KR101731990B1 - 금속실리콘 제조를 위한 직류 아크로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속실리콘 제조용 직류 아크로로서, 그라파이트 내부 라이닝(3(a))을 갖는 로 용기(3); 그라파이트로 이루어진 제 1 전극봉 (2); 그라파이트로 이루어진 제 2 전극봉 (8) 및 전극판 (9); 및 비활성가스 투입 장치(6)를 가지며 제 1 전극봉과 제 2 전극봉은 서로 극성이 다른 것을 특징으로 하는 직류 아크로에 관한 것으로, 탄소열환원법에 따라 실리카를 금속실리콘으로 제조함에 있어, 본 발명에 따른 직류 아크로를 사용하면 기존의 교류 아크로보다 더 낮은 소비 전력이 소모되며, 전극봉의 소모량도 적고, 아크로 운전이 용이해진다. 또한 기존 직류 아크로와 달리 금속실리콘과 반응하지 않는 그라파이트로 로 용기 내부를 라이닝하고 전극도 그라파이트를 사용하였는 바, 금속실리콘 생성물이 불순물에 의하여 오염되는 것이 방지되며, 비활성 가스가 투입될 수 있도록 하여 전극봉의 산화에 의해 아크로의 가동이 중단되는 것을 방지함으로써 장시간 동안 안정적으로 금속실리콘을 생산할 수 있다.

Description

금속실리콘 제조를 위한 직류 아크로 {Direct Current Arc Furnace for producing Metallurgical Grade Silicon}

본 발명은 직류 전원을 인가하여 로 내의 음극과 양극 사이에서 발생하는 아크를 열원으로 실리카를 환원함으로써 금속실리콘으로 제조할 수 있는 직류 아크로에 관한 것이다. 보다 상세하게는 실리카 반응물과 직접 접하는 로 용기의 내부 라이닝 및 아크가 발생하는 음극과 양극 전극을 그라파이트로 제작하여 불순물 오염을 최소화하고, 고온에서 그라파이트 전극이 산화되는 것을 방지하고자 비활성 가스를 투입하는 장치를 포함하는 금속실리콘 제조용 직류 아크로에 관한 것이다.

현재 일반적으로 금속실리콘을 제조하는 주된 방법으로 아크를 발생시켜 실리카를 금속실리콘으로 환원시키는 탄소열환원법이 사용되며, 아크를 발생시키기 위하여 사용되는 전원이 교류인지 직류인지 여부에 따라 아크로는 교류 아크로 또는 직류 아크로로 나뉜다.

교류 아크로의 경우, 금속실리콘으로 환원시에 보다 높은 에너지를 요구하므로 에너지 면에서 바람직하지 않다. 교류는 유도 효과에 의해, 반응에 투입되지 못하고 소모되는 소비 전력이 크며 역률에 의해 동일 전류 사용시 직류보다 파워가 낮아 에너지 효율 면에서 나쁜 단점이 있다. 이에 반하여 직류 아크로의 경우, 교류에 의한 표피 효과가 없어 전극봉 표면이 과열되어 산화되는 문제점을 개선할 수 있고, 동일 전력 인가시 교류보다 낮은 전류를 사용함으로써 전극봉의 소비량이 감소하는 이점이 있다. 또한, 직류 아크로는 전극봉을 1개만으로도 구성할 수 있기 때문에, 전극봉이 3개가 필요한 3상 교류 아크로보다 전극봉 주위에 발생하는 Crust에 의한 에너지 손실 및 반응물 손실이 적다. 직류 아크로로 전극봉을 1개 이상 구성하는 경우, 전극봉 각각의 상호 작용 없이 개별의 전극봉을 별도로 운전할 수 있어 운전조건인 전류, 전압, 전력을 각각 조정하기 쉬어진다. 또한 직류 아크로의 경우 온도가 높고 로 내의 온도 구배가 커서 실리콘 카바이드나 이산화규소로부터 실리콘으로 환원되기가 쉽고, 손실량이 감소하는 이점이 있으며 전류가 로 바닥을 통과하기 때문에 바닥의 온도를 높여 금속 실리콘 생산에 이로운 이점도 있다.

기존의 직류 아크로의 경우, 크게 3가지 방식을 사용하고 있다. 첫 번째 방식은 아크로 하부 로저에 동판을 삽입하고 그 위에 전도성 내화물(일반적으로 MgO-C질 내화물)을 라이닝하여 로 상재로 로상 전체를 로저 전극으로 사용하는 방식으로, 냉각은 공냉 방식으로 로저 전면을 냉각한다. 두 번째 방식으로는 멀티 핀 방식으로 아크로 하부 로저 전극을 contact 핀으로 불리는 다수(80∼120개)의 강제 환봉이 로저 내화물을 관통하도록 배치하고, 하단은 원반형의 전도판으로 나선형으로 배치하여 고정시킨다. 전류는 2차 도체보다 전도판을 통해, contact 핀으로 흐른다. 핀의 하단은 팬에 의해 강제 공냉이 이루어진다. 세 번째 방식은 스틸 롯드 방식으로 아크로 하부 로저 전극은 통상 직경 250∼280mm의 원형 빌렛(billet)을 2 내지 4개 삽입하고, 그 하부를 물로 냉각한다. 로저 전극 개수는 통전 용량으로 결정되고 통상 1개의 전극에 30∼40kA을 목표로 설치된다. 로저 전극 하부의 수냉부는 하단 철판 부분을 냉각하며, 냉각 성능을 높이기 위해 구리로 만든 관을 채용하고 있다. 전극 및 구리부의 온도와 냉각수의 온도를 감시함으로써 손상 상황을 파악하고 수명을 판단한다

그러나, 이러한 현재의 직류 아크로 방식은 아크로 하부 로저 전극으로 사용되는 물질에 의해 생성물인 금속실리콘의 순도가 낮아지는 단점이 있으며, 금속 실리콘의 순도에 영향을 미치지 않는 그라파이트 전극봉을 하부 로저 전극으로 사용하는 경우에는 고온에서 그라파이트가 산화되어 장시간 가동할 수 없는 문제점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 에너지 효율이 증대되고, 하부 로저 전극에 의한 금속 실리콘의 오염을 방지하며, 하부 로저 전극의 산화 방지를 통해 장시간 동안 가동하여 고순도의 금속 실리콘을 생산할 수 있는 직류 아크로를 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은 그라파이트 내부 라이닝(3(a))을 갖는 로 용기(3); 그라파이트로 이루어진 제 1 전극봉 (2); 그라파이트로 이루어진 제 2 전극봉 (8) 및 전극판 (9); 및 비활성가스 투입 장치(6)를 가지며 제 1 전극봉과 제 2 전극봉은 서로 극성이 다른 것을 특징으로 하는 금속실리콘 제조용 직류 아크로를 제공한다.

본 발명의 일구체예로 상기 제 1 전극봉(2)이 로 용기(3)의 상부에서 용기 내부로 돌출되어 배치되고; 용기 내 하부에 상기 전극판(9)이 놓여지며 상기 제 2 전극봉이 용기 외부로부터 삽입되어 상기 전극판(9)과 접촉되도록 연결되고; 각 전극봉은 직류 전원 공급수단(11)에 서로 다른 극성으로 연결되며; 상기 비활성가스 투입 장치(6)는 용기 외부에 위치한 비활성가스 탱크(5)와 연결되어 용기 내로 비활성가스가 투입되도록 배치된 것을 특징으로 하는 금속실리콘 제조용 직류 아크로를 제공한다.

본 발명의 또 다른 일구체예로 상기 제 1 전극봉이 2개 이상인 직류 아크로를 제공한다.

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도면 1의 상부에 위치한 제 1 전극봉(2)은 금속실리콘 제조시 금속실리콘 순도에 영향을 적게 주면서 전기전도도가 높은 그라파이트 전극봉을 적용하였다. 제 1 전극봉(2)은 구리 홀더(1)에 고정되어 있으며 직류 전원 공급장치의 음극에 연결되어 있다. 아크에 의해 발생되는 열 및 전극봉 자체 저항에 의한 발열로 인해 발생되는 파손을 방지하기 위해 냉각수를 흘려 주게 된다. 아크로 내부에 실리카와 환원제를 투입하고, 로 용기(3)의 내부는 그라파이트 라이닝(3(a))으로 구성하여, 생성된 금속실리콘에 불순물이 최소가 되게 하고, 그 자체가 전도성 전극 역할도 할 수 있도록 하였다.

그라파이트 라이닝(3(a))은 내화물(3(b))로 둘러싸 외부에 대하여 절연 및 단열이 되도록 하였다. 로 용기의 외부는 steel casing(3c)으로 구조화되고 아크로 내부 온도는 로 용기 측면의 상, 중, 하부에 위치한 열전대(10)로 측정하게 된다.

금속실리콘을 제조하기 위해 실리카와 환원제를 아크로 내부에 투입하고 위치 조정이 가능한 제 1 전극봉(2)과 제 2 전극봉과 연결된 전극판(9) 사이에서 아크를 발생시켜 이 아크 열에 의하여 실리카가 용융, 환원 반응을 통하여 금속실리콘이 제조된다.

금속실리콘 제조시 아크로 온도는 1,800℃ 이상 올라가게 되므로 아크로 내부를 그라파이트가 아닌 다른 내화물로 할 경우, 용융되거나 아크가 발생하지 않을 수 있고, 그 내화물이 금속실리콘에 불순물로 작용하는 문제점을 갖게 되므로 고온에서 안정적이고 금속실리콘에 불순물로 작용하지 않는 그라파이트를 반응물과 접촉하는 내부 라이닝 및 전극판으로 사용하여야 한다.

그라파이트 전극판(9)과 면 접촉하는 제 2 전극봉(8)의 경우 철재 또는 스테인레스 스틸, 구리 등을 사용하면 그 내부에 냉각수를 흘려주더라도 고온에서 용융될 수 있는 문제점이 있으며, 접촉부의 접촉이 원활하지 않을 경우에는 아크가 발생되어 그로 인해 용융될 수 있는 문제점도 있다. 또한, 그라파이트 라이닝 내부로 제 2 전극봉을 삽입하여 접촉할 경우 열팽창 차이에 의하여 그라파이트 라이닝이 손상될 수 있는 문제점이 있다. 따라서 이 문제점을 해결하기 위하여 라이닝과 동일한 그라파이트를 제 2 전극봉으로 사용하여야 한다.

그라파이트는 산소나 대기 중에 접할 경우 400℃에서 산화되기 시작하므로 고온에서 그라파이트로 이루어진 제 2 전극봉은 산화 소모되는 바, 이로 인해 가동 시간이 제한된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 비활성 가스를 투입하여 산소나 대기와 접할 수 없도록 비활성 분위기로 만들어 주어야 한다.

제 1 전극봉(2)과 제 2 전극봉(8)은 직류 전원 공급 장치(11)에 의해 폐회로를 이루며, 1개 또는 다수의 제 1 전극봉을 직류 전원 공급 장치에 연결할 수 있도록 구성하였다. 직류 전원의 경우, 제 1 전극봉을 1개만 사용하여 운전하는 것도 가능하나, 그 전극봉이 파손될 경우 가동을 중지해야 하는 바, 다수의 제 1 전극봉을 사용하게 되면 한 전극봉이 파손되더라도 파손되지 않은 전극봉을 이용하여 지속적인 가동이 가능하고, 파손된 전극봉을 교체할 수 있는 시간을 가질 수 있다.

제 1 전극봉과 제 2 전극봉 사이에서 발생한 아크에 의해 환원된 금속실리콘은 출탕구(6)을 통하여 아크로 외부로 출탕하게 되며 출탕된 금속실리콘 용융물은 다른 처리 없이 제품으로 사용 가능하며, 추가적인 가스 투입을 통하여 금속실리콘 내부의 Al, Ca과 같은 불순물을 제거할 수도 있다.

이렇게 하여 얻어진 금속실리콘은 그 순도에 따라 합금용, 화학용, 폴리실리콘용 등으로 사용 가능하다.

상기 기술한 바와 같이, 탄소열환원법에 따라 실리카를 금속실리콘으로 제조할 때, 본 발명에 따른 금속실리콘 제조용 직류아크로를 사용하면 기존의 교류 아크로보다 더 낮은 소비 전력이 소모되며, 전극봉의 소모량도 적고, 아크로 운전이 용이해진다. 또한 기존 직류 아크로와 달리 금속실리콘과 반응하지 않는 그라파이트로 로 용기 내부를 라이닝하고 상하부 전극도 그라파이트를 사용하였는 바, 금속실리콘 생성물이 불순물에 의하여 오염되는 것이 방지되며, 비활성 가스가 투입될 수 있도록 하여 전극봉의 산화에 의해 아크로의 가동이 중단되는 것을 방지함으로써 장시간 동안 안정적으로 금속실리콘을 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실리콘 메탈 제조용 직류 아크로 개략도이다.

이하 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도면 1과 같이 구성된 직류 아크로의 제 2 전극봉(9) 재질을 변경하여 아크로 가동 시간 및 문제점을 확인하였다.

표-1. 제 2 전극봉 재질에 따른 아크로 가동 시간 및 나타난 문제점

위 실시예 1의 결과처럼 제 2 전극봉의 재질로는 내부 라이닝과 동일한 그라파이트를 사용하여야 하며, 로 내부로 비활성 가스를 투입하여 비활성 분위기를 만들어야, 장시간 가동하여도 그라파이트로 이루어진 전극의 산화 소모에 의한 가동 중지를 방지할 수 있다.

실시예 2

하기 표-2는 도면 1과 같이 구성된 직류 아크로를 사용하여 다양한 실리카와 환원제를 조합하여 금속실리콘 제조 실험을 수행한 결과이다.

표-2. 금속실리콘 제조 실험 수행 결과

위 실시예 2와 같이 다양한 실리카와 환원제의 조합에 대하여 본 발명의 직류 아크로의 특성을 확인한 결과, 교류 아크로를 사용하는 산업 생산 공장과 비교하여 전극봉 소모량이 1/2 ∼ 1/10 정도 수준으로 낮은 것을 알 수 있었다.

소비 전력의 경우, 산업 생산 공장에서의 소비 전력이 12∼13.5kWh/1kg-Si인 것과 비교하여 볼 때, 실험실 규모의 작은 아크로임에도 불구하고 동등 수준의 소비 전력을 나타내는 바, 실제 Scale up시에는 더 낮은 소비 전력을 나타낼 수 있음을 알 수 있었다.

1: 제 1 전극봉 홀더
2: 제 1 전극봉
3: 로 용기
3(a): 그라파이트 내부 라이닝
3(b): 내화물
3(c): 외부 Steel casing
4: 출탕구
5: 비활성 가스 탱크
6: 비활성 가스 투입 장치
7: 제 2 전극봉 홀더
8: 제 2 전극봉
9: 전극판
10: 열전대
11: 직류 전원 공급 장치

Claims (3)

1. 금속실리콘 제조용 직류 아크로에 있어서,
   그라파이트 내부 라이닝이 내면에 형성된 로 용기;
   상기 로 용기의 상부에서 상기 로 용기 내부로 돌출되도록 배치되고, 위치 조정이 가능하며, 그라파이트로 이루어진 제 1 전극봉;
   상기 로 용기의 내부 하면에 위치되며 그라파이트로 이루어진 전극판;
   상기 로 용기 하부로부터 삽입되어 상기 전극판과 접촉되어 연결되며, 그라파이트로 이루어진 제 2 전극봉; 및
   상기 제 2 전극봉 주변에 비활성가스를 공급하는 비활성가스 투입 장치를 포함하되,
   상기 제 1 전극봉과 상기 제 2 전극봉은 서로 극성이 다른 것을 특징으로 하는 직류 아크로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극봉 및 상기 제 2 전극봉은 직류 전원 공급수단에 서로 다른 극성으로 연결되며; 상기 비활성가스 투입 장치는 상기 로 용기 외부에 위치한 비활성가스 탱크와 연결되어 상기 로 용기 내로 비활성가스를 투입하는 것을 특징으로 하는 직류 아크로.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극봉이 2개 이상인 것을 특징으로 하는 직류 아크로.

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