金属シリコンの製造: サブマージアーク炉での炭素熱還元

工業用シリコンまたはシリコンメタルとも呼ばれる金属シリコンは、アルミニウム合金、シリコーン、ポリシリコン原料、および現代の製鉄添加剤の大部分の基礎となる材料です。そのほとんどすべては同じルート、つまりサブマージアーク炉内での石英の炭素熱還元によって生成されます。化学的性質は単純ですが、炉の操作、装入準備、精製の手順によって、製品が最終的に 98 % 冶金グレードになるか 99.7 % 化学グレードになるかが決まります。

炭素熱還元: 核となる化学

全体的な反応は、炭素によるシリカの還元です。

SiO2 + 2C → Si+ 2CO

この反応は強い吸熱性があり、反応ゾーンの温度がおよそ 1800 度から 2000 度に達する炉の最も熱い部分でのみ有効な速度で進行します。実際には、変換は 1 つのステップでは行われません。シリカは最初にガス状の一酸化ケイ素に還元され、これはチャージによって上昇し、さらに炭素によってケイ素に還元されます。

SiO2 + C → SiO + CO (第一段階、反応ゾーン)

SiO + C → Si + CO (第 2 段階、電荷欄)

シリコンの一部は SiO 蒸気として反応ゾーンから出てオフガスとともに逃げるため、このプロセスは本質的に完全に効率的とは言えず、シリコンの一部は微細なシリカ副生成物として失われます。-このプロセスがスラグフリーと言われる理由も化学によって説明されています。-: クリーンな原料を使用すると、還元生成物は液体シリコンと一酸化炭素であり、バルクのスラグ相を利用する必要がありません。

原材料と装入物の準備

グレードの選択は採石場から始まります。埋蔵量が多く、近くに安価な電力がある非常に純粋な石英が従来の原料です。通常、ガラスや宝石グレードの製品に適した材料が転用されます。-装入準備では、炭素とシリカの比率のバランスがとれます。炭素が不足すると未反応のシリカが残り、過剰になると炉床内での炭化ケイ素の蓄積が増加するためです。-石英は制御されたサイズ分布に選別され、装入物が電極先端から炉頂部まで安定した透過性を維持します。

サブマージアーク炉の操作と出銑

シリコン炉は通常 10 ～ 30 MVA の範囲で構築され、電極を装入物に浸した状態で動作します。これがオープン アーク溶解とは異なります。-アークが熱を供給し、チャージカラムがガスを濾過し、反応ゾーン上のクラストがプロセスの大部分を密閉した状態に保ちます。オペレーターは電極の位置、充電混合、タッピングのリズムを制御し、不均衡な還元の兆候がないかオフガスを監視します。-

溶けたシリコンは炉床に集まり、出銑穴から定期的に取鍋に注ぎ出されます。タッピング温度は通常 1600 度以上と高く、金属は炉から出るとすぐに凍結し始めるため、金属は迅速に扱われます。炉のキャンペーン寿命は、主に炉床ライニングの浸食と炭化ケイ素の蓄積によって制限され、どちらもチャージバランスがどの程度維持されるかによって決まります。

精製、鋳造およびグレード

炉から直接取り出したシリコンは通常 97% ～ 99% の純度であり、脱酸素や合金化などの冶金学的用途に適しています。より高いグレードは、液体金属を精製することによって、通常は酸素または空気による取鍋処理と、合成スラグを添加してアルミニウムとカルシウムを酸化して除去可能な相にすることによって製造されます。これにより、化学および電子用途に必要な 99.7 % ～ 99.8 % の純度が達成されます。

これらの指定では、数字は鉄、アルミニウム、カルシウムの最大含有量を順番に示し、最後の数字はカルシウムを 100 分の 1 パーセントで表します。つまり、Si3303 は、鉄とアルミニウムがそれぞれ 0.3 % に制限され、カルシウムが 0.03 % に制限されたシリコンです。一般的な工業用シリコンに対する同等の要件は、GB/T 25135 に規定されています。精製後、金属はインゴットに鋳造されるか塊に砕かれ、下流で使用されるサイズ分画にふるい分けされます。つまり、合金用には 10 ～ 100 mm の塊、化学工業用には微粉末です。

エネルギー消費、収量、副産物-

シリコンの精錬は、最も電力を大量に消費する冶金プロセスの 1 つです。{0}消費量は一般に、出湯シリコン 1 トンあたり約 11 ～ 13 MWh であると報告されています。これが、製錬所が電力が安価で信頼性の高い場所に配置される理由であり、操業の安定性がコストに直接影響する理由です。収量は、チャージのバランス、オフガス中の一酸化ケイ素の損失、およびダストシステムではなく炉床にどの程度のケイ素が供給されるかによって決まります。-

オフガスには微細なシリカが含まれており、マイクロシリカとして収集され、耐火物やコンクリート用途で貴重な製品となります。-蒸気として炉から出るシリコンと粉砕中に発生する微粉は両方とも回収され、可能な場合はプロセスに戻されるため、適切に運営されているプラ​​ントでは、シリコンの損失を避けられない廃棄物ではなく、原材料の問題として扱います。-

よくある質問

Q: 金属シリコンとフェロシリコンの違いは何ですか?
A: 金属シリコンは本質的に純粋な元素であり、通常は 98 % 以上が石英のみから生成されます。フェロシリコンはシリコンと鉄の合金で、通常はシリコンが 45% ～ 75% であり、装入中の鉄源で製造され、主に鋼の脱酸と鋳造の接種に使用されます。

Q: このプロセスがスラグフリーと表現されているのはなぜですか?{0}}
A: きれいな石英と低灰分還元剤を使用すると、還元生成物は液体シリコンと一酸化炭素になるため、バルク スラグを別途取り出して廃棄する必要はありません。{0}不純物は後の取鍋精錬時に除去されます。

Q: シリコンの還元はどの温度で起こりますか?
A: 有効な反応速度を実現するには、約 1800 度から 2000 度の反応ゾーン温度が必要です。そのため、従来のキューポラ溶解ではなくサブマージ アーク炉溶解が使用されます。

Q: 金属シリコンの純度はどのようにして99.7%まで高められるのでしょうか？
A: 出湯された金属は、通常、酸素または空気と合成酸化スラグを使用して取鍋内で精製され、アルミニウムとカルシウムが除去可能な相になります。その結果、化学産業やエレクトロニクス産業で必要とされる高純度グレードが得られます。-

Q: 金属シリコン粉末は鋳造や製鋼においてどのような役割を果たしますか?
A: 脱酸素剤として作用し、溶存酸素と結合して溶融物から浮遊するシリカを形成します。シリコンは固溶体を通じて鋼を強化し、特殊鋼の合金元素として添加されます。

Q: 通常どのサイズの金属シリコンが供給されますか?
A: 標準的な塊は、合金化および再溶解のために約 10 ～ 100 mm にふるいにかけられますが、化学合成や急速な溶解が必要な用途向けに、細かいグレードや粉末が製造されます。