페로실리콘 생산

페로실리콘 생산

페로실리콘(Fe-Si)은 철(Fe)과 규소(Si)를 주원소로 하는 합금철입니다. 합금철은 일반적으로 15% ~ 90% 범위의 Si를 포함합니다. 시장에서 사용 가능한 Fe-Si의 일반적인 Si 함량은 15%, 45%, 65%, 75% 및 90%입니다. 나머지는 Fe이며, 알루미늄(Al) 및 칼슘(Ca)과 같은 기타 원소는 약 2%입니다.

Fe-Si는 철광석, 고철, 밀 스케일 또는 기타 철 공급원이 있는 상태에서 탄소(C)와 함께 이산화규소(SiO2)의 탄소 열 환원에 의해 산업적으로 생산됩니다. Fe-Si의 제련은 자가 소성 전극을 사용하여 전기 수중 아크로(SAF)에서 수행되는 연속 공정입니다.

Fe-Si(전형적인 품질 65%, 75% 및 90% 규소)는 주로 제강 및 주물 공장에서 C강, 스테인리스강을 탈산제로 생산하고 강철과 주철의 합금에 사용됩니다. 또한 전기강이라고도 하는 규소강 생산에 사용됩니다. 주철을 생산하는 동안 Fe-Si는 흑연화를 가속화하기 위해 철의 접종에도 사용됩니다. 아크 용접에서 Fe-Si는 일부 전극 코팅에서 찾을 수 있습니다.

Fe-Si 실리콘 생산 중 이상적인 환원 반응은 SiO2+2C=Si+2CO입니다. 그러나 실제 반응은 SAF 내부의 서로 다른 온도 영역으로 인해 상당히 복잡합니다. 가장 뜨거운 영역의 가스는 Si 회수율이 높기 위해서는 외부 전하층에서 회수되어야 하는 일산화규소(SiO) 함량이 높습니다. 회복 반응은 전하를 매우 높은 온도로 가열하는 외부 전하 층에서 발생합니다. 용광로의 배출 가스에는 실리카 먼지로 회수될 수 있는 SiO2가 포함되어 있습니다. 형성 액체 Si는 몇 가지 중간 반응을 거칩니다. 이 기사의 뒷부분에 설명되어 있습니다. Fe-Si 생산의 주요 특징은 다음 세 가지로 요약될 수 있다.

• SAF의 가장 뜨거운 영역에 있는 가스는 Si 회수율이 높은 경우 외부 전하 층에서 회수해야 하는 Si 함유 가스 함량이 높습니다.
• 외부 전하 층에서 Si 회수 반응은 전하를 매우 높은 온도로 가열하고 가장 뜨거운 영역으로 쉽게 흐르지 않는 끈적한 전하를 생성합니다.
• 로에서 나오는 가스에는 SiO2로 구성된 상당한 양의 먼지가 포함되어 있습니다.

Fe-Si의 생산 공정에 대한 개략적인 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.



 그림 1 Fe-Si 생산 공정의 도식적 흐름도 

원재료

Fe-Si는 일반적으로 SAF에서 Fe 함유 물질과 Si 함유 물질을 제련하여 생산됩니다. Fe는 철광석, 철 스크랩 또는 밀 스케일 형태이고 Si는 일반적으로 규암 덩어리 형태입니다. 이들은 석탄이나 석유 코크스와 같은 탄소질 물질과 우드칩과 같은 팽창제와 결합됩니다. 석영은 탄소-열 공정에서 Si의 공급원입니다. 규암의 순도는 일반적으로 다른 유형의 석영 퇴적물보다 낮지만 일반적으로 Fe-Si 생산에 적합합니다.





Furnaceability는 규암에 사용되는 일반적인 국제 산업 품질 용어입니다. 규암은 모든 화학적 및 물리적 기준이 높은 속도의 공정 성능에서 Si 함량이 높은 Fe-Si 생산에 적합한 실리카 원료가 되도록 하는 것과 같을 때 좋은 용해도를 가지고 있습니다. 규암 원료의 절대 품질 요구 사항은 공정을 최적화하는 데 필요한 것으로 (i) 화학, (ii) 재료 크기(일반적으로 10mm ~ 150mm), (iii) 기계적 강도, ( iv) 열 강도, (v) 연화 특성.

화학 및 크기는 규암을 지정하기 위해 모든 Fe-Si 생산자가 사용하는 가장 일반적인 사양입니다. 화학에 대한 요구 사항은 불순물 원소, 특히 Al, Ca, 티타늄(Ti), 붕소(B) 및 인(P)과 같은 원소의 함량과 관련이 있습니다. 일반적으로 Si보다 더 고귀한 원소(예:Al 및 Ca)는 제품에 포함되는 반면 휘발성 성분은 배출 가스로 이동합니다. 그러나 용광로에서의 반응은 그보다 훨씬 더 복잡하고 원자재의 원소 분포도 원소가 어디로 가는지를 결정합니다. 일부 원소, 특히 나트륨(Na) 및 칼륨(K)과 같은 알칼리는 실제로 규암의 융점을 낮출 수 있습니다. 일반적으로 원자재에 대한 요구 사항은 제품의 요구 사항과 연결됩니다. Fe-Si 생산에는 일반적으로 가장 어려운 원소의 더 높은 함량을 허용하는 요구 사항이 있습니다.

크기 요구 사항은 플랜트마다 다를 수 있으며 범위는 10mm에서 150mm입니다. 그러나 일부 생산자는 더 좁은 크기에 대한 사양을 가지고 있습니다. 일부 Fe-Si 생산자는 기계적 강도와 열 강도에 중점을 두거나 측정하지만 일반적으로 공급업체의 사양에 포함되지 않습니다. 또한 일부 생산자는 규암의 연화 특성에 중점을 둡니다. 또한 특정 작업에 가장 적합한 항목에 따라 개별 생산자가 추가 요구 사항을 정의할 수 있습니다.

규암의 기계적 성질은 광산에서 생산하는 동안 원료의 크기 감소, 장입 전 운송 및 저장에 영향을 미칩니다. 생성된 미세 물질은 장입물의 투과성을 낮추고 SiO 가스가 장입물 내의 미반응 C와 반응하여 화로의 상부로의 가스 흐름을 방해하여 로에서 중요한 반응인 SiC. 또한 일부 SiO 가스는 응축되어 SiO2와 액체 Si의 끈적끈적한 혼합물을 형성합니다. 오프 가스 채널을 통한 SiO 가스의 손실과 낮은 Si 회수율은 전하의 투과성이 낮기 때문일 수 있습니다.

벌금은 두 가지 다른 기준으로 정의됩니다. 이러한 맥락에서 미세분은 공정에 가장 중요한 2mm 크기 미만의 재료로 정의됩니다. 2mm 미만의 미세 입자는 전하의 투과성을 낮춥니다. 벌금은 사양 이하의 덩어리 크기(예:-10mm)의 재료로도 정의할 수 있습니다. 기계적 성질은 열역학적 성질이 주로 미분의 발생과 관련이 있으나, 이 경우 열역학적 성질이 좋지 않으면 규암이 분해되어 규암이 분해되기 때문에 노 내부에서 미분 발생이 발생한다. 용광로의 극심한 열. 이상적으로, 덩어리진 규암은 규암이 캐비티 벽 근처의 용광로 하부에서 부드러워지고 녹기 시작할 때까지 장입물을 통해 아래로 이동할 때 원래 크기를 유지하는 것입니다.

대부분의 규암은 어느 정도 붕해될 가능성이 있지만, 미분쇄되어서는 안되며 너무 많은 미세입자를 생성하여 전술한 바와 같이 장입물의 투과성을 저하시킨다. 이 크기 감소는 또한 극단적인 경우에 규암 조각이 공기 중으로 던질 수 있는 터지는 효과를 초래할 수 있습니다. 장입물 내에서 분해되는 열 안정성이 낮은 규암도 노에서 슬래그 형성에 기여할 수 있습니다.

규암의 연화 특성은 열 기계적 특성의 또 다른 측면입니다. 연화 온도 또는 연화 간격은 규암이 녹기 시작하는 온도입니다. 이것은 1723℃에서 규암의 녹는점보다 낮습니다. 연화 온도는 규암이 녹기 시작하기 전에 공동 벽으로 이동하는 이상적인 과정을 달성하기 위해 가능한 한 규암의 녹는 온도에 가까워야 합니다. 용융된 규암이 공동 벽에서 공동으로 떨어지며, 여기서 Si 형성 반응이 발생합니다. 알칼리 원소(및 덜 알칼리 토류)는 규암의 용융 온도에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 용광로에서 너무 높은 곳에서 연화되거나 녹기 시작하는 규암은 끈적한 덩어리를 생성하여 다른 입자와 뭉쳐 전기 전도성이 되어 용광로의 전기 경로를 변경하고 심지어 전력을 감소시킵니다. 호.

Fe-Si 생산용 수중 아크로

Si 함량이 15%인 상용 등급의 ​​Fe-Si는 일반적으로 산성 내화 벽돌이 늘어선 고로(BF)에서 생산됩니다. Si 함량이 더 높은 Fe-Si는 일반적으로 SAF에서 생산됩니다. Fe-Si를 생성하는 SAF의 크기는 전기 부하 측면에서 주어지며 1-2MVA에서 40MVA 이상까지 다양합니다. SAF의 크기는 일반적으로 최대 직경 10미터, 깊이 3.5미터로 구성됩니다. 전기 에너지는 전하에 깊이 잠긴 3개의 전극에 의해 3상 교류(AC)를 통해 공급됩니다. 특정 에너지 소비량은 일반적으로 생산된 Fe-Si(75% Si) 톤당 최대 9MWh – 10MWh(메가와트시)입니다. 효율적으로 운영하고 단위 고정 비용을 줄이기 위해 SAF는 하루 24시간 지속적으로 실행되어야 합니다.

SiO2 환원의 고 흡열 반응에 필요한 열은 저항 가열에 의한 전류 흐름의 결과로 SAF 전하의 전하에서 직접 생성되고 전극 팁 근처에 위치한 가스 챔버에서 연소되는 아크 가열에 의해 생성됩니다. 로의 내부 구조와 반응 구역의 온도 분포는 저항 가열 및 아크 가열의 원리에 따라 로에서 발생하는 열의 비율과 밀접한 관계가 있습니다. Fe-Si 용해로의 가장 중요한 구조적 요소 중 하나는 공정에 필요한 전기를 가져오는 충전 자가 베이킹 'Soderberg' 전극에 잠겨 있습니다. 전기 아크의 연소 및 반응 구역의 온도 조건은 로에서 전극 팁의 위치와 밀접한 관계가 있습니다. 전류는 가장 뜨거운 부분에서 전하의 일부를 약 2000℃까지 가열합니다. 이 고온에서 SiO2는 용융된 Si로 환원됩니다.

반응 구역의 온도 분포는 직접적인 측정 대상이 아니지만 공정의 정확한 전기 및 온도 조건을 제공하려면 전극 미끄러짐을 체계적으로 수행해야 합니다. 전극의 최적 위치는 공정의 경제적 지표를 최소화합니다. 반응 구역에서 SAF가 양호하고 안정적으로 작동하는 기간에는 SiO2 환원의 새로운 제품이 지속적으로 발생하기 위한 조건입니다. 이 프로세스는 주기적 특성을 가지며 아크 챔버 내부의 액체 SiO2가 녹고 주기적으로 침투하는 것과 관련이 있습니다.

SAF는 용광로 상부에 후드가 있어 굴뚝을 통해 가스 청소 시스템으로 뜨거운 가스를 보냅니다. 규암, Fe 베어링 재료 및 C 베어링 재료와 같은 원자재는 컨베이어 벨트로 운송되어 일일 쓰레기통에 별도로 보관됩니다. 규암, C 환원제 및 Fe 담체로 구성된 혼합 배치 형태의 원료를 칭량하고, 필요한 비율로 조합하고, 혼합하고 장입 튜브를 통해 노에 장입합니다. 이 튜브는 전극을 향한 콘센트와 함께 위치합니다. 전극을 둘러싼 튜브의 수는 퍼니스마다 다릅니다. 장입된 재료는 서로 다른 섹션에 스토킹 게이트가 있는 후드로 둘러싸인 용광로 외부 바닥과 같은 높이에 있으며 이 섹션은 스토킹 기간 동안 열 수 있습니다.

Fe-Si의 생산공정

원료는 상단에서 용광로로 충전됩니다. 고전류, 저전압 전기는 변압기를 통해 C 전극을 통해 용광로로 전달됩니다. 이 공정은 에너지 집약적이며 75% Fe-Si 1톤을 생산하는 데 약 9,000kWh~10,000kWh(킬로와트시)의 전기가 필요합니다.

Fe-Si 생산에 사용되는 SAF는 일반적으로 스토킹, 충전 및 태핑을 주요 작업으로 하는 주기로 운영됩니다. 스토킹하는 동안 전하 상단의 얇은 껍질이 부서지고 오래된 전하가 전극쪽으로 밀려납니다. 그런 다음 새 요금이 이전 요금 위에 추가됩니다.

스토킹 충전 주기는 작동 주기입니다. 스토킹은 기계 앞에 장착된 스토킹 로드가 장착된 특수 이동 기계에 의해 수행됩니다. 불균일하게 충전된 부담은 스토킹 게이트를 통해 기계와 함께 분배될 수 있습니다. 표면의 오래된 대전 물질은 전극 주위에 함몰이 형성된 전극을 향해 분포됩니다. 이러한 함몰은 공동의 뜨거운 반응 영역에 의해 형성됩니다.

용광로에서 장입물은 약 1815℃로 가열됩니다. 이 온도에서 규암은 환원제의 C와 결합하여 일산화탄소(CO) 가스를 형성하고 Si를 방출하여 용융 Fe와 합금을 형성합니다. 용융된 Fe-Si는 용광로 바닥에 축적됩니다. 원자재의 미량원소 함량(규암 환원재 및 전극 포함)이 제품으로 운반됩니다.

주기적으로 동일한 시간 간격으로 액체 합금철을 노 안의 탭 구멍 중 하나를 통해 국자로 두드립니다. 탭홀은 퍼니스의 측면과 바닥 라이닝 사이의 전환점에 있습니다. 탭 구멍의 수는 퍼니스마다 다릅니다. 탭 구멍은 일반적으로 기계적으로 열리고 특수 점토 혼합물로 닫힙니다.

배출 가스는 비정질 응축 SiO2가 주성분인 먼지 제거를 위해 가스 세정 설비를 통과합니다. 이 먼지는 일반적으로 콘크리트, 세라믹, 내화물, 고무 및 기타 적합한 응용 분야에서 충전재로 사용됩니다. 용광로는 합금철 1톤당 약 0.2~0.4톤의 SiO2 먼지를 생성합니다. 정화된 가스는 주로 CO, 이산화황(SO2), 이산화탄소(CO2) 및 질소 산화물(NOx)을 포함합니다. 가스의 열은 폐열 회수 시스템에서 회수될 수 있습니다.

반응

Fe-Si의 생산 공정은 SiO2가 C와 함께 Si 및 CO(g)로 환원되는 고온 공정으로 구성됩니다. 공정의 전체 반응은 아래 주어진 반응으로 이상화된 탄소-열 반응을 기반으로 합니다.

SiO2(s) + 2C(s) =2Si(l) + 2CO(g)    Delta H at 2000 deg C =687 kJ/mol

Fe-Si 용해로는 일반적으로 (i) 내부 고온 영역과 (ii) 외부 저온 영역의 두 영역으로 나뉩니다. Si는 내부 영역에서 생성됩니다. Si 생성을 위한 평형 조건은 다음 반응으로 주어진다.

SiO(g) + SiC(s) =2Si(l) + CO(g)

Si 생성 온도는 약 2000℃이다. 그러면 1기압에서 상기 반응에 대한 SiO의 평형 압력은 0.5기압이다. 높은 Si 회수율을 얻기 위해 이 SiO2는 노의 더 차가운 부분에서 회수되어야 합니다. SiO는 C와의 반응 또는 축합에 의해 회수된다. 회수되지 않은 SiO는 SiO2 먼지로 손실됩니다.

C 물질이 SiO와 반응하는 능력을 반응성이라고 합니다. 높은 반응성의 경우, C의 대부분은 SiO와 반응하여 외부 영역에서 SiC를 형성합니다. 반응성이 낮으면 유리 C가 내부 영역에 도달할 수 있습니다. 그러면 Si가 적고 SiO와 CO가 더 많이 생성됩니다. 외부 영역의 낮은 반응성으로 인해 더 많은 SiO가 응축됩니다. 결로가 열을 공급하기 때문에 결로에 한계가 있습니다. 한계를 초과하면 SiO가 용광로를 떠납니다. 반응성이 낮으면 SiC 침전을 피하기 위해 전하의 C 균형을 줄여야 합니다. 이 경우 Si의 회수율이 감소합니다.

실제 작동에서는 항상 가스에 약간의 실리콘 손실이 있습니다. 이것은 주로 가스 종 SiO의 손실로 인한 것입니다. SiO는 전하보다 높은 과잉 공기에서 CO와 함께 연소됩니다. 공정에 대한 보다 정확한 설명은 더 복잡하고 많은 중간 반응을 포함하며 위의 반응이 설명하는 것보다 상황을 크게 복잡하게 만듭니다. SAF의 내부는 고온(약 2000℃)과 저온(1815℃ 미만) 영역으로 나눌 수 있으며, 여기에서 서로 다른 반응이 지배적입니다. 전극 팁 주변의 고온 영역에서는 다음과 같은 반응이 일어납니다.

2SiO2(s, l) + SiC(s) =3SiO(g) + CO(g)   Delta H at 2000 deg C =1364 kJ/mol

SiO2(s, l) + Si(l) =2SiO(g)   2000℃에서 Delta H =599kJ/mol

SiO(g) + SiC(s) =Si(l) + CO(g)     Delta H at 2000 deg C =167 kJ/mol

이 세 가지 중 가장 느린 것은 개발된 전기 에너지의 대부분을 소비하는 반응을 생성하는 SiO(g)일 것입니다. Si는 1815 deg C 이상의 온도에서 반응을 통해 생성될 수 있습니다. SiO 가스는 로에서 위쪽으로 이동하고 아래 주어진 재료와 반응 C에 의해 또는 온도가 충분히 낮은(1800 deg C 미만) 응축에 의해 회수됩니다. . 아래에 제공된 마지막 두 가지 반응은 되돌릴 수 있습니다.

SiO(g) + 2C(s) =SiC(s) + CO(g)   1800℃에서 Delta H =-78 kJ/mol

3SiO(g) + CO(g) =2SiO2(s, l) + SiC(s)    Delta H at 1800 deg C =-1380 kJ/mol

2SiO(g) =SiO2(s, l) + Si(l)       Delta H at 1800 deg C =– 606 kJ/mol

마지막 두 가지 응축수 생성 반응은 강한 발열 반응이며 열이 노에서 위쪽으로 전달되는 주요 요인입니다. 다른 반응에 대한 평형 조건은 그림 2에 나와 있습니다.



그림 2 SiO2, SiC 및 C와 평형을 이루는 SiO(g)의 부분압

용광로 장입물의 상단에서 온도는 1000℃에서 1700℃까지 다양합니다. 일반적인 산업용 실리콘 수율은 잘 작동되는 용광로에서 약 85%입니다. SIC 형성 반응은 1512℃ 이상에서 바람직한 SiO 회수 반응입니다. 이 온도 이하에서 SiO 가스는 일반적으로 마지막 두 응축물 생성 반응에 의해 포착됩니다. 온도는 이러한 반응의 평형 조건에 큰 영향을 미칩니다. 상부의 온도가 약 1620℃(SiO2의 분압=0.1 atm.)이고 주요 SiO 회수가 응축을 거치면 Si의 수율은 약 80%입니다.

Fe-Si의 정제 및 주조

Al 및 Ca와 같은 액체 합금 철의 불순물은 합금이 주조 전에 국자에서 용융 단계에 있는 동안 산소(O2)와 공기에 의해 제거될 수 있습니다. 액체 합금철은 용광로에서 내화 라이닝된 강철 국자로 두드릴 수 있습니다.

액체 Fe-Si를 국자에서 크고 평평한 주철 주형에 붓습니다. 금형 표면에 Fe-Si 미세층을 추가하여 금형을 준비합니다. 주조 재료는 재료 강도가 제거될 만큼 충분히 높은 수준으로 냉각되고 추가 냉각을 위해 더미에 쌓이면 주형에서 제거됩니다. 냉각 및 응고 후 Fe-Si는 분쇄 및 선별되어 필요한 덩어리 크기를 생성합니다. 분쇄 과정에서 약간의 미세 입자가 생성됩니다. 이러한 미세 물질은 분말로 더 분쇄되고 바인더와 결합되어 연탄으로 형성될 수 있습니다. 용융물도 알갱이로 만들 수 있습니다.

모든 등급의 Fe-Si는 본질적으로 동일한 공정을 사용하여 생산되지만 더 높은 순도 등급의 Fe-Si를 생산하려면 특정 추가 단계가 필요합니다. 이러한 등급은 불순물이 적은 원료를 사용하여 생산됩니다. 또한, 원치 않는 불순물을 제거하기 위한 액체 Fe-Si의 정제 및 특수 합금 원소의 추가가 국자에서 발생합니다. 더 높은 순도의 Fe-Si를 생산하기 위한 이러한 추가 처리는 레이들 야금으로 알려져 있습니다. 고밀도 매체 적용을 위한 특수 등급 15% Fe-Si는 일반적으로 전기 아크로에서 철 스크랩과 함께 75% Fe-Si를 재용융하고 고압 물 분무로 주조하여 생산됩니다.






페로크롬 생산 철망간 생산