NO890660L

NO890660L - PROCEDURE FOR REFINING SI-METAL AND SI-IRON ALLOYS.

Info

Publication number: NO890660L
Application number: NO89890660A
Authority: NO
Inventors: Gerhard Gross; Marian Velikonja
Original assignee: Messer Griesheim Gmbh
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1989-10-30
Also published as: DE3814310A1; EP0339644A1; ZA89750B; NO890660D0

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for raffinering av Si-metall og Si-jernlegeringer ved hjelp av en oksygenholdig prosessgass ifølge krav 1. The present invention relates to a method for refining Si metal and Si iron alloys using an oxygen-containing process gas according to claim 1.

De i reduksjonsovnen tilveiebragte Si-metall eller Si-jernlegeringer inneholder i tillegg til silisium også andre elementer, spesielt aluminium, kalsium og titan, som er uønskede og som dermed må bli fjernet fra den flytende Si-metallsmeltemassen eller Si-jernlegeringssmeltemassen til avhelling. For å fjerne disse iblandingene eksisterer flere forskjellige fremgangsmåter. In addition to silicon, the Si metal or Si iron alloys provided in the reduction furnace also contain other elements, especially aluminium, calcium and titanium, which are undesirable and which must therefore be removed from the liquid Si metal melt or Si iron alloy melt for pouring. Several different methods exist to remove these impurities.

En veldig lett fremgangsmåte innbefatter føring av jernoksydet til en tappekjele. Jernoksydet blir dermed redusert, mens iblandingen blir oksydert. Omsettingsgraden er ikke kjent. Ved frigjøring av jernet som går over i smeltemassen, blir si 1 isiuminnholdet til legeringen redusert. A very easy method involves feeding the iron oxide to a still. The iron oxide is thus reduced, while the mixture is oxidized. The turnover rate is not known. By releasing the iron that passes into the molten mass, the si 1 isium content of the alloy is reduced.

Det er mye mere virkningsfullt å tilsette oksygen direkte til smeltemassen for å danne oksidene CaO, AI2O3og TiOg ut i fra kalsium, aluminium og titan. Dette medfører ikke noe negativt for legeringen. Tvert imot så stiger konsentrasjonen av silisium med omtrent 2 til 4$ ved fjerning av iblandingene. Anvendelse av gassformig oksygen til dette hører inn under teknikkens stand. Oksygenet blir ført inn enten ovenifra ved hjelp av blåserør og -inn i smeltemassen, eller gjennom gassdyser eller ført inn i smeltemassen undenifra ved hjelp av porøse bunnplater. Utnyttingsgraden og raffinerings-resultatene er forskjellige. It is much more effective to add oxygen directly to the molten mass to form the oxides CaO, AI2O3 and TiOg from calcium, aluminum and titanium. This does not cause anything negative for the alloy. On the contrary, the concentration of silicon rises by approximately 2 to 4% when the impurities are removed. Use of gaseous oxygen for this is part of the state of the art. The oxygen is introduced either from above using blow pipes and into the molten mass, or through gas nozzles or introduced into the molten mass from below using porous bottom plates. The degree of utilization and refining results are different.

Ved innblåsing av oksygenet ved hjelp av grafittrør, blir de uønskede medfølgende elementene fjernet. På grunn av at det ikke blir fremstilt noen reaksjonsgasser ved oksydasjon av medfølgeelementene, blir sammenblanding av smeltemassen, og dermed reaksjonshastigheten, redusert. For forbedring av sammenblandingen tilfører man inert gass i stort overskudd inn i avløpet til hele bunnen. Reaksjonen forløper med høy silisiumavbrenning på grunn av den ikke tilstrekkelige sammenblandingen, og oksygenutbyttet er avhengig av aluminiumoksydasjonen og tilstedeværelsestiden for røret er redusert. Innblåsningsfremgangsmåten vil dermed bare bli utført i små mengder i små kjeler. By blowing in the oxygen using graphite tubes, the unwanted accompanying elements are removed. Due to the fact that no reaction gases are produced by oxidation of the accompanying elements, mixing of the molten mass, and thus the reaction rate, is reduced. To improve mixing, a large excess of inert gas is added into the drain to the entire bottom. The reaction proceeds with high silicon burning due to insufficient mixing, and the oxygen yield is dependent on the aluminum oxidation and the residence time for the tube is reduced. The blow-in process will thus only be carried out in small quantities in small boilers.

En vesentlig bedre sammenblanding oppstår ved innblåsing av oksygen gjennom en blåsedyse installert i kjelebunnen. På grunn av at raffineringen forløper med et energioverskudd, oppstår det svært høye prosesstemperaturer som er på 1600°C til 1700°C. Det medfører i sammenheng med innførsel av oksygenet til en betraktelig rask tetting av innblåsingsdysen og den ildfaste foringen til kjelen. Ut i fra PCT-søknad W0 86/006995 fremkommer innblåsningsdyser sammensatt av forskjellige materialer, som igjen muliggjør god varmebortføring og dermed en forholdsvis redusert tetting. Dysehodet er utformet som en tetningsdel og kan lett bli utbyttet. Oppbygningen til denne innblåsningsdysen er derimot kompli-sert, og dysen er også dyr. A significantly better mixing occurs by blowing in oxygen through a blowing nozzle installed in the bottom of the boiler. Due to the fact that the refining proceeds with an energy surplus, very high process temperatures of 1600°C to 1700°C occur. In connection with the introduction of the oxygen, this results in a considerably rapid sealing of the blow-in nozzle and the refractory lining of the boiler. Based on PCT application W0 86/006995, blow-in nozzles composed of different materials appear, which in turn enable good heat dissipation and thus a relatively reduced sealing. The nozzle head is designed as a sealing part and can be easily replaced. The structure of this blowing nozzle is, however, complicated, and the nozzle is also expensive.

Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for raffinering av Si-metall og Si-jernlegering ved hjelp av en oksygenholdig prosessgass som på den ene siden utviser fordelene som er innbefattet med innføring av oksygen gjennom bunnen av behandlingskjelen, og på den andre siden nødvendiggjør den bare enkel og med bare ubetydelig tettingsstyrt innblåsings-dyse. The invention provides a process for refining Si metal and Si iron alloy by means of an oxygen-containing process gas which on the one hand exhibits the advantages inherent in the introduction of oxygen through the bottom of the treatment vessel, and on the other hand requires only simple and only insignificant seal-controlled blow-in nozzle.

Ut i fra teknikkens stand som er belyst i ingressen til patentkrav 1, blir denne oppgaven løst ifølge oppfinnelsen ved hjelp av kjennetegnene som er angitt i den kjennetegnede delen til patentkrav 1. Based on the state of the art which is explained in the preamble to patent claim 1, this task is solved according to the invention with the help of the characteristics which are indicated in the characterized part of patent claim 1.

Fordelaktig videreutvikling av oppfinnelsen er angitt i underkravene. Tilførsel av prosessgass gjennom mantelgassdysen i metallsmeltemassen har lenge vært kjent, for eksempel 1 DE-OS 1904383, DE-PS 1916945 og DE-OS 2738273. Det er derimot også kjent, som for eksempel beskrevet i DE-OS 2738273 at denne mantelgassdysen blir betraktelig tettet, spesielt ved innblåsing av oksygen. For raffinering av Si-metall og Si-jernlegering så de dermed ut til å være ganske uegnede på grunn av de veldig høye prosesstemperaturene. Derimot var det veldig overraskende at det praktisk talt ikke oppstod dysetetting og heller ikke erosjon av reaktorbunnen. Grunnen til dette er at det etter en blåsetid på 5 min. dannes et soppformig legeme ut i fra den porøse, ildfaste massen på mantelgassdysen. Denne massen består av Si02, AI2O3, CaO og andre bestanddeler. "Soppen" dekker dyseåpningen og avleder innleding av gassen oppover, og bort i fra reaktorbunnen. Vesentlige bestanddeler til de dannede soppformige legemene, som utgjør over 80$, er SiOg. Ved den praktiske utførelsen oppnår de soppformige legemene 100 til 600 mm lengde og diameter på 100 til 300 mm. Beneficial further development of the invention is indicated in the subclaims. Supply of process gas through the mantle gas nozzle in the metal melt has long been known, for example 1 DE-OS 1904383, DE-PS 1916945 and DE-OS 2738273. However, it is also known, as for example described in DE-OS 2738273, that this mantle gas nozzle becomes considerably sealed, especially when blowing in oxygen. For the refining of Si metal and Si iron alloy, they thus appeared to be quite unsuitable due to the very high process temperatures. In contrast, it was very surprising that virtually no nozzle clogging occurred and no erosion of the reactor bottom. The reason for this is that after a blowing time of 5 min. a mushroom-shaped body is formed from the porous, refractory mass on the mantle gas nozzle. This mass consists of SiO2, AI2O3, CaO and other constituents. The "mushroom" covers the nozzle opening and diverts the introduction of the gas upwards, and away from the reactor bottom. Essential constituents of the mushroom-shaped bodies formed, which amount to over 80$, are SiOg. In the practical implementation, the mushroom-shaped bodies attain a length of 100 to 600 mm and a diameter of 100 to 300 mm.

Mengden av oksygen som er nødvendig for raffineringen for å gjennomføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, kan på grunn av den høye blandingsenergien bli beregnet støkiometrisk. Ut i fra reaksjonsligningen Ca + 1/2 02= CaO, 2A1 + 3/2 02= AI2O3og Ti + 02= Ti02kan de nødvendige oksygenmengdene, slaggsammensetningen og den frigjorte reaksjonsvarmen bli beregnet for den tilstrebede målanalysen til legeringen. For å forhindre en for sterk oppvarming av smeltemassen gjennom den frigjorte varmen, blir et avkjølingsmiddel tilsatt. På grunn av den høye blandingsenergien, kan også avfallsstoffer fra smeltedriften i form av metall-slagg-blandingner bli anvendt som kjølemiddel. Metallene som er inne i avfalls-stoffene blir dermed resirkulert, dvs. metallutbyttet blir 10056. The amount of oxygen necessary for the refining to carry out the method according to the invention can be calculated stoichiometrically due to the high mixing energy. Based on the reaction equation Ca + 1/2 02= CaO, 2A1 + 3/2 02= AI2O3 and Ti + 02= Ti02, the required amounts of oxygen, the slag composition and the released heat of reaction can be calculated for the targeted target analysis of the alloy. To prevent excessive heating of the molten mass through the released heat, a cooling agent is added. Due to the high mixing energy, waste substances from the smelting operation in the form of metal-slag mixtures can also be used as a coolant. The metals contained in the waste materials are thus recycled, i.e. the metal yield is 10056.

Ved oksygentilførsel i støkiometriske mengder, gjør det mulig at prosesstemperaturen blir optimalt innstilt og ved tilsetting av kvarts og kalk blir sammensetningen av prosess-slagget også optimalt innstilt. Prosesstemperaturen kan for eksempel være innenfor intervallet mellom 1350°C og 1550°C. Prosessslagget kan være på en slik måte at sammensetningen tilsvarer sammensetningen til den ildfaste foringen, f.eks. 60° AI2O3, 20% Si02og 20% CaO. Reaktortetting forekommer dermed nesten ikke mere på grunn av at det sterkt ildfaste prosess-slagget nå dekker reaktorveggen og dermed utelukker tetting. Ved endring av slaggsammensetningen og prosesstemperaturen kan man til enhver tid fjerne overskudd av slagg på reaktorveggen ved oppsmelting. By supplying oxygen in stoichiometric quantities, it is possible for the process temperature to be optimally set and by adding quartz and lime, the composition of the process slag is also optimally set. The process temperature can, for example, be within the interval between 1350°C and 1550°C. The process slag can be in such a way that the composition corresponds to the composition of the refractory lining, e.g. 60° AI2O3, 20% SiO2 and 20% CaO. Reactor sealing thus almost no longer occurs due to the fact that the highly refractory process slag now covers the reactor wall and thus excludes sealing. By changing the slag composition and the process temperature, excess slag on the reactor wall can be removed at any time by melting.

Tegningen anskueliggjør et utføringseksempel ifølge oppfinnelsen i lengdesnitt. The drawing illustrates an embodiment according to the invention in longitudinal section.

Tegningen viser en kjede 1 med en ildfast foring, som er installert i bunnen til en mantelgassdyse 3. Gjennom det indre røret til mantelgassdyse 3, blir oksygen sendt via pil 4 og nitrogen gjennom det ytre røret via pil 5, ledet inn i Si-metallsmeltemasse 6. Forholdene etter en lengre stasjonær drift er angitt. Foran dyseåpningen er det blitt dannet et pilsformig legeme 7 som hovedsakelig består av Si02og som samtidig med mantelgassdyse 3 og også den ildfaste foringen 2 beskytter mot tetting. Det soppformige legeme 7 forhindrer ikke gassutførselen i Si-metallsmeltemassen 6. På veggene til kjele 1, henholdsvis den ildfaste foringen 2, avsettes slagg 8, som står i et visst vekselspill med Si-metallsmeltemassens svømmende slagg 9. The drawing shows a chain 1 with a refractory lining, which is installed at the bottom of a mantle gas nozzle 3. Through the inner tube of the mantle gas nozzle 3, oxygen is sent via arrow 4 and nitrogen through the outer tube via arrow 5, led into the Si metal melt 6. The conditions after a longer stationary operation are indicated. In front of the nozzle opening, an arrow-shaped body 7 has been formed which mainly consists of SiO2 and which, together with the mantle gas nozzle 3 and also the refractory lining 2, protects against sealing. The mushroom-shaped body 7 does not prevent the gas discharge in the Si metal melt 6. On the walls of boiler 1, respectively the refractory lining 2, slag 8 is deposited, which is in a certain interplay with the floating slag 9 of the Si metal melt.

Raffineringsprosessen kan utføres slik at slagg 8 blir avsmeltet, eller ved at slagg 9 avsettes på veggen. The refining process can be carried out so that slag 8 is melted, or by slag 9 being deposited on the wall.

Claims

1. Process for refining Si metal and Si iron alloy using an oxygen-containing process gas and the addition of slag formers and coolants in a treatment boiler, characterized by adding process gas to the molten mass through at least a mantle gas nozzle (3) with an outer and inner tube that is installed at the bottom of the treatment vessel, by introducing oxygen-containing process gas through the inner tube and introducing an inert or reactive mantle gas through the outer tube.

2. Method according to claim 1, characterized in that nitrogen, argon, carbon dioxide, carbon monoxide and/or compressed air are introduced as mantle gas.

3. Method according to claim 1, characterized in that oxygen, CO2, air or mixtures thereof are introduced as process gas.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that: the mantle gas and the process gas are introduced into the molten mass at high speed (Schallge-schwindigkeit).

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the specific amount of mantle gas used amounts to 0.1 to 0.5 m <3> (in.N.) per tonnes of molten mass and minute.

6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amount of process gas used amounts to 0.2 to 2.0 m <3> (in.N.) per tonnes of molten mass and minute.

7. Method according to one of the claims 1 to 6, characterized in that to reduce the secondary elements to a content of Al to 0.1$, Ca to 0.0156 and Ti to 0.015^, oxygen is added in stoichiometric amounts corresponding to the chemical analysis of the raw melt .

8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the refining processes are carried out at a temperature between 1350°C and 1550°C.

9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the calculation of the reaction slag is determined stoichiometrically using the crude analysis.

10. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that, through calculation of the energy released, the amount of slag formers and coolant is determined and determined.

11. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the produced process slag composition, through the desired calculation, exhibits an AI2 O3 content of 60% to 90% and a melting point of over 1600°C.

12. Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that waste from the molten mass operation in the form of metal-slag mixtures is used as the necessary coolant.

13. Procedure According to one of the claims 1 to 12, characterized in that the processing is programmed, and that a PC is used for this.

14 . Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that Si metals or Si iron alloys with a silicon content of 10% to 99% are refined.

15 . Device for carrying out the method according to claims 1 to 14, characterized in that the treatment boiler is designed as a converter or as a tilting chair-mounted boiler (1), in which at least one mantle gas nozzle (3) is installed at the bottom, in which the inner tube provides a connection for the process gas and the outer pipe a connection for the mantle gas.