NO129623B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av silisiummetall og silisiumholdige legeringer.

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremstilling av silisiummetall og silisiumholdige legeringer i en elektrisk smelteovn ved reduksjon av silisiumoksyd med karbon som reduksjonsmiddel.

De kjente elektriske ovner for dette formålet er elektrodeovner med neddykkede elektroder. En tilnærmet støkiometrisk og homogen blanding av de aktuelle råmaterialer tilføres ovnene fra oversiden. De metallurgiske, prosesser foregår hovedsakelig i nærheten av de neddykkede elektrodespisser ved at elektrisk energi tilføres.

Den totale kjemiske reaksjon ved reduksjon av silisiumoksyd (kvarts) med karbon er: SiOj + 2C = Si + 2 CO. Det er kjent at denne total-reaksjon kan foregå over flere trinn og via flere delreaksjoner.

Reaksjonene foregår ved høye temperaturer og med noen av reågentene

i gassform, spesielt er SiO-gass og Si-gass tilstede. Produktet blir tappet ut fra ovnens bunn, mens CO-gass forlater ovnen gjennom råmaterialblandingen på ovnens overside.

Det er kjent fra norsk patent nr. 18.940 å utnytte CO-gassens reduserende evne ved fremstilling av kiseljern i en sjaktovn med adskilt tilførsel av malm og kull. Ovnen er utstyrt med horisontale elektroder i sin nederste del, og den elektriske strøm går i horisontale baner gjennom chargen.. Den CC>2 som er dannet ved reduksjonen, vil da i det område som strømmen passerer gjennom reagere med beskikningens kullstoffinnhold under regenerering av CO, som igjen virker reduserende på den overforliggende beskikning.

Den nederste del av sjaktovnen arbeider altså som gassgenerator.

Da temperaturen ikke blir høy nok til å smelte det utreduserte

metall, må man anvende ekstra varme i form av induksjonsstrømmer for å få smeltet metallet. På grunn av den forholdsvis lave temperatur man kan oppnå, kan man ikke fremstille kiseljern med mere enn 15% Si.

Typisk for dagens ovner er stor ømfindtlighet for overdoserihg av kvarts eller reduksjonsmidler. Dessuten oppviser de store material-tap i form av Si02_støv i avgassene. Det kan ofte dreie seg om ca.

10% av påsatt kvartsmengde. Ved siden av tapt produksjon betyr støvtapet en stor ulempe for ovnens omgivelser. Rensing av avgassene er teknisk vanskelig og er en stor økonomisk belastning.

Støvtapene skyldes i hovedsaken at SiO-gass, og. eventuelt Si-gass, unnviker fra reaksjonssonen og oksyderes av luftens oksygen på ovnstoppen. Plutselig utblåsing av slike gasser direkte fra reaksjonssonene til punkter på ovnstoppen forekommer regelmessig.

Årsaken til disse ulemper er ofte at; råmaterialblandingen ikke har tilstrekkelig permeabilitet for gass. Det kan skyldes kondensasjons-produkter, dårlig teknisk stabilitet, eventuelt uheldig reaktivitet eller korning.

For å redusere disse ulemper stilles idag spesielle krav til råmaterialene, noe som fordyrer produktene. : Selv med gode råmaterialer har mange smelteverk vanskeligheter med å opprettholde jevn drift over lengre tid på ovner som fremstiller høyprosentlige silisium-legeringer.

Formålet med fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse

er å redusere støvtapene via avgassene, å tillate bruk av billigere råmaterialer, og å få bedre kontroll over réaksjbnsforløpet i prosessen.

Dette oppnås ifølge den foreliggende oppfinnelse ved at en helt eller i vesentlig grad skiller reaksjonsmaterialéne kvarts og karbon romlig ifra hverandre i ovnen slik at det opprettes og opprettholdes soner som vesentlig inneholder karbon. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tvinges reaksjonsgassene til å passere gjennom soner med høyt karbon-innhold slik at SiO-gass og eventuelt Si-gass kan reagere med karbonet og derved fanges opp og bringes tilbake til reaksjonssonen. Det følger av dette at avgassene fra ovnen normalt tas ut via den karbonrike del av chargen. Derved vil kravene til stykkform og termisk stabilitet i den kvartsrike del åv chargen bli av mindre betydning.

Partiell reduksjon av råmaterialenes Si02 til SiO-gass er den mest energikrevende delreaksjon. Det er derfor fordelaktig at Si02 til-føres hovedsakelig i en sone med stor energitilgang, f.eks. i nærheten av elektrodenes spiss. De Si02_rike soner og de karbonrike soner kan være utformet som sektorer eller sirkelringer rundt elektroden eller rundt elektrodene. Det produserte Si-metall vil normalt i hovedsaken kunne tappes ut fra den laveste del av den karbonrike sone i ovnen.

Det er kjent fra norsk patent nr. 105.078 at man kan minske tapene

av silisium i form av gassformet SiO ved fremstilling av silisiummetall og silisiumholdige legeringer ved å anvende pelletisert charge bestående av lagdelte pellets hvor hver pelletkjerne helt eller delvis består av silisiumoksyder, mens de ytre lag helt eller delvis består av reduksjonsmateriale. Det gassformige SiO som dannes i pelletenes indre under reduksjonsprosessen, vil ved passasje gjennom reduksjons-middelet reduseres til Si. Slik fremgangsmåte forutsetter imidlertid en forbehandling av chargen i form av finknusning og pelletisering, hvilket igjen krever installasjoner av ekstra utstyr. Ifølge vår oppfinnelse konstruere» selve smelteovnen slik at man kan lede SiO-

holdige reaksjonsgasser gjennom,deler av chargen som er rike på - ^ reduksjonsmiddel, og man unngår dermed den kostbare og tidkrevende pelletisering av chargen.

Det skal i det følgende henvises til. de vedlagte tegninger.

Figurene 1 til 5 viser eksempler på utforming av prosessen basert på det alternativ at kvarts og reduksjonsmaterialer er fullstendig , adskilt. Tegningene viser for enkelhets skyld ovner med bare én elektrode. En kan tenke seg å benytte vekselstrøm eller likestrøm som energitilførsel til prosessen. I de fleste tilfeller vil en

kunne benytte kvartssand i stedet for stykk-kvarts. I mange tilfeller er kvartssand også mest hensiktsmessig fordi en ønsker at den kvartsrike del av chargen skal være gasstett.

På figur 1 er vist et alternativ hvor kvarts tilsettes direkte

i ovnens elektriske lysbuesone via et aksialt hull i elektroden. Reduksjonsmaterialéne er plassert på elektrodens utside. En mener at bæregass bør brukes for å holde hullet i elektroden åpent. Figur 2 viser et alternativ med karbonrik charge nærmest elektroden og dosering av kvarts fra siden med mekanisk mateanordning. Figur 3 viser en ovn med hul elektrode av så stor dimensjon at den kan romme den karbonrike del av chargen. Kvarts tilføres utvendig.

På figur 4 er tegnet en ovn med kvarts tilsatt langs elektrodens omkrets og med et skjørt som skille mellom kvarts og karbonrik charge.

Figur 5 viser en alternativ utforming hvor råmaterialene-er adskilt og tilføres asymetrisk i forhold til elektrodens senterlinje. Dette alternativ er forøvrig et eksempel på at ovnsrommet deles i-sektorer rundt, elektroden........

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av silisiummetall og silisiumholdige legeringer i en elektrisk smelteovn som er utstyrt med en eller flere vertikale elektroder som dukker ned i beskikningen, I-arakterisert ved at man ved chargering av ovnen, helt eller i vesentlig grad, skiller reaksjonsmaterialéne fra hverandre slik at det opprettes og opprettholdes soner som vesentlig inneholder SiC^ og soner som vesentlig inneholder karbon.

2. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert ved at det som Si02_kilde helt eller delvis anvendes kvartssand eller fin-kornet kvarts slik at en vesentlig del av reaksjonsgassene som dannes ved reduksgonsprosessen, tvinges til å passere gjennom de karbonrike soner i ovnen.

3. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert ved at silisiumdioksydet tilføres direkte til den eller de mest energi-rike soner i ovnen.

4. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert ved at de SiC>2-rike soner og de karbonrike soner er utformet som sektorer rundt elektroden eller rundt elektrodene.

5. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert ved at de Si02-rike soner og de karbonrike soner er utført som sirkelringer som omgir elektroden eller elektrodene.

6. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert ved at de SiC^-rike soner og de karbonrike soner er assymetriske i forhold til elektroden eller elektrodene.

7. Fremgangsmåte som i krav 1, karakterisert ved at den Si02-rike eller den karbonrike del av beskikningen på i og for seg kjent måte innføres gjennom et aksialt hull i elektroden eller elektrodene.