JPS58104152A - シヤフト炉による高珪素合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 い珪素合金を製造する方法に関するものである。

主として鉄鋼製造に用いる合金鉄のうち、普通鋼の製造
に多量に用いられるのは、高炭素フエロマンガン、フェ
ロシリコン、シリコンマンガンである。これらのうち高
炭素フェロマンガンは古くシャフト炉で製造され、現在
も一部で行われているが、現在日本国内ではほとんど電
気炉で製造されている。フェロシリコンについては、電
気還元によらず単純なシャフト炉により製造された例は
、少なくともＪＩＳ　　、２〜３号に相当する高珪素合
金についてはほとんどないが、Ｓｉ　　１０％から２５
％程度．の成分のものについては若干報告がみられる。

フェロシリコンの製造にはシリコン１を当たり約１２０
００ＫＷＨの電力を要することから、アルミニウムがそ
ういわれるようにフェロシリコンも電力の塊りというこ
とになる。

本発明はこの様な背景にもとづいて研究した結果電力を
主要な還元用人熱としない　中高珪素合金、具体的には
フェロシリコン、カルシウムシリコン、フェロシリコ　
アルミ二′ウム等の新らしい製造方法を椀供することを
目・的とするものである。

これら合金は鉄、゛珪素、カルシウム、アルミニウムの
合金であるが、本発明の方法においては珪素の還元に附
随して生成するものｆ’釜ｍるに゛とどめ、カルシウム
、アルミニウムが珪素含有量をこえることはない。珪素
含有量は従来シャフト炉では得られなかった珪素３０％
　以上のものを目的とする。

この種合金のうち特にフェロシリコンの使用量ハ主とし
て鉄鋼製造用に向けられ、圧倒的に珪素７５チ〜８０％
のＪＩＳ　２号規格品が多く用いられ、次いで３号規格
品である。従って本発明は第１にフェロシリコン２．３
号品の製造を目的とするのである。

さて前述したように７エロシリコンは現在電気を用いな
いシャフト炉では製造されていないが、それは主要な原
料である珪石を金属シリコンに還元するために非常な高
温と多量の熱量を要するからである。

更に電気炉においてフェロシリコンの生成は２段階に行
われると言われている。すなわち第１段階では ５ｉｎ２＋　３Ｃ＝ＳｉＣ＋　２ＣＯ・・・・・・・・
・・・（１）という大きい吸熱反応で炭化珪素（ＳｉＣ
）が生じ、これが高温部に至って次の２反応の平衡のも
とて珪素を生ずるとするものである。

２ＳｉＯ２＋　ＳｉＣ＝　３ＳｉＯ＋Ｃｏ　　・・・・
・・・・・　（２）ＳｉＣ＋　　ＳｉＯ＝　　２Ｓｉ　
　＋　Ｃｏ　　・・・・・・・　（３）この場合炭化珪
素（ＳｉＣ）　　が炉内に沈積して反応を阻害したシ、
吹抜その他でＳｉＯが炉から失なわれて拳損失を招くこ
とが電気炉における、特に高珪素品、例えばＪＩＳ　　
１号、２号品製造における難しさであるとされている。

本発明者はこうしたことをもとにして、シャフト炉にお
いて多量のコークスを使用する場合、反応様式も変化し
容易に７エロシリコンができることを期待した。即ち珪
酸質原料、例えば通常フェロシリコン製造に用いられる
珪石に多量のコークスを混合してシャフト炉に装入し、
羽口から常温、または予熱した酸素富化空気を通じて溶
解を行った。しかしこめようにした場合、珪素５０チ　
をこえる合金は、炭化珪素の沈積によって製造が困難で
あることが分った。

以下に試験の内容と成績を示す。

試験は内径１．２ｍφ、高さ３ｍの小型のシャフト炉を
用い、塊コークス破砕された珪石粒およびス） クラップを装入し、炉下部から酸素濃度３３〜１００チ
の酸素富化空気を吹きこみコークスの燃焼熱で珪石を還
元し、炉底部の出湯孔からフェロシリコンの溶湯を取り
出すようにした。試験の第１段階では送風に純酸素を用
い、珪石とスクラップの配合比を変えてフェロシリコン
濃度と運転成績を調べた。次の段階では、４０〜４５チ
のフェロシリコンを得るような配合比で、酸素濃度を３
３〜１００％に変化させて成績を調べた。この際３３〜
７０ｑｂでは熱風炉を用いて５００℃に予熱も行った。

第１段階の試験の成績を第１表に示す。

第　　１　　表 ・合金中の珪素純分当た９の原単位 この結果、４２チの場合は２７チ　目標の場合に比し若
干珪石、コークスの原単位は悪化するものの、まずまず
操業可能であることが分った。しかし７７チ　つま＃）
ＪＩＳ２号フェロシリコンは、狙っても出来ないことが
分った。つまり得られる合金の濃度は５７チ程度が限度
で、炉頂ガス温度が上昇し、炉内の炭化珪素沈積で操業
が困難になることが判明した。第１表の成績も短期間の
もので５７．８％　　合金を安定して、この成績で得ら
れるというものでない。

そこで目標珪素濃度を４２チに絞って第２段階の試験を
行った。第２段階試験の結果を第１図および第２図に示
す。第１図は酸素濃度の変化にともなうコークス原単位
と、珪素分の歩留である。

明らかにコークスの使用量は酸素濃度が減少すると増加
し、７０％以下で急増している。また成品中の珪素歩留
も酸素濃度が減少すると低下した。

送風温度を上昇した場合は、明らかに冷風より原単位低
下、歩留向上に効果がある。試験は７０％までであるが
、グラフからみて同様の関係があると推測できる。

次に第２図をみると、炉頂ガス温度は同じく酸素濃度に
よって影響され、酸素濃度が低いと著しく高くなる。酸
素７０％で平均３００’Ｃ程度であるが、本方法ではシ
ャフト炉から高濃度の一酸化炭素を含むガスが発生する
ため、炉頂部が大気と連通ずると、大気を吸いこんだと
き爆発する危険があシ、一方大気に放散することは有害
ガスの放散と熱的ロスを招くので、炉頂は例えば製鉄用
の高炉のように密閉してガス回収を行うことが前提とな
る。

このため酸素濃度が低く、ガス温度が高くなると密閉の
ための構造設計上の難しさが発生する。

いずれにせよこのようにシャフト炉で珪酸原料とコーク
スを用いて高酸素富化空気を送りこみ、このときのコー
クスの燃焼熱による高温度を利用して４２チまで、おそ
ら（５０％程度までのフェロシリコンを製造しうろこと
、ス、の場合に珪素歩留、１１ コークス原単位、炉頂ガス温度からみて７０％以上の酸
素富化を行うべきことが分った。

しかし次のような多くの問題点があることも同時に分っ
た。

第１に５０％　をこえる珪素濃度のものが製造困難であ
ることである。７５〜８０％珪素のＪＩＳフェロシリコ
ン２号品が製造できないことは大きな不利である。

第２に棚吊り、吹抜けが多いことである。これは従来の
電気炉法はどでないと思われるが、被溶融物が粘稠な珪
酸を原料とすることによる類似の問題と思われる。また
コークスからアルミナ分が供給され、難溶物を形成する
ことも原因と思われる。

第３に電気炉法に比して数倍のコークスを用いることか
ら、コークスから入る不純物が多大であることである。

特にアルミニウム、燐の増加、変動が大きい。

このような結果、り考察から電炉法では高珪素の）二ロ
シリコン製、・埠ではほとんど行われていないガ、。

石灰を用いる造滓を□゛・試みてみた。この際珪石と石
灰が、還元される以前に結合して珪酸石灰スラグとなっ
てしまうと還元されにくくなることが考えられた。そこ
で珪酸分を予め部分的にでも還元しておくことを意図し
て、珪石を微粉砕し炭素粉末とともにペレット、ブリケ
ットとして装入することを試みた。この方法は一方では
炭化珪素生成を増加する懸念はあったが、結果的には単
純に珪石で装入した場合より成績はよかった。

はじめ当初試験における４２％　珪素合金製造における
と同程度の原料配合で、生石灰の配合を除々に増加した
。その結果は、吹抜け、棚吊りの頻度は減り、コークス
の原単位も若干の向上を示した。しかし得られたフェロ
シリコン中にはカルシウム、アルミニウムの含量が増加
したので７工ロシリコン製品とするには二次的に炉外で
珪酸分の多い造滓を行って精錬する必要が生じた。一方
同一コークス葉で得られる合金中の珪素、アルミニウム
、カルシウムをそれぞれ酸化物から還元されたとして算
出した総当置数は増加していることが分った。二次精錬
を行うとアルミニウム、カルシウム当量数に近い等置数
の珪素を得ることができる。

それ故二次的な造滓精錬を行うことも余シネ利ではない
。逆にこのことから純度が必ずしもよくない珪石や、ア
ルミナ分の多いロー石、カオリン、シャモット等を原料
として用いることも考えられた。その様な試みもやはシ
同様によい成績をおさめた。特に珪石のみの場合よりス
ラグの融点が下って作業が容易となった。

石灰分の配合量はコークスの使用量と密接に結びついて
いる。石灰の配合量が少なくてもコークスの原単位をふ
やせば、珪酸分の還元がす＼んで塩基性にかわる。それ
故単純に配合成分からのみスラグの塩基度は決められな
い。ある操業状態から塩基度を上下しようとすれば、コ
ークス原単位と生石灰の原単位の少なくとも１つを変更
することによって行いうろことが分った。

このような塩基性スラグをつくりながら、前述したと同
じ試験装置でフェロシリコン製造試験を行った結果のう
ち、スラグ塩基度と操業成績の関係を第２表に示す。第
２表はすべて配合原料はスクラップ１０００ｋｇにつき
珪石１７７０ｋｆ、コークス１１８０ｋｇとした場合の
操業成績で、表中の数字もスクラップ１００　’Ｏｋｇ
当たシの数字である。

第　　２　　表 このように単純塩基度Ｃａｏ／５１ｏ２が上昇すると生
成金属量が増加し、炉頂ガス温度は低下して炉操１：・ 業は安定する。一方金属Φ−Ｋ　Ｃａが増加して合金が
汚染される不利な点はあるが、これは低塩基度の造滓を
行えば除去され、若干珪素が還元されて戻るから、生成
金属量の増加は、珪素歩留向上と評価できる。合金と一
緒に流出するスラグは流動性がよく、通常の生石灰無配
合の場合のようにスラグ排出に困難を感じることはない
。

このような効果は、第２表で塩基度０５７と０９３の間
で特に顕著なことから、塩基度０７〜０８程度で効果が
生ずるものと考えられる。

更にこの石灰配合の大きな利点は前述したように珪石の
みでは製造できなかった珪素７０％以上の合金も製造で
きることである。更には低純度の原料も使用することが
できることが判明した。これらは実施例にもとづいて説
明する。

比較例　生石灰を用いない場合で珪素４０〜４５チ合金
の製造。

前述した内径１２ｔａ、高さ３ｍの耐火物で内張すされ
たシャフト炉を用い、モレキュラシープ型酸素発生装置
に：上って空気から製造された純度９０％の酸素ガスを
、−素線外として８００脂−の割合で炉に通じた。炉上
部から、破砕した粒度５〜３０間の整粒された珪石を８
４３ｋｇ／ｈの割合で、−またスクラップを２４９ｋｇ
／ｈ１珪石を４４１ｋｇ／ｈ、粒度２０゛〜５Ｑｍｍの
整粒された製鉄用コーダスを１２５ｏ′ＣＪｉｈの割合
で供給した。この結果５ｉ４Ｌ３％の組成のフェロシリ
コンを４３３ｋＶｈの割合で得た。炉頂ガスはベンチュ
リ・スクラバで洗滌、除塵してガス量、ガス組成を測定
した。除塵前の炉頂ガスの温度は平均３３５℃であり、
ガス組成はＣ０８ＬＯチ、Ｃ０ｚｌａ８％、Ｎ２り、　
ｒ　％　テ１７４　ｏＮｒｌ？／ｈノ流量カ測定された
。

実施例１ 比較例と同一の炉で、同じ９０％　酸素ガスを酸素純分
として９００Ｉｖ／ｈの割合で炉に通じた。

装入珪石原料としてはペレットを用いる。１００メツシ
ユ以下に粉砕篩別された珪石とオイルコークスを重量比
で珪石５５、オイルコークス３９、バインダーとしてコ
バルチン６を混合して通常の製造法で径２０１１１１１
１のペレットを得た。さて炉にはこのペレットを７　ａ
　Ｏ’ｆ／１．　、　粒度５〜３０ｍｍの整粒された珪
石を１９０ｋｇ／ｈ、粒度２０〜５０ｍｍの整粒された
高炉用コークスを１０５０−１粒度１０〜２５ｍｍの生
石灰ヲ１２５ｋｇ／ｈの割合で供給した。この結果Ｓｉ
　７１１％、　　ＡＩ　２．３％−１Ｃａ　ａｏ−％の
フェロシリコン溶湯を３５７ｋｆ／１１の割合で得、Ｃ
ａ０４Ｑ７％、５ｉ０２３６７％のスラグ５６０に騒を
副生した。この合金を低周波電気炉に保持して珪砂９０
呻、生石灰３’　Ｏｋｇを投入してアルゴンガスを通人
攪拌したところＳｉ’７５２％、ＡＩ　０３％、Ｃａ　
ｔｒのフェロシリコレを得た。

炉頂ガスはベンチュリ・スクラバで洗滌、除塵してガス
量ガス組成を測定した。除塵前の炉頂ガスの温度は２９
３℃であシ、ガス組成はＣ０９Ｌ９％、Ｃ０２ａ７％、
Ｎ２４４チで、２２５ＯＮ吟りの流量が測定された。

実施例２ シャモット粉７５部、鉄鉱石粉１１部、オイルコークス
粉゛１１部、アスファルト乳剤５部を攪拌混合し、通常
の方法でブリケットとする。このブリケットを６９０に
怪、粒度２０〜５０ｍｍの整粒された高炉用コークスを
１１３０ｋＶｈ１生石灰を１３５ｋＶｈの割合で、前述
の炉に供給し、羽目から純酸素８０ＯＮｒＩ？／ｈを通
シタ。コノ結果Ｓ　ｉ　４４８　％、Ａｌ２Ｏ２％、Ｃ
ａ４．８％フェロアロイ溶湯を２５６ｋＶｈの割合で得
、Ａｔ２０３５Ｑ３％、Ｃａ０４３４％、５ｉ０２５．
１％よシなるスラグ１７０　’％　ｆ副生した。炉頂ガ
スはペンチーリ・スクラバで洗滌、除塵してガス量、ガ
ス組成を測定した。除塵前の炉頂ガスの温度は２８９℃
であり、ガス組成はＣ０９ｆｉ７％、Ｃ０２ａ３チのガ
ス２０８ＯＮｍ／ｉ１が測定された。

実施例１．２で生石灰を減じてゆくと少量の減では余り
影響を受けないが、多量に減じてゆくとやがて実施例１
ではＳｉ濃度は大幅に低下し、実施例２ではＳｉ、Ａｔ
がともに低下し、吹抜けがひどくなり操業が困難になる
。一方他の装入物を一定にしてコークスのみを１０チ程
度まで減少する場合は、実施例１ではＳｉが、実施例２
ではＡｔが主として低下するが、急激には操業の困難を
招くことはない。このことから生石灰の配合は炉操業を
安定する効果があることが分る。

ここで本方法の利点を従来−と比較して考察する。

従来５ｉ３０％以丁のフェロシリコンのシャフト炉によ
る製造は一部の報告はあるが、３０％　をこえるものに
ついては殆ど報告がない。この組成のものは知られてい
る限りすべて電気炉で製造され特に５ｉ７５〜８０％の
ＪＩＳ規格２号品では１を当たり９５００ＫＷＨもの電
力を要する。−力木方法のようにシャフト炉法によると
酸素製造に電力を要するが、それはせいぜいフェロシリ
コン１を当たり１５００ＫＷＨ以内であり、その他系内
のブロアー、ポンプその他の動力費を積算しても３００
０ＫＷＨをこえず、一方実腕側で示した炉頂ガスを燃焼
して蒸気を発生して発電するならばフェロシリコン１を
当たシロ０００ＫＷＨをこす発電電力が得られる。要す
るにシャフト炉法は電力を用いずコークスか□らフェロ
シリコンを製゛造する方法で、細かい議論を省略するが
、経済的には極めて有利な方法である。　　゛ その場合におらて、石灰分を加えて造滓することは例え
ば製鉄用高炉では常識であり、また５１２５チ　以下な
ら高炉でも製造セきるとしているなら、ここでは石灰分
を加えて造滓することは当然と考えられる。一方電炉法
では石灰を加えて造滓することは特殊の例外や炉のクリ
ーニング等の応急措置を除いては行われていない。特殊
の例として溶湯のＳｔ含量の低いものに対してアルミニ
ウム製造のだめのアルミナ製造の一手段として行われた
報告がある。またＳｔ　濃度が高いものに対して相当量
の石灰分を加える方式は、特公昭５ｌ−３ａｏ５゜に見
られるがこれは定常的に出滓を行わず、また塩基度（Ｃ
ａ’０−ｊＭｇｏ　）／５ｉ０２　ｋ　Ｑ　３から０６
と指定している。

本方法においては実施例１および２に見られるように定
常的に相当量の排滓を行い、かついわゆる単純塩基度Ｃ
ａ　Ｏ／ｓｒ　ｏ２（ＭｇＯは通常少ないので無視して
よいが分析されたときは分子に加えＣａ　Ｏ十ＭｇＯ／
Ｓ　ｉ　０２で評価する）は０６以上となり、多くの場
合で１以上でも、高濃度の酸素と多量のコークス使用に
よって還元できることによっている。たソスラグの融点
を低めるために、特に５ｉ０２が低いときはＣａＯとｈ
ｔ２ｏ３の比率が重量比ではソ同率、一般的に４＝６よ
り太き（（ＣａＯが多く）なるように調整すべきである
。このとき５ｉ０２の濃度は炉状況に応じて変動する。

このように高濃度Ｓｔのフェロシリコン製造の常識、こ
れは５ｉ０２　の活量がＣａＯによって低められるとＳ
ｉに還元できないとするものであるが、これに反して高
石灰高アルミナの造滓を行うことによって、得られ、る
フェロシリコンの不純分を低め、安定した操業を行うこ
とができるのが本方法の特徴である。

更に実施例２のように多量の特定成分の組成のスラグを
得るように計画するとき、スラグの有効利用を図ること
ができる。例えば実施例２のスラグ溶融状態において純
酸素ガスを通じて硫黄分を酸化したのち冷却凝固させた
のち、粉砕するならば、アルミナセメントとして使用す
ることができる。

本発明の特許請求の範囲は明らかであるが、特に効果を
示したシ、実施上附加的に必要であって、特記すべき実
施様態は以下の様になる。

（１）特にＳｉ含量５０％以上のフェロシリコン合金を
製造するだめの特許請求の範囲の方法。

（２）原料の珪石の大部分を炭材とともに微粉として後
、団鉱化して装入し、シャフト炉内で溶けおち前に珪石
の還元の相当部分が行われるようにしたことを特徴とす
る特許請求の範囲の方法。

（３）純度の低い珪石原料を用いて特許請求の範囲の方
法で得られた溶融高珪素合金を炉外で珪石、石灰等を主
として造滓し二次精錬し、純度の高いフェロシリコンと
する方法っ （４）配合石灰分およびコークス使用量のいづれかを増
減することによって塩基度の調整を行う特許請求の範囲
の方法。

【図面の簡単な説明】

＃！１図は４２１ｓｔ濃度の珪素合金製造を目的とした
ときの、酸素濃度の変化にともなうコークス原単位（合
金中の５ｉｌｔ当たりのコークス必要量）と、装入珪石
に対する珪素そ留の関係を示す図。 第２図は第１図と同じ試験□はおいて酸素濃度の変電′
１ 化に伴なう炉頂排ガス温度の変化を示したもので、排ガ
ス温度の平均と上限のばらつきを示した図で出　願　人
　新日本製鐵株式会社 ＃Ｌ豪良（（１］ 第２図 ＷＩＬｔｔ、メーー（％ン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シャフト炉に珪石等の珪酸含有原料または粘土等のアル
   ミナ珪酸系鉱物、鉄鉱石または鉄スクラツプ等のうちか
   ら選択された原料およびコークス、ならびに石灰分を装
   入し、炉床部に７０−　以上の酸素を含有するガスを吹
   きこみ高温の燃焼部を形成し、溶湯と接するスラグの単
   純塩基度（／ｓ、ｏ２）を０７以上に保ちつつ、珪素３
   ０チ　以上を含む珪素合金を得ることを特徴とするシャ
   フト炉による高珪素合金の製造方法