FI70259C - Saett att framstaella ferrokisel - Google Patents

Description

70259

Menetelmä ferropiin valmistamiseksi

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ferropiin valmistamiseksi piidioksidia sisältävästä lähtöaineesta, 5 pelkistysaineesta ja rautaa sisältävästä aineesta piidioksidin suoralla pelkistyksellä ja samanaikaisella piin ja raudan välisellä reaktiolla.

Ferropiin valmistus tapahtuu nykyisin sähköuunissa ja käyttäen Söderberg-elektrodeja. Tällöin on käytettävä kap-10 palemuotoista lähtöainetta ja tavallisesti käytetään kappa-lemuotoista kvartsia, joka sisältää noin 98 % Si02 ja alhaisia pitoisuuksia AI, Ca, P ja As. Pelkistysaineena voidaan käyttää alhaisen tuhkapitoisuuden omaavaa kappalemuo-toista koksia ja hiiltä ja mahdollisesti myös öljyliusketta. 15 Rautaraaka-aineena käytetään edullisesti pienikokoista rautaromua, useimmiten lastuja.

Menetelmä suoritetaan tavallisesti ilman kuonanmuo-dostusta. Siinä käytetään edullisesti kiertouuneja. Piistä kaasuuntuu suhteellisen suuri osuus SiO:na, joka uunin ul-20 kopuolella hapettuu valkeaksi Si02~savuksi. Mitä suurempi piipitoisuus on kyseessä, sitä enemmän piitä poistuu ja sitä suurempi on energiankulutus metalliseoksen tonnia kohti ja erityisesti saatua pii-tonnia kohti.

Seuraavassa taulukossa on esitetty tavallisimpien 25 piiseosten valmistuksessa tarvittava energia, piiseosten sannot ja sulamispisteet.

Taulukko

Laatu, Si-% 45 75 90 98 30 MWh/t lejeerinkiä 5-5,5 8,5-10 12-14 14-20

Si-saanto, % 91 85 81 75 MWh/t Si 11,0 12,5 15,0 18,0

Sulamispiste, °C 1300 1310 1380 1420

Ferropiiseoksia käytetään pääasiallisesti lejeeraus-35 aineina ja oksidien (esim. Cr203) pelkistyksen kuonasta, mutta erityisesti teräksen desoksidaatioon. Tavallisin fer-ropiilejeerinki sisältää vähintään 75 % Si ja liukenee 2 70259 teräkseen kehittäen lämpöä. Piimetallia, so. 98-%:ista Si, käytetään lisäaineena erikoisteräksiin sekä alumiiniin ja kupariin. 75 % Si sisältävää seosta käytetään lisäksi sili-kogeneettiseen pelkistykseen, esim. magnesiumin valmistuk-5 sessa.

Valokaariuunit vaativat kappalemuotoisen raaka-aineen käyttöä, mikä rajoittaa raaka-ainevalintaa ja vaikeuttaa mahdollisuutta käyttää erittäin puhtaita jauhemaisia raaka-aineita. Käytettäessä hienojakoisia raaka-aineita, nämä on 10 käyttöön soveltuakseen ensin agglomeroitava käyttäen jonkin laatuista sideainetta. Tämä tekee menetelmän entistä kalliimmaksi .

Valokaariuunitekniikka on lisäksi herkkä raaka-aineiden sähköisille ominaisuuksille. Kun lähtöraaka-aineena on 15 käytettävä kappalemuotoista raaka-ainetta, saadaan prosessissa paikallisesti huonompi kosketus piidioksidin ja pel-kistysaineen välille, mikä aiheuttaa SiO:n poistumista. Tätä poistumista edistävät prosessissa paikallisesti esiintyvät erittäin korkeat lämpötilat. Lisäksi valokaariuunissa 20 on vaikeaa ylläpitää panoksen yläpuolella absoluuttisesti pelkistäviä olosuhteita, mikä siten johtaa muodostuneen SiO:n uudelleen hapettumiseen SiC^tksi.

Edellä kuvatuista olosuhteista johtuvat suurimmaksi osaksi tämän menetelmän häviöt. SiO:n poistuminen ja edellä 25 mainittu SiO:n uudelleen hapettuminen SiO^rksi aiheuttavat suurien pölymäärien syntymisen, josta seuraa, että on asennettava kalliita kaasunpuhdistuslaitteistoja.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut haitat ja aikaansaada menetelmä, jonka vulla ferropiitä voi-30 daan valmistaa yhdessä ainoassa valmistusvaiheessa käyttäen jauhemaisia raaka-aineita.

Tämä saadaan aikaan johdannossa kuvatulla tavalla, jolle keksinnön mukaisesti on tunnusomaista, että jauhemainen piidioksidipitoinen materiaali mahdollisesti yhdessä 35 pelkistysaineen kanssa kantajakaasun avulla injisoidaan plasmageneraattorin kehittämään plasmakaasuun, minkä jälkeen näin kuumennettu piidioksidi ja rautaraaka-aine yhdessä 3 70259 mahdollisen pelkistysaineen kanssa ja energiarikas plasma-kaasu johdetaan reaktiotilaan, jota pääasiassa joka puolelta ympäröi kiinteä kappalemuotoinen pelkistysaine, minkä vaikutuksesta mainittu piidioksidi saadaan sulamaan ja pel-5 kistymään piiksi, joka yhtyy rautaan ferropiiksi. Säätämällä rautalisäystä voidaan lopullisen tuotteen piipitoisuus määrätä etukäteen.

Käyttämällä keksinnön mukaisesti ehdotettuja jauhemaisia raaka-aineita, tulee piidioksidiraaka-aineen valinta 10 helpommaksi ja halvemmaksi. Keksinnön mukaisesti ehdotetussa prosessissa eivät myöskään raaka-aineiden sähköiset ominaisuudet ole kriittisiä, mikä seikka helpottaa pelkistysai-neen valintaa. Kun lisäksi pelkistysainetta on koko ajan läsnä ylimäärin, taataan muodostuneen SiO:n pelkistyminen 15 välittömästi Si:ksi.

Piidioksidipitoisena materiaalina käytetään edullisesti kvartsihiekkaa, joka syötetään yhdessä rautaraaka-ai-neen kanssa. Rautaraaka-aineena voi olla esim. rautalastut, rautasienipelletit, rautagranulaatti. Piidioksidiraaka-ai-20 neeksi ja myös hiiliraaka-aineeksi sopivat erityisen hyvin kvartsista ja hiilijauheesta valmistetut mikropelletit. Lähtöaineina voidaan kuitenkin käyttää myös muita rautapitoisia materiaaleja, esim. kiisupasutetta, joka sisältää noin 66 % Fe oksideina. Myös muita rautaoksidipitoisia materiaa-25 leja voidaan käyttää, koska nämä oksidit pelkistyvät samalla, kun piidioksidi pelkistyy piiksi. Myös rautaa ja piitä sisältäviä oksidiyhdisteitä voidaan käyttää; esimerkkinä mainittakoon 2FeO.SiC>2 (fayaliitti) .

Injisoitava pelkistysaine voi olla esimerkiksi hiili-30 vety, kuten maakaasu, hiilijauhe, puuhiilijauhe, mahdollisesti puhdistettu petroli’Oksi tai koksisora.

Prosessin tarvitsemaa lämpötilaa voidaan helposti säätää plasmakaasuyksikköä kohti käytetyn sähköenergiamää-rän avulla, jolloin prosessissa voidaan ylläpitää optimaa-35 lisiä, mahdollisimman vähäistä SiO-häviötä aiheuttavia olosuhteita .

4 70259

Reaktiotilan ollessa pääasiallisesti joka puolelta kappalemuotoisen pelkistysaineen ympäröimä, estyy tehokkaasti myös SiO:n uudelleen'hapettuminen.

Keksinnön mukaisessa edullisessa suoritusmuodossa 5 kiinteää kappalemuotoista pelkistysainetta viedään jatkuvasti pelkistysvyöhykkeeseen sitä mukaan, kun pelkistysainetta kuluu.

Kappalemaisena kiinteänä pelkistysaineena käytetään sopivasti koksia, puuhiiltä ja/tai petrolikoksia. Prosessis-10 sa käytettynä plasmakaasuna on edullisesti reaktiovyöhyk- keestä poistuva uudelleenkierrätetty prosessikaasu. Kiinteänä kappalemuotoisena pelkistysaineena voidaan myös käyttää jauhemaista materiaalia, joka on muutettu kappalemuotoon sideaineella, joka sisältää hiiltä ja vetyä ja mahdollisesti 15 happea, esimerkiksi sakkaroosilla.

Vielä eräässä keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa plasmapolttimena käytetään ns. induktiivista plasmapoltinta, minkä johdosta elektrodeista mahdollisesti aiheutuvat epäpuhtaudet saadaan absoluuttisesti minimoitua.

20 Keksinnössä ehdotetulla menetelmällä voidaan edul lisesti valmistaa laadultaan erityispuhdasta ferropiitä, kun raaka-aineina käytetään erityisen puhdasta piidioksidia ja pelkistysaineita, joiden epäpuhtauspitoisuudet ovat erittäin alhaiset. Kaasusysteemin ollessa edullisesti suljettu 25 systeemi, ts. prosessikaasun kierrätyksestä johtuen voidaan olennaisesti kaikki energia ottaa talteen. Lisäksi kaasu-määrät ovat huomattavasti pienemmät kuin normaaleissa FeSi-prosesseissa, millä myös on merkitystä energian kulutuksen kannalta. Kuten edellä mainittiin, SiO-muodostus on periaat-30 teessä täysin poistettu ja siten myös SiC^-savun aiheuttamat pölyongelmat.

Keksinnön mukaisen menetelmän muut edut ja tunnusmerkit ilmenevät seuraavasta selityksestä suoritusesimerk-keineen ja liitteenä olevasta piirroksesta, jossa on kuvat-35 tu keksinnön mukaisen menetelmän suorituksessa käytettävä reaktori.

70259

Keksinnön mukaisen menetelmän suorituksessa on mahdollista keskittää koko reaktionkulku erittäin rajoitettuun reaktiovyöhykkeeseen puhallusaukon välittömään läheisyyteen, mistä johtuen prosessin korkealämpötilatilavuus voidaan teh-5 dä erittäin rajoitetuksi- Tällä on suurta etua tunnettuihin menetelmiin verrattuna, joissa pelkistysreaktiot tapahtuvat peräkkäin jakautuneina laajalle alueelle uunissa.

Suorittamalla prosessi siten, että kaikki reaktiot tapahtuvat reaktiovyöhykkeessä koksikerroksessa välittömästi 10 plasmageneraattorin edessä, voidaan reaktiovyöhyke pitää erittäin korkeassa ja säädettävissä olevassa lämpötilassa, joka suosii reaktiota Si02 + 2 C —> Si + 2 CO.

Kaikki reaktantit (Si02f SiO, SiC, Si, C, CO) ovat samanaikaisesti reaktiovyöhykkeessä, mistä johtuen vähäisi-15 nä määrinä muodostuneet tuotteet SiO ja SiC reagoivat välittömästi seuraavasti:

SiO + C —> Si + CO SiO + SiC —> 2 Si + CO 2 SiC + Si02 —> 3 Si + 2 CO

20 Muodostunut sula pii reagoi samoin sulan raudan kans sa reaktiovyöhykkeessä ja kaasumainen CO poistuu reaktio-vyöhykkeestä .

Reaktiot suoritetaan edullisesti kuilu-uunia muistuttavassa reaktorissa 1, johon yläosasta jatkuvasti syötetään 25 kiinteää pelkistysainetta 2 esimerkiksi uunin nielun 3 kautta, jossa on tasaisesti jakautuneina suljettuja syöttökou-ruja tai kuilu-uunin reunaan liittyvän renkaan muotoisen syöttöraon 4 kautta. Rautapelletit tai muu kappalemainen rautaraaka-aine syötetään edullisesti reaktorin yläosasta.

30 Mahdollisesti etukäteen pelkistetty piidioksidipitoi- nen jauhemainen materiaali ja jauhemainen rautaraaka-aine puhalletaan reaktoriin 1 sen alaosassa olevien puhallusauk-kojen 5 ja 6 kautta inertin tai pelkistävän kaasun avulla. Puhallusaukot 5 ja 6 avautuvat plasmageneraattorin 7 eteen 35 siinä kehitettyyn plasmakaasuun.

Samanaikaisesti voidaan reaktoriin puhaltaa hiilivetyjä ja mahdollisesti myös happea edullisesti samojen 6 70259 puhallusaukkojen kautta. Rauta lisätään edullisesti rauta-metallina reaktiovyöhykkeeseen. Kuten aikaisemmin mainittiin, voidaan kuitenkin käyttää myös rautaoksidia, joka pelkistyy reaktiovyöhykkeessä raudaksi, joka sitten yhtyy pii-5 hin ferropiiksi.

Kappalemaisella pelkistysaineella 2 täytetyn kuilu-uunin 1 alaosassa on reaktiotila 8, jota ympäröi olennaisesti joka puolelta kappalemainen pelkistysaine 2. Reaktiotila 8 syntyy kuuman seoksen polttaessa vapaan tilan, joka πηλοί 0 dostuu aina uudelleen sitä myöten, kun sen pelkistysainees-ta koostuvat seinämät sortuvat. Tässä pelkistysvyöhykkeessä tapahtuu piidioksidin ja mahdollisen rautaoksidin pelkistyminen ja sulaminen hetkessä.

Valmistettu sula metalliseos lasketaan ulos reakto-15 rin pohjassa olevan kourun 9 kautta ja kootaan sopivasti, esimerkiksi astiaan 10.

Reaktorista poistuva reaktorikaasu, joka sisältää suurena konsentraationa hiilimonoksidia ja vetyä, saatetaan edullisesti uudelleen kiertoon ja käytetään plasmakaasun 20 tuottamiseen sekä jauhemaisen panoksen kuljetuskaasuna tai kantajakaasuna.

Keksinnön valaisemiseksi esitetään lisäksi kaksi suo-ritusesimerkkiä.

Esimerkki 1 25 Suoritettiin koe puolisuuressa mittakaavassa. Piiraa- ka-aineena käytettiin merihiekkaa, jonka raekoko oli alle 1,0 mm ja rautaraaka-aineena käytettiin rautalastuja. "Reaktiotila" muodostui koksita. Pelkistysaineena käytettiin propaania (gasol) ja kantajakaasuna ja plasmakaasuna käy-30 tettiin pestyä pelkistyskaasua, joka koostui CO:sta ja H2:sta.

Syötetty sähköteho oli 1 000 kW. Raaka-aineita syötettiin 2,5 kg SiC^/minuutti ja 0,4 kg Fe/minuutti ja pelkistysaineena syötettiin 1,5 kg hiiltä/minuutti.

35 Kokeessa tuotettiin kaikkiaan noin 500 kg ferropii- tä, jonka Si-pitoisuus oli 75 %. Keskimääräinen sähköenergian kulutus oli noin 10 kWh/kg tuotettua ferropiitä.

7 70259 Lämpöhäviö oli suuri johtuen kokeen suorituksesta suhteellisen pienessä mittakaavassa. Sähkönkulutusta voidaan edelleen alentaa ottamalla kaasu talteen ja lämpöhäviöt pienenevät myös huomattavasti käytettäessä suurempaa laitteis-5 toa.

Esimerkki 2

Muuten samoissa olosuhteissa kuin esimerkissä 1 valmistettiin ferropiitä käyttäen kuitenkin rautaraaka-aineena jauhemaista rautaoksidia. Rautaoksidia syötettiin 0,5 kg/ 10 minuutti.

Tässä kokeessa tuotettiin 300 kg ferropiitä, jonka Si-pitoisuus oli 75 %. Keskimääräinen sähköenergiankulutus oli noin 11 kWh/kg tuotettua ferropiitä.

Claims (13)

70259

1. Tapa valmistaa ferropiitä piidioksidia sisältävästä lähtöaineesta, pelkistysaineesta ja rautapitoisesta 5 materiaalista piidioksidin suoralla pelkistyksellä ja samanaikaisella piin ja raudan välisellä reaktiolla, tunnettu siitä, että jauhemainen piidioksidipitoinen materiaali, mahdollisesti yhdessä pelkistysaineen kanssa kanta jakaasun avulla injisoidaan plasmageneraattorin kehittä-10 mään plasmakaasuun, minkä jälkeen näin kuumennettu piidioksidi ja rautaraaka-aine yhdessä mahdollisen pelkistysaineen kanssa ja energiarikkaan plasmakaasun kanssa johdetaan reak-tiotilaan, jota pääasiassa joka puolelta ympäröi kiinteä kappalemuotoinen pelkistysaine, minkä vaikutuksesta mainit-15 tu piidioksidi saadaan sulamaan ja pelkistymään piiksi, joka yhtyy rautaan ferropiiksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että mainittu kaasuplasma valmistetaan johtamalla plasmakaasu sähkövalokaaren kautta niin sanotus- 20 sa plasmageneraattorissa.

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen tapa, tunnettu siitä, että plasmageneraattorin valokaari synnytetään induktiivisesti.

4. Patenttivaatimusten 1-3 mukainen tapa, t u n -25 n e t t u siitä, että kiinteää kappalemuotoista pelkistys- ainetta johdetaan jatkuvasti reaktiovyöhykkeeseen.

5. Patenttivaatimusten 1-4 mukainen tapa, tunnettu siitä, että kiinteä kappalemuotoinen pelkistys-aine on puuhiiltä tai koksia.

6. Patenttivaatimusten 1-5 mukainen tapa, tun nettu siitä, että plasmakaasuna on reaktiovyöhykkeestä poistuva uudelleen kierrätetty prosessikaasu.

7. Patenttivaatimusten 1-6 mukainen tapa, tunnettu siitä, että kiinteä kappalemuotoinen pelkistys-35 aine on valittu ryhmästä, joka käsittää briketoidun petro-likoksin, briketoidun puuhiilijauheen ja kappalemuotoisen puuhiilen. 9 70259

8. Patenttivaatimusten 1-7 mukainen tapa, tunnettu siitä, että injisoitu pelkistysaine on valittu ryhmästä, joka käsittää puuhiilijauheen, jauhemaisen petro-likoksin, kaasumaiset ja nestemäiset hiilivedyt, kuten maa- 5 kaasun, propaanin ja kevytbensiinin.

9. Patenttivaatimusten 1-8 mukainen tapa, tunnettu siitä, että piidioksidipitoisena lähtöaineena käytetään kvartsihiekkaa.

10. Patenttivaatimusten 1-9 mukainen tapa, t u n -10 n e t t u siitä, että rautaraaka-aineena käytetään vapaata rautaa sisältävää materiaalia, kuten rautapellettejä, rautalastuja jne.

11. Patenttivaatimusten 1-9 mukainen tapa, tunnettu siitä, että rautaraaka-aineena käytetään rauta- 15 oksidipitoista lähtöainetta.

12. Patenttivaatimusten 1-9 mukainen tapa, tunnettu siitä, että rautaraaka-aineena käytetään kiisu-pasutetta.

13. Patenttivaatimusten 1-12 mukainen tapa, t u n -20 n e t t u siitä, että lähtöaineena käytetään fayaliitti- kuonaa, joka sisältää pääasiallisesti 2 FeO · Si02:ta. 70259