JPH05271854A

JPH05271854A - フェロシリコン合金の製造法

Info

Publication number: JPH05271854A
Application number: JP5030204A
Authority: JP
Inventors: Vishu D Dosaj; ビシュ・ダット・ドサ; James B May; ジェイムス・バラット・メイ
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1993-10-19
Also published as: EP0557020A2; ZA931028B; NO930470D0; NO930470L; US5174810A; EP0557020A3; CA2089456A1

Abstract

(57)【要約】【目的】フエロシリコン合金の製錬法の提供。【構成】本法は、炭素原料と、ケイ素および鉄の酸化
物からなる尾鉱を実質的密閉炉へ添加することからな
る。熱は、カソード電極とアノード機能炉床間に直流ア
ークを点弧することによって炉に供給される。本発明の
望ましい実施態様におけるカソード電極は中空であり、
実質的密閉炉への供給材料は中空電極を通される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フエロシリコン合金の
製錬法である。該方法は炭素原料と、ケイ素および鉄の
酸化物からなる尾鉱（テーリング）を実質的密閉炉へ添
加することからなる。熱は、カソード電極とアノード機
能炉床間に直流アークを点弧させることによって炉に供
給される。本発明の望ましい実施態様において、カソー
ド電極は中空であり、実質的密閉炉への供給材料はその
中空電極を通される。

【０００２】

【従来の技術】クールマン（Ｋｕｈｌｍａｎ）による１
９６５年１１月２日付け米国特許第３，２１５，５２２
号は、電気炉におけるケイ素金属含有合金の製造法を記
載している。該方法は、少なくとも１つの中空炭素質電
極の回りにシリカ、還元性金属化合物や被還元金属のよ
うな合金成分および炭素質還元剤の混合物を充てんする
工程を含む。炉への供給材料は粗原料と微細原料に分け
て、微細原料は中空電極を介してプロセスに添加され、
粗原料はオープン・トップを通して添加される。クール
マンの方法は、サブマージ−アークを使用して熱を炉内
の装入原料に与えて製錬を行っている。

【０００３】ゴインズ（Ｇｏｉｎｓ）らの１９８９年９
月１２日付け米国特許第４，８６５，６４３号は、熱源
として中空の直流電極を使用した炉における元素ケイ素
およびケイ素合金を記載している。ゴインズらの炉はオ
ープン・トップ（開放頂部）を有する。ゴインズらは、
中空電極内に炭素質還元剤の床を作ることを教示してい
る。製錬プロセスからの一酸化ケイ素を含有する排ガス
は、中空電極を通して引き出され、その一酸化ケイ素は
炭素質還元剤によってケイ素に還元される。

【０００４】アルビドソン（Ａｒｖｉｄｓｏｎ）らによ
る１９９１年４月２３日付けの米国特許第５，００９，
７０３号は、実質的に密閉された直流サブマージーアー
ク炉におけるケイ素金属およびケイ素金属合金の製造法
を記載している。

【０００５】ドサジ（Ｄｏｓａｊ）らによる１９９０年
２月６日付け米国特許第４，８９８，７１２号は、２段
式還元密閉炉におけるフエロシリコンの製造法を記載し
ている。該法では、炉の第１段において生じる製錬プロ
セスの結果として放出される一酸化炭素を使用して、炉
の第２段に含まれている鉄の高酸化物を予備還元してい
る。還元された鉄の酸化物は、次に炉の第１段への供給
材料として使用される。ドサジらは、炉への供給熱は、
交流又は直流電源に接続されたオープン又はサブマージ
黒鉛電極によってできることを教示している。ドサジら
は、酸化鉄含有の鉱石又はそれらの尾鉱は炉への供給材
料として使用できることを教示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の種々の実施態
様は、従来の技術に比べて次のような多くの利点を与え
る。第１に、実質的密閉炉の使用によって一酸化ケイ素
および一酸化炭素のような酸化物の環境への放出を低減
する。第２に、実質的密閉炉の使用は微細粒の炉からの
排出を低減すると共に供給材料の利用を増す。第３に、
直流電源の使用は電力消費と電極消費の両方を少なくす
る。第４に、中空電極の使用によって、微細材料を炉の
反応ゾーンへ直接供給して製錬プロセスを促進すること
ができる。最後に、微細材料を製錬できる本炉の構成に
よって、粉コークスおよび鉄鉱石精砕からの尾鉱のよう
な低コストの供給材料の使用を可能にする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、フエロシリコ
ン合金の製錬法である。該製錬法は、炭素源（原料）
と、ケイ素および鉄の酸化物からなる尾鉱を実質的密閉
炉へ添加することからなる。熱は、カソード電極とアノ
ード機能炉床間に直流アークを点弧させることにって炉
に供給する。本発明の望ましい実施態様において、カソ
ード電極は中空であって、実質的密閉炉への供給材料は
その中空電極を通される。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の方法に使用するのに適する塩
基性炉の構造を示す。炉本体は側壁、アノード機能炉床
および屋根からなる。側壁は外金属板１、アミナ耐火層
２およびカーボン・ペースト層３からなる。炉本体の側
壁内には、カーボン・ブロック製の出湯口４が挿入され
ている。側壁は、カーボン層２、導電性耐火層６および
導電板７からなるアノード機能炉床に支えられている。
炉本体の最上部は屋根８で囲まれている。屋根８はドー
ム状であって、ステンレス鋼線で補強したキヤスタブル
の９０％アルミナ製である。屋根８は閉鎖可能なアクセ
ス・ポート９、水冷ベント１０および中空電極１１用の
開口を有する。炉を加熱するために供給される電気エネ
ルギー用カソードの働きをする電極１１は、電気結線１
２によって直流電源１３へ接続される。ＤＣ電源１３
は、電気結線１４によって導電板１７へ接続されて電気
回路を完成する。電極１１は、炉本体内の電極１１の鉛
直調整をさせる電極位置決め装置１５によって電極用開
口内で位置決めされる。電極１１は導管１６によってホ
ッパ１７へ接続される。導管１６は回転式エアロック弁
１８を含む。回転式エアロック弁１８は、電極１１を流
れるガス流の正圧を維持しながら、材料をホッパ１７か
ら電極１１へ供給させる。電極を流れる正圧のガス流
は、加圧ガスをガス入口１９を介して回転式エアロック
弁１８へ供給することによって生じる。

【０００９】本発明の望ましい実施態様において、炭素
源およびケイ素および鉄の酸化物からなる尾鉱のフイー
ドを制御して電極１１の端部上に固体材料のキヤップ２
０を生成する。溶融フエロシリコン２１はキヤップ２０
の下の炉底に生成する。

【００１０】本発明はフエロシリコン合金の製造方法で
ある。本法は、（Ａ）炭素源およびケイ素および鉄の酸化物からなる尾
鉱を実質的に密閉された炉に添加する工程；（Ｂ）その実質的密閉炉を直流アーク炉で加熱する工
程；および（Ｃ）その実質的密閉炉からフエロシリコン合金を出湯
させる工程からなる。実質的密閉炉へ添加する炭素源
は、例えば、カーボンブラック、木炭、石炭、コーク
ス、粉コークスにすることができる。好適な炭素源はコ
ーキング・プロセスの副産物である粉コークスである。
該副産物の粉コークスは本法に安価な炭素源として使用
することができる。炭素の形態は、例えば、粉末、小
粒、チップ、塊、ペレットおよびブリケットにすること
ができる。実質的密閉の直流オープン・アーク炉におけ
るフエロシリコン製錬の利点は、炉に供給される材料の
粒度が重要でないことである。しかしながら、本法の望
ましい実施態様において、炉に材料を供給するのに中空
のカソード電極を利用して粒度をその供給材料が中空電
極を通過するようにすることが重要である。最適粒度は
電極の穴に依存する。例えば、本発明者らは、直径０．
６３５ｃｍ以下の粒子が５ｃｍ（２ｉｎ）以上の穴を満
足に通過できることを見出した。

【００１１】炉を１００％歩留でカーボン・バランスに
するためには、理論的には一酸化炭素によって還元さる
酸化鉄が無いと仮定すると還元できる酸素１モル当り１
モルの固定炭素を添加する必要がある。固定炭素は揮発
物を追い出した後に残る炭素である。一般に、本法は還
元できる酸素１モル当り約０．８〜１．４モルの固定炭
素の範囲で満足に行なうことができる。しかしながら、
１００％以下の歩留に適合するには理論的な炭素バラン
スより少し下で炉を運転することが望ましい。固定炭素
／還元できる酸素のモル比の望ましい範囲は約０．９〜
１．２である。炭素原料は炉に別々に又はケイ素および
鉄の酸化物からなる尾鉱と混合して添加することができ
る。その炭素は炉の閉鎖可能なアクセス・ポートおよび
中空電極を介して炉に添加することができる。「閉鎖可
能なアクセス・ポート」とは、炉の内部に通じる１個以
上の開口であって、使用しないときには閉鎖して炉から
副生ガスの逃げるのを防ぐ又は低減できる開口である。
閉鎖可能なアクセス・ポートは炉の屋根又は炉の側壁
（溶融材上面より上の位置）に設けることができる。ケ
イ素および鉄の酸化物からなる尾鉱を炉に添加する（尾
鉱は選鉱過程で生じる残留物である）。尾鉱は、例え
ば、タコナイト、磁鉄鉱、赤鉄鉱および褐鉄鉱の選鉄か
らのものにすることができる。ケイ素および鉄の酸化物
からなる尾鉱の望ましい原料はタコナイトである。その
尾鉱は炭素原料と別個に又は混合物として添加すること
ができる、そして実質的密閉炉には炉に設けた両方の閉
鎖可能アクセス・ポートおよび中空電極を介して添加す
ることができる。

【００１２】望ましい方法において、炭素原料およびケ
イ素と鉄の酸化物からなる尾鉱は、中空電極の先端上に
炭素原料とケイ素および鉄の酸化物からなる尾鉱からな
るキヤップを形成するように１個以上の閉鎖可能アクセ
ス・ポートを介して添加することができる。このキヤッ
プの形成は、炭素原料と、ケイ素および鉄の酸化物から
なる尾鉱の混合物を正圧下で中空電極を通して同時に供
給することによって促進することができる。

【００１３】本発明の方法に使用する炉は実質的に密閉
される。「実質的密閉」とは、炉が副生ガスを炉内に保
持する屋根を有することを意味する。実質的に密閉され
る炉に伴う蓄熱のために、炉の屋根は９０％アルミナ耐
火物の耐熱性に匹適する又はそれ以上の耐熱性をもった
耐火物で保護することが望ましい。耐熱性の低い耐火物
も動作するが、炉の屋根の有効寿命は短くなる。

【００１４】実質的密閉炉の屋根は、炉から副生ガスを
除去するベントも１個以上有する。ベント・パイプは７
０％アルミナと少なくとも同等の耐熱性をもった耐火物
でライニングすることが望ましい。ベント・パイプの最
適内穴は排ガスの流量および排ガス中のヒュームの量の
ような要素に依存する。ベント・パイプの内穴が大き過
ぎると排ガスの流量が少なくなって、排ガスのヒューム
でベント・パイプが詰まることになる。例えば、１．２
ＭＷの炉の場合のベント・パイプに望ましい穴径は約３
０ｃｍ（１２ｉｎ）であることがわかった。

【００１５】実質的密閉炉は直流アークによって加熱さ
れる。そのアークはサブマージ−ア−ク又はオープン−
ア−クである。「サブマージ−ア−ク」は、カソード電
極の実質的長さが炉内の溶融材でカバーされることを意
味する。「オープン・アーク」は、カソード電極が炉内
の供給材料又はフエロシリコンによって実質的に覆われ
ないことを意味する。直流電流は３相交流電源から整流
によって誘導される。整流器は、例えばＳＣＲブリッジ
整流器である。

【００１６】本法用エネルギー源として直流アークの使
用は、従来の交流炉に比べて多数の運転効率を与える。
例えば、典型的な３電極交流炉では、位相アンバランス
が生じてそれが３本の電極の各々の動作を異なるものに
する。これらのアンバランスは、製錬プロセスの制御お
よび効率を妨げて、電力配電系における有害な電気ノイ
ズおよび倍音をもたらす。ＤＣ電力系はこれらの問題が
ない。

【００１７】さらに、ＤＣ系は電流を設定値の状態に限
定する構造にできる。従って、系の変動性を電圧の変化
として監視することができる。これは、電流をセットし
て、アーク長を調節することによって電圧を設定値に制
御することができるから、炉の制御を簡潔にする。この
固定電流法は、炉床からの電極距離の関数として電圧を
測定することによって電圧とアーク長間の関係を前もっ
て決定することができる。従って、炉内のカソードの位
置は容易に決めることができる。このように、炉への電
力はより正確に維持することができる。

【００１８】直流は電流の遅れのために付随する力率を
有さないから、電流は一定のアンペア値に対してより高
い電力も与える。典型的な３相ＡＣ炉は約０．７の力率
で作動する。従って、一定の電力入力および電力におい
て、２次ブッシングにおける電流はＤＣ系の電流と比較
してＡＣ系では約１／０．７になる。また、直流電流回
路は、ＤＣが表皮効果を有さないからＡＣよりも４０％
高い設計の電流容量を有する。これは、同一の電流入力
に対してより小さい電気バスと小径のカソード電極の使
用を可能にする。

【００１９】ＤＣ系は低電流で同一の電力を得れるか
ら、電極消費が少ない。これは、電極消費が電流の二乘
にほゞ比例するためである、従って低電流で低電極消費
となる。また、電極の酸化損失は、実質的密閉炉におい
ては電極と接触する酸素が少なくなるため、および同一
電流入力に対してカソード電極の表面露出が少なくなる
ために、少なくなる。

【００２０】ＤＣアークは、炉の屋根を介して挿入され
たカソード電極とアノード機能炉床間で点弧される。カ
ソード電極は、例えば黒鉛電極、カーボン電極又はゾー
デルベルグ電極にすることができる。黒鉛電極は予備焼
成したカーボン電極やゾーデルベルグ電極よりも抵抗が
小さいので黒鉛電極が望ましい。この低抵抗の結果、一
定の電流容量に対してより小型の電極を使用することが
できる。

【００２１】望ましいカソード電極は中空の黒鉛電極で
ある。中空電極の穴径は、中空電極の外径、電極の必要
な電流容量、穴を通して供給される材料の大きさ、およ
び炉への材料供給量に依存する。一般に、供給材料の直
径が約０．６４ｃｍ以下のとき、約５ｃｍ以上の穴が受
理できることがわかっている。

【００２２】炭素原料とケイ素および鉄の酸化物からな
る尾鉱の混合物を中空電極を通してア−クゾ−ンに直接
供給すると、優れた炉効率が得られる。この高効率は、
（ａ）供給原料の混合による質量移動の増大、（ｂ）混
合物のア−ク内への直接供給による高熱伝達、および
（ｃ）高反応表面積をもった微粉の使用による反応速度
の改善のためである。

【００２３】炭素原料および尾鉱の中空電極への供給
は、固体微粒材料を供給する標準装置によって達成でき
る。その供給は、例えば１つ以上の活底ホッパからの重
力供給によってできる。ウエイト・ベルト・フイーダお
よびスクリユー・コンベアのような他の運搬手段も単独
又は組み合わせて使用して、材料の中空電極への供給を
促進することができる。

【００２４】望ましいモードにおいて、中空電極を通し
て窒素のような非燃焼性ガスの流れを維持して中空電極
を通る材料の移動を促進する。従って、固体微粒材料を
中空電極へ供給する装置を回転式エア・ロック弁によっ
て分けて、中空電極を通るガス流を正圧に維持させるこ
とが望ましい。

【００２５】カソード電極は鉛直方向に調節できること
が望ましい、これによってアーク長の調節、従って系の
電圧調節ができるからである。カソード電極の鉛直調節
は被消費電極の補償にも必要である。

【００２６】用語「アノード機能炉床」は、カソード電
極からアークを点弧できる負端子として作用できる炉底
の構造を意味する。アノード機能炉床の構造は本法に重
要ではない。アノード機能炉床は、例えば炉底と接触し
た銅のような導電性金属板にすることができる。

【００２７】望ましい配列におけるアノード機能床炉
は、最深部のカーボン層からなり、それは炉底を形成す
る導電性耐火材料上に配置される熱硬化カーボンペース
ト又はカーボン又は黒鉛ブロックにすることができる。
銅板は導電性耐火材料の外部と接触して炉床配置を完成
している。炉底を形成する導電性耐火材料は、例えば黒
鉛−マグネサイトれんがにすることができる。

【００２８】溶融フエロシリコン合金は、炉底又は炉側
壁に設けた出湯口によって炉から出湯される。フエロシ
リコン合金は約１０〜９０重量のケイ素を含有する。フ
エロシリコン合金が約４５〜７５重量％のケイ素を含有
するときが望ましい。フエロシリコン合金中のケイ素の
重量％は、石英のような二酸化ケイ素源又はくず鉄や酸
化鉄のような鉄源を製錬プロセスに供給することによっ
て製錬プロセス中に調整される。

【００２９】本発明の実施態様の一例を以下に示す。本
例は説明のためのみに提供するのであって、特許請求の
範囲を限定するものではない。

【００３０】例図１に示したものに類似した設計の１．２メガワット
（ＭＷ）の直流プラズマ炉を使用して炭素原料として粉
コークスの存在下でタコナイト尾鉱を製錬した。タコナ
イト尾鉱の主成分の重量％を表１に示す。

【００３１】

【表１】入手のままのタコナイト尾鉱の約９９．９％がＮＯ．３
メッシユのふるい（０．６３５ｃｍ，１／４ｉｎ）を通
過した、その粘度分布モードはＮＯ．６メッシユ〜Ｎ
Ｏ．８メッシユの間にあった。

【００３２】粉コークスの主成分の重量％は表２に示
す。

【００３３】

【表２】炉内の空間は約１５２．４ｃｍ（６０ｉｎ）幅×１０
６．７ｃｍ（４２ｉｎ）高さであった。カソード電極は
２５．４ｃｍ（１０ｉｎ）直径の黒鉛電極で約１５２．
４ｃｍ（５フイート）の長さであった。カソード電極は
中心に沿って６．３５ｃｍ（２．５ｉｎ）の穴を有し
た。その中空電極は、クランプ位置に設けられ空気圧で
リリースされる水冷銅クランプばねによって炉の屋根に
配置された。中空電極はケーブルおよびプーリ装置によ
って炉内を上下された。

【００３４】炉への材料供給は、ロードセル上の２つの
活底ビン、２つのウエイト・ベルト・フイーダ、傾斜ス
クリユー・コンベアおよび回転式エア・ロック弁によっ
た。１つのウエイト・ホッパ系を使用してタコナイト尾
鉱を供給し、他のウエイト・ホッパ系を使用して粉コー
クスを供給した。それらのホッパはそれぞれ約３．７２
ｍ³の容量であった。その供給装置はビブラ・スクリュ
ー社（ＶｉｂａＳｃｒｅｗＩｎｃ．，米国Ｎｅｗ
Ｊｅｒｓｅｙ州，Ｔｏｌａｗａ）製でった。

【００３５】必要量のタコナイト尾鉱および粉コークス
を傾斜スクリユー・コンベアに落下させ、次に回転式エ
ア・ロック弁を経て電極の中心穴に通した。回転式エア
・ロック弁は弁の下の材料を窒素ガスで加圧させて、供
給材料の中空電極を介した炉内への重力落下を助けた。

【００３６】炉の電源は、交流を製錬炉に適当な直流に
変換する標準設計のものであった。排ガス・ベントパイ
プの設計は炉の満足な運転に特に重要であった。本例に
使用した排ガス・ベントパイプは、７０％アルミナ耐火
物で内張りした鋼パイプからなり、排ガスが通過できる
１２インチ（３０．５ｃｍ）の開口を有した。排ガス・
ベントパイプの下部の回りに水冷カラーを装着した。排
ガスは、ガスの燃焼および微粒子の除去をさせる標準処
理装置へ取り出した。

【００３７】最初に、鋼打抜き材を炉の底部に装入して
ヒールを形成した。炉の加熱中に、中空電極を通して粉
コークスを添加した。炉が一旦作動温度に達したら、タ
コナイトと粉コークスの混合物を炉に添加した。

【００３８】その炉は１３６６０ｋｗｈの電力を使用し
て３４時間運転した。タコナイト１２２０ｋｇ（２６９
０ｌｂ）と粉コークス１０２７ｋｇ（２２６４ｌｂ）の
全体を中空電極を通して炉に供給し、タコナイト５６２
ｋｇ（１２４０ｌｂ）と粉コークス３４２ｋｇ（７５４
ｌｂ）を炉の屋根に設けた閉鎖可能アクセス・ポートを
介して供給した。７つの出湯口を作って４４７ｋｇ（９
８５ｌｂ）のフエロシリコンを収集した。炉から出湯し
たフエロシリコンの量は１つの出湯口当り２２．７ｋｇ
（５０ｌｂ）〜１１３．４ｋｇ（２５０ｌｂ）であっ
た。出湯口４および７を分析したところ、それぞれ２８
重量％と３９重量％のケイ素を含有した。

【００３９】大量の供給材料が電極よりも約１０．２ｃ
ｍ（４ｉｎ）大きい直径のほゞ完全なシリンダを電極先
端より上に形成したことが実験中に観察された。このシ
リンダは、電極の回りに開口環を保って排ガスを反応ゾ
ーンから逃がしながら、反応ゾーンを部分的に覆った。
この反応ゾーンの部分的被覆は、炉から逃げる一酸化ケ
イ素を低減することによってケイ素の回収量を増大さ
せ、炉の屋根の温度も下げることによって耐火物内張り
屋根の寿命を長くする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本法に適当な直流オープン・アーク炉用の炉
構造および動作モードを示す略図である。

【符号の説明】

１外金属板２アルミナ耐火層３カーボン・ペースト層４出湯口５カーボン層６導電性耐火層７導電板８屋根９閉鎖可能アクセス・ポート１０ベント１１中空ベント１３ＤＣ電源１５位置決め装置１６導管１７ホッパ１８回転式エア・ロック弁１９ガス入口２０キヤップ２１溶融フエロシリコン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）炭素原料と、ケイ素および鉄の酸化
物からなる尾鉱を実質的密閉炉に添加する工程；（Ｂ）該実質的密閉炉を直流アークで加熱する工程；お
よび（Ｃ）該実質的密閉炉からフエロシリコン合金を出湯さ
せる工程からなることを特徴とするフエロシリコン合金
の製造法。
【請求項２】さらに、ケイ素および鉄の酸化物からな
る尾鉱に存在する鉄の原料の外に実質的密閉炉へ鉄の原
料を添加する工程からなることを特徴とする請求項１の
製造法。
【請求項３】さらに、ケイ素および鉄の酸化物からな
る尾鉱に存在する二酸化ケイ素の原料の外に、二酸化ケ
イ素を添加する工程からなることを特徴とする請求項１
の製造法。
【請求項４】（Ａ）粉コークスおよびタコナイト尾鉱
を、実質的密閉炉へ中空黒鉛電極を介して添加する工
程；（Ｂ）該実質的密閉炉を直流オープン・アークで加熱す
る工程；および（Ｃ）該実質的密閉炉からフエロシリコン合金を出湯さ
せる工程からなることを特徴とするフエロシリコン合金
の製造法。