DE3306910C2

DE3306910C2 - Herstellung von Ferrosilizium

Info

Publication number: DE3306910C2
Application number: DE3306910A
Authority: DE
Inventors: Sune Eriksson; Sven Hofors Santén
Original assignee: SKF Steel Engineering AB
Current assignee: SKF Steel Engineering AB
Priority date: 1982-09-08
Filing date: 1983-02-26
Publication date: 1986-10-02
Also published as: OA07396A; FI70259C; BR8301516A; AU553732B2; SE8205086L; NO157066B; ES520029A0; NO830389L; US4526612A; FI830441A0; SE8205086D0; JPS5950155A; GB2126606A; DE3306910A1; FI830441L; ZA831401B; FR2532661A1; SU1329623A3; GB2126606B; GB8304721D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ferrosilizium aus einem Siliziumdioxid enthaltenden Material. Diese Materialien werden, möglicherweise zusammen mit einem Reduktionsmittel, mit Hilfe eines Trägergases in ein Plasmagas eingeblasen. Das Siliziumdioxid und das Eisen-Rohmaterial, möglicherweise 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 stückiger Form umschlossen 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.

Description

Die Erfindung betrifft die 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 Söderberg-Elektroden verwendet. Hierzu wird ein Ausgangsmaterial in stückiger Form, im allgemeinen Quarz benötigt, welcher etwa 98% S1O2 und geringe Mengen an AI, Ca₁ 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. Der verwendete Eisenrohstoff ist vorzugsweise kleiner Stahlschrott, gewöhnlich Eisenfeilspäne.

Das Verfahren wird gewöhnlich in der Weise durchgeführt, daß sich keine Schlacke bildet, und vorzugsweise werden Drehofen verwendet. Eine relativ große Menge von Silizium wird in Form von SiO verdampft, welches außerhalb des Ofens zu einem weißen SiO₂-Rauch oxidiert wird. Je höher der Siliziumgehalt ist, umso größer isl die Menge an verlorengegangenem Silizium und umso größer ist der Energieverbrauch pro to Legierung und insbes. pro to an gewonnenem Silizium.

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

Tabelle

₆₀ Qualität, %-Gehalt an Si

45 75 90 9K

MWh/t, Legierung Si-Ausbeute % 65 MWhA₁Si

Schmelzpunkt, ⁰C

Die Ferrosilizium-Legierungen werden hauptsächlich als Legierungszusätze verwendet sowie zur Reduktion

5-5,5	8,5-10	12-14	14-20
91	85	81	75
11,0	12,5	15,0	18,0
1300	1310	1380	1420

von Oxiden aus Schlacke wie beispielsweise Cr₂O₃, speziell jedoch zur Reduktion oder ium Beruhigen von Stahl. Die gebräuchlichste Ferrosilizium-Legierung enthält 45% Si. Legierungen mit 75% Si und darüber lösen sich in Stahl unter Wärmeentwicklung. Siliziummetall, d. h. 98% Si, wird als Zusatz insbes. für Stahl verwendet, jedoch auch als Zusatz zu Aluminium und Kupfer. Die Legierung mit 75% Si wird auch beispielsweise bei der silikogenetischen Reduktion von Magnesium verwendet

Lichtbogenofen erfordern ein Ausgangsmaterial in stückiger Form, wodurch sich Grenzen für das Rohmaterial ergeben und der Einsatz von sehr reinem Rohmaterial in Pulverform kompliziert wird. Wenn feinkörnige Stoffe verwendet werden sollen, müssen sie mittels irgendeines Binders zu größeren Stücken verbunden werden, was die Verfahrenskosten weiter steigert.

Das Lichtbogenofen-Verfahren ist auch in bezug auf die elektrischen Eigenschaften der Rohstoffe empfindlieh. 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 reoxidiert wird.

Die vorgenannten Faktoren sind für die meisten Verluste bei diesem Verfahren verantwortlich. Der SiO-Verlust und die vorgenannte Reoxidation von SiO zu SiO₂ führt zu beträchtlichen Rauchmengen, was wiederum dazu führt, daß preisaufwendige Gasreinigungseinrichtungen eingebaut werden müssen.

Bei einem anderen Verfahren (US-PS 41 55 753) werden eisenhaltige Rohstoffe und Reduktionsmittel brikettiert sowie zusammen mit einem siliziun.haltigen Rohstoff in einen Schmelzofen gebracht und dort bei hohen Temperaturen aufgeschmolzen.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Ferrolegierung, insbes. Ferrochrom aus einem oxidischen Ausgangsmaterial und einem Reduktionsmittel (GB-OS 20 77 766), bei dem das oxidische pulverisierte Material, möglicherweise zusammen mit einem Reduktionsmittel, mit Hilfe eines Trägergases in ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Plasmagas eingeblasen wird 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 wird, wodurch das Einsatzmaterial geschmolzen und reduziert wird und eine .schmelzflüssige Ferrolegierung abgezogen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einstufiges Verfahren zur Gewinnung von Ferrosilizium unter Verwendung von Rohstoffen in Pulverform bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Anwendung nach Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anwendung erleichtert die Auswahl der Siliziumdioxid-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 Quarzsand verwendet, welcher zusammen mit dem Eisenrohstoff eingespeist wird. Der Eisenrohstoff kann aus Eisenfeilspänen, Schwammeisen-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% Fe in Form von Oxiden enthalten, können jedoch ebenfalls als Ausgangsmaterial verwendet werden. Selbst anderes Material, welches Eisen(Ill)oxid enthält, kann verwendet werden, da diese Oxide gleichzeitig reduziert werden, wenn das Siliziumdioxid zu Silizium reduziert wird. Oxidverbindungen von Fe und Si sind ebenfalls geeignet und als Beispiel kann 2 FeO · SiO₂ (Fayalit) erwähnt werden.

Als zusätzliches Reduktionsmittel können Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Erdgas, Kohlenstaub, Holzkohlenpulver, Petrolkoks, sogar in gereinigter Form, und Kohlengrus in das Plasmagas 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-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 das feste Reduktionsmittel in stückiger Form kontinuierlich der Reaktionszone entsprechend seinem Verbrauch zugeführt. Als festes Reduktionsmittel eignen sich Koks, Holzkohle und/oder Petrolkoks. Das 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 O 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 Minimalwert herabgesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von extrem reinem Ferrosilizium, so daß extrem reines Siliziumdioxid 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 vollkommen 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 eines Reaktors zur

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie er in der Zeichnung dargestellt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, die gesamte Reaktion in einer sehr begrenzten Rcaktions/oiiu in unmittelbarer Nachbarschaft der Blasform zu konzentrieren, wodurch das Hochtemperatur-Volumen 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 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 + 2C — Si + 2 CO.

Alle Reaktionsteilnehmer (SiO₂, SiO, SiC, 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-2Si + CO
2 SiC + SiO₂ — 3 Si + 2 CO

Dieses flüssige Silizium reagiert mit dem flüssigen Eisengehalt in der Reaktionszone, während das gasförmige CO die Reaktionszone verläßt.

Die Reaktionen werden vorzugsweise in einem Reaktor 1 durchgeführt, der einem Schachtofen ähnelt und kontinuierlich von oben her mit 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 Eisen(III)oxid 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 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 als Transportgas oder Trägergas für die Pulvercharge ausgenutzt.

Zur weiteren Illustrierung der Erfindung werden nachstehend zwei Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

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 Koks. Propan (LPG) wurde als Reduktionsmittel verwendet und gewaschenes so Reduktionsgas, bestehend aus CO und H₂, wurde als Trägergas und Plasmagas verwendet

Die zugeführte elektrische Leistung betrug 1000 kW. 2,5 kg SiO₂/min sowie 0,4 kg Fe/min wurden als Rohstoffe und als Reduktionsmittel 1,5 kg Kohle pro Minute zugeführt

Während des Versuchs wurde eine Gesamtmenge von etwa 500 kg 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 ebenfalls bedeutend abnehmen.

Beispiel 2

Ferrosilizium wurde unter Verwendung von pulverisiertem Eisen(III)oxid als Eisenrohmaterial unter Einhaltung dergleichen 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer Ferrolegierung aus feinkörnigen Eisenrohstoffen und feinkörnigen oxidischen Legierungsrohstoffen in einem Schachtofen mit Füllung aus stückigen Reduklionsmitteln, nämlich Koks, und mindestens einem Plasmabrenner im Bereich der Schachtofensohle, wobei eine Mischung der feinkörnigen Rohstoffe mit einem Trägergasstrom in ein von dem Plasmabrenner erzeugtes Plasmagas eingeblasen wird und aus dem Boden des Schachtofens die Ferrolegierung abgezogen wird,
auf die Herstellung von Ferrosilizium,

mit der Maßgabe, daß als Legierungsstoff Quarzsand eingesetzt wird und die Reaktionszone vor dem Plasmagenerator auf einem steuerbaren Temperaturwert gehalten wird, damit Siliziumoxid mit Kohlenstoff zu Silizium und Kohlenmonoxid umgesetzt wird und nur geringe Anteile an Siliziumoxid und Siliziumcarbid entstehen.

2. Anwendung nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß das Plasmagas durch einen Lichtbogen im Plasmagenerator geleitet wird.

3. Anwendung nach Anspruch 1 und 2, mit der Maßgabe, daß der Lichtbogen im Plasmagenerator induktiv

erzeugt wird.

4. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit der Maßgabe, daß das feste Reduktionsmittel in stückiger Form kontinuierlich der Reaktionszone zugeführt wird.

5. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit der Maßgabe, daß das feste Reduktionsmittel in stückiger Form aus Holz, Kohle oder Koks besteht.

6. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit der Maßgabe, daß das Plasmagas aus von der Reaktionszone zurückgeführtem Prozeßgas besteht

7. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit der Maßgabe, daß das feste Reduktionsmittel in stückiger Form aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus Petrolkoksbriketts, Holzkohlenbriketts und Holzkohlenstücken besteht.

8. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit der Maßgabe, daß zusätzlich ein Reduktionsmittel in das Plasmagas eingeblasen wird und das eingeblasene Reduktionsmittel aus einer Gruppe ausgewählt wird, welches aus Holzkohlenpulver, pulverisiertem Petrolkoks, gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Propan und Leichtbenzin besteht.

9. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit der Maßgabe, daß ein freies Eisen enthaltendes Material wie Eisenpellets, Eisenfeilspäne usw. als Eisenrohstoff verwendet wird.

10. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit der Maßgabe, daß ein Eisen(lll)oxid enthaltendes Ausgangsmaterial als Eisenrohstoff verwendet wird.

11. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit der Maßgabe, daß kalzinierte Pyrite als Eisenrohstoff verwendet werden.

12. Anwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit der Maßgabe, daß Fayalitschlackcn, welche hauptsächlich 2 FeO · SiC^ enthalten, als Rohstoff verwendet werden.