeren Anlage eben- : falls bedeutend abnehmen.
Perrosilizium wurde unter Verwendung von pulverisiertem
Eisentrioxid als Eisenrohmaterial unter Einhaltung der
gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt.
Eisentrioxid als Eisenrohmaterial unter Einhaltung der
gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt.
Bei diesem Versuch wurden 300 kg Ferrosilizium mit 75$ Si
hergestellt. Der durchschnittliche Stromverbrauch betrug etwa
11 kWh/kg Ferrosilizium.
hergestellt. Der durchschnittliche Stromverbrauch betrug etwa
11 kWh/kg Ferrosilizium.
Leerseite
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von Ferrosilizium aus einem Siliziumdioxid,
ein Reduktionsmittel, sowie ein eisenhaltiges Material enthaltenden Ausgangsmaterial durch Direktreduktion des
Siliziumoxids und gleichzeitige Reaktion zwischen Silizium und
Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß das
Siliziumdioxid enthaltende pulverisierte Material sowie das Eisen-Rohmaterial, möglicherweise zusammen mit einem Reduktions-
Andrejewski, Honice & Partner, Patentanwälte in Essen
mittel, mit Hilfe eines Trägergases in ein von einem Plasmagenerator
erzeugtes Plasmagas 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 Reaktionskammer eingebracht
werden, wodurch das Siliziumdioxid geschmolzen wird und zu Silizium reduziert wird, welches sich mit dem Eisen zu Ferrosilizium
verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasplasma in der Weise erzeugt wird, daß das Plasmagas
durch einen Lichtbogen in einem Plasmagenerator geleitet wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtbogen im Plasmagenerator induktiv erzeugt wird.
1I-. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch
gekennzeichnet, daß das feste Reduktionsrnittel in stückiger Form kontinuierlich der Reaktionszone zugeführt wird.
5- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis K, dadurch
gekennzeichnet, daß das feste Reduktionsmittel in stückiger Form aus Holz, Kohle oder Koks besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis o>
dadurch gekennzeichnet, daß das Piasmagas aus von der Reaktionszone zurückgeführtem Prozeßgas besteht.
οουοα tu
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
7· Verfahren naoh einern der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das feste Reduktionsmittel in stückiger Form aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus Petrolkoksbriketts,
Holzkohlenbriketts und HolzkohlenstUcken besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1J, dadurch
gekennzeichnet, daß das eingeblasene Reduktionsmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird, Vielehe aus Holzkohlenpulver,
pulverisiertem Petrolkoks, gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Propan und Leichtbenzin besteht.
9- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß als Siliziumdioxid-haltiges Ausgangsmaterial· Quarzsand verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch
gekennzeichnet, daß ein freies Eisen enthaltendes Material wie Eisenpellets, Eisenfeilspäne usw. als Eisen-Rohmaterial
verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eisentrioxid enthaltendes Ausgangsmaterial
als das Eisen-Rohmaterial verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch
gekennzeichnet, daß kalzinierte Pyrite als Eisen-Rohmaterial verwendet werden.
13« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß Fayalitschlaeken, welche hauptsächlich 2 FeO'SiO0 enthalten, als Ausgangsmaterial verwendet werden.
C-.
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| DE3306910A1 true DE3306910A1 (de) | 1984-03-15 |
| DE3306910C2 DE3306910C2 (de) | 1986-10-02 |
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