DE3814310A1 - Verfahren zur raffination von si-metall und si-eisenlegierungen - Google Patents
Verfahren zur raffination von si-metall und si-eisenlegierungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Raffination
von Si-Metall und Si-Eisenlegierungen mit Hilfe eines
sauerstoffhaltigen Prozeßgases nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
Im Reduktionsofen erzeugtes Si-Metall oder Si-Eisenlegie
rungen enthalten neben Silizium auch andere Elemente, vor
allem Aluminium, Calzium und Titan, die unerwünscht sind
und deshalb aus der flüssigen Si-Metallschmelze oder Si-
Eisenlegierungschmelze vor dem Abguß entfernt werden müs
sen. Zur Entfernung dieser Beimengungen sind verschiedene
Verfahren bekannt.
Eine sehr einfache Methode besteht darin, Eisenoxide in
die Abstichpfanne zu geben. Die Eisenoxide werden hierbei
reduziert, während die Beimengungen oxidieren. Der Um
setzungsgrad ist nicht bekannt. Durch die Freisetzung des
Eisens, welches in die Schmelze übergeht, wird der Sili
ziumgehalt der Legierung verringert.
Wesentlich wirksamer ist, die direkte Zugabe von Sauer
stoff in die Schmelze, um aus Calzium, Aluminium und Titan
die Oxide CaO, Al₂O₃ und TiO2 zu bilden. Dies ist ohne
Nachteil für die Legierung, im Gegenteil, durch die Ent
fernung der Beimengungen aus der Schmelze steigt die
Konzentration des Siliziums um etwa 2 bis 4% an. Die An
wendung von gasförmigem Sauerstoff hierfür ist Stand der
Technik. Der Sauerstoff wird entweder mittels Blaslanzen
von oben in die Schmelze eingeführt oder durch Gasdüsen
oder poröse Bodensteine von unten in die Schmelze einge
leitet. Die Ausnützungsgrade und Raffinationsergebnisse
sind unterschiedlich.
Beim Aufblasen des Sauerstoffs mittels Graphitlanzen wer
den die unerwünschten Begleitelemente entfernt. Da durch
die Oxidation der Begleitelemente in der Schmelze jedoch
keine Reaktionsgase erzeugt werden, ist die Durchmischung
der Schmelze und somit die Reaktionsgeschwindigkeit gering.
Zur Verbesserung der Durchmischung führt man daher vielfach
zusätzlich Inertgas durch Spülsteine im Pfannenboden ein.
Die Reaktion läuft wegen der immer noch nicht ausreichen
den Durchmischung mit hohem Siliziumabbrand ab, die Sauer
stoffausbringung bezogen auf die Aluminiumoxidation und
die Standzeit der Lanzen ist gering. Das Aufblasverfahren
wird daher überwiegend nur bei kleinen Mengen in kleinen
Pfannen durchgeführt.
Eine wesentlich bessere Durchmischung ergibt sich beim
Einblasen des Sauerstoffs durch im Pfannenboden installier
te Blasdüsen. Da die Raffination mit Energieüberschuß
abläuft, treten außerordentlich hohe Prozeßtemperaturen
von 1600°C bis 1700°C auf. Dies führt in Verbindung
mit der Sauerstoffeintragung zu einem außerordentlich
schnellen Verschleiß der Einblasdüsen und der Feuerfest
auskleidung des Gefäßes. Aus der PCT=Anmeldung WO 86/00 695
ist eine aus verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzte
Einblasdüse bekannt, welche eine gute Wärmeabfuhr er
möglicht und deshalb einen verhältnismäßig geringen Ver
schleiß zeigt. Der Düsenkopf ist als Verschleißteil aus
gebildet und kann leicht ausgewechselt werden. Der Aufbau
dieser Einblasdüse ist jedoch kompliziert und die Düse
entsprechend teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren zur Raffination von Si-Metall und Si-Eisenlegie
rungen mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Prozeßgases
zu schaffen, welches einerseits die Vorteile des Sauer
stoffeintrages durch den Boden des Behandlungsgefäßes
aufweist, andererseits nur einfache und mit nur geringen
Verschleiß behaftete Einblasdüsen benötigt.
Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berück
sichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungs
gemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Zufuhr von Przeßgasen durch Mantelgasdüsen in Metall
schmelzen ist seit langem bekannt, beispielhaft seien
hierzu die DE-OS 19 04 383, die DE-PS 19 16 945 und die
DE-OS 27 38 273 genannt. Es ist jedoch auch bekannt, wie
beispielsweise in der DE-OS 27 38 273 ausgeführt wird,
daß diese Matelgasdüsen vor allem beim Einblasen von
Sauerstoff stark verschleißen. Zur Raffination von Si-
Metall und Si-Eisenlegierungen erschienen sie daher we
gen der sehr hohen Prozeßtemperaturen gänzlich ungeeig
net. Überraschenderweise zeigte sich jedoch, daß prak
tisch kein Düsenverschleiß und keine Erosion des Reak
torbodens auftritt. Die Ursache hierfür ist, daß sich
etwa nach 5 Min. Blaszeit auf der Mantelgasdüse ein
pilzförmiger Körper aus einer porösen, feuerfesten Masse
aufbaut. Diese Masse besteht aus SiO₂, Al₂O₃ CaO und
anderen Bestandteilen. Der Pilz deckt die Düsenöffnung
zu und verlegt die Einleitung der Gase nach oben, weg
vom Reaktorboden. Wesentlicher Bestandteil des sich
bildenden pilzförmigen Körpers ist SiO2, dessen Anteil
über 80% beträgt. Im praktischen Betrieb erreichen die
pilzförmigen Körper 100 bis 600 mm Länge und 100 bis
300 mm Durchmesser.
Die für die Raffination notwendige Sauerstoffmenge für
die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann
aufgrund der hohen Mischungsenergie stöchiometrisch be
rechnet werden. Aus den Reaktionsgleichungen
Ca+1/2 O2=CaO, 2Al+3/2 O2=Al₂O₃ und Ti+O2=TiO2
kann für die angestrebte Zielanalyse der Legierung die
benötigte Sauerstoffmenge, die Schlackenzusammensetzung
und die freiwerdende Reaktionswärme berechnet
werden. Um ein zu starkes Aufheizen der Schmelze durch
die freiwerdende Wärme zu verhindern, werden Kühlmittel
zugegeben. Als Kühlmittel können aufgrund der hohen
Mischungsenergie auch Abfallstoffe des Schmelzbetriebes
in Form von Metall-Schlacken-Gemischen verwendet werden.
Die in den Abfallstoffen enthaltenen Metalle werden da
durch recycled, d.h. die Metallausbeute ist mehr als 100%.
Durch die Sauerstoffzufuhr in stöchiometrischer Menge
lassen sich die Prozeßtemperatur und durch Zugaben von
Quarz und Kalk die Zusammensetzung der Prozeßschlacke
in optimalen Bereichen einstellen. Die Proßeztemperatur
kann z.B. in dem Intervall zwischen 1350°C und 1550°C
geführt werden. Die Prozeßschlacke kann so geführt wer
den, daß diese der Zusammensetzung der Feuerfestausklei
dung entspricht, z.B. 60% Al₂O₃, 20% SiO2 und 20% CaO.
Ein Reaktorverschleiß tritt hierbei praktisch nicht mehr
auf, da die hochfeuerfesten Proßezschlacken die Reaktor
wand auskleiden und einen Verschleiß ausschließen. Durch
Änderung der Schlackenzusammensetzung und der Prozeß
temperatur können jederzeit die zu viel angesetzten
Schlacken an der Reaktorwand durch Aufschmelzen entfernt
werden.
Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt.
Die Zeichnung zeigt eine Pfanne 1 mit einer feuerfesten
Auskleidung 2, in deren Boden eine Mantelgasdüse 3 in
stalliert ist. Durch das Innenrohr der Mantelgasdüse 3
wird Sauerstoff, wiedergegeben durch den Pfeil 4 und
durch das Außenrohr Stickstoff, wiedergegeben durch
die Pfeile 5, in die Si-Metallschmelze 6 eingeleitet.
Dargestellt sind die Verhältnisse nach einer längeren,
stationären Betriebsweise. Vor der Düsenöffnung hat sich
ein pilzförmiger Körper 7 gebildet, der überwiegend aus
SiO2 besteht und sowohl die Mantelgasdüse 3 als auch
die feuerfeste Auskleidung 2 vor Verschleiß schützt.
Der pilzförmige Körper 7 behindert nicht den Gasaustritt
in die Si-Metallschmelze 6. Auf der Wand der Pfanne 1 bzw.
deren feuerfeste Auskleidung 2 setzt sich Schlacke 8 ab,
die mit der auf der Si-Metallschmelze schwimmenden Schlac
ke 9 in einem gewissen Wechselspiel steht.
Der Raffinationsprozeß kann so geführt werden, daß die
Schlacke 8 ebenfalls abschmilzt oder sich die Schlacke 9
an der Wand ansetzt.
Claims (15)
1. Verfahren zur Raffination von Si-Metall und Si-Eisen
legierungen mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Prozeß
gases und Zugabe von Schlackenbildnern und Kühlmitteln
in einem Behandlungsgefäß,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Prozeßgas durch mindestens eine im Boden des
Behandlungsgefäßes installierte Mantelgasdüse (3) mit
Außen- und Innenrohr der Schmelze zugeführt wird, in
dem durch das Innenrohr sauerstoffhaltiges Prozeßgas
und durch das Außenrohr ein inertes oder reaktions
träges Mantelgas eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Mantelgas Stickstoff, Argon, Kohlendioxid,
Kohlenmonoxid und/oder Preßluft eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Prozeßgas Sauerstoff, CO2, Luft oder deren
Gemische eingeleitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Mantelgas und das Prozeßgas mit Schallge
schwindigkeit in die Schmelze eingeleitet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die spezifische Mantelgasmenge 0,1 bis 0,5 m3 (i.N.)
pro Tonne Schmelze und Minute beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Prozeßgasmenge 0,2 bis 2,0 m3 (i.N.) pro Tonne
Schmelze und Minute beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Reduzierung der Begleitelemente auf Gehalte
von Al bis 0,1%, Ca bis 0,01% und Ti bis 0,01% der
Sauerstoff in stöchiometrischer Menge entsprechend
der chemischen Analyse der Rohschmelze zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Raffinationsprozesses zwischen
1350°C und 1550°C geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Berechnung der Reaktionsschlacken stöchio
metrisch anhand der Rohanalyse festgelegt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Berechnung der freigesetzten Energie
die Mengen an Schlackenbildnern und an Kühlmittel fest
gestellt und festgelegt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die durch gezielte Berechnung erzeugte Prozeß
schlackenzusammensetzung einen Al₂O₃-Gehalt von 60%
bis 90% und einen Schmelzpunkt von über 1600°C aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
dadurch gekennzeichnet,
daß als notwendige Kühlmittel Abfälle des Schmelzbe
triebes in Form von Metall-Schlacken-Gemischen ver
wendet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Prozeßführung rechnergestützt erfolgt und
dazu ein PC-Rechner benutzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß Si-Metalle oder Si-Eisenlegierungen mit Silizium
gehalten von 10% bis 99% raffiniert werden.
15. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach einem
der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Behandlungsgefäß als Konverter oder im Kipp
stuhl befestigte Pfanne (1) ausgebildet ist, in deren
Boden mindestens eine Mantelgasdüse (3) installiert
ist, deren Innenrohr einen Anschluß für Prozeßgas
und deren Außenrohr einen Anschluß für das Mantelgas
aufweist.
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- 1989-01-31 ZA ZA89750A patent/ZA89750B/xx unknown
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