フェロシリコン（Fe-Si）工業生産：プロセス・グレード・用途

フェロシリコン（Fe-Si）生産

フェロシリコン（Fe-Si）は鉄（Fe）とシリコン（Si）を主成分とするフェロアロイ。Si含有率通常15〜90%。市場流通Fe-Siの代表的Si含有率：15%、45%、65%、75%、90%。残部はFe、その他元素（アルミニウムAl、カルシウムCa等）約2%。

Fe-Siは鉄鉱石、鋼スクラップ、ミルスケール等Fe源存在下、二酸化ケイ素（SiO2）を炭素（C）で炭素熱還元し工業生産。Fe-Si製錬は自己焼成電極を用いた電気沈降アーク炉（SAF）で連続運転。

Fe-Si（代表品質65%、75%、90% Si）主用途：製鋼・鋳造所での炭素鋼・ステンレス鋼製造時の脱酸剤・合金添加、鋼・鋳鉄合金化。電気鋼（シリコン鋼）製造用。鋳鉄製造時グラファイト化促進接種剤。アーク溶接電極被覆材にも含有。

Fe-Si生産時理想還元反応：SiO2 + 2C = Si + 2CO。しかしSAF内異温度ゾーン存在で実反応は複雑。最高温ゾーンガスは一酸化ケイ素（SiO）高含有、外周装入層で回収必須でSi回収率向上。外周装入層での回収反応が装入物質を極高温加熱、粘着性装入物質形成し最高温ゾーンへ流動阻害。炉排ガス含有SiO2粉塵として回収可能。液体Si生成は複数中間反応経由（後記）。Fe-Si生産主特徴3点：

• SAF最高温ゾーンガス高Si含有ガス含有、外周装入層回収でSi回収率向上
• 外周装入層Si回収反応で装入物質極高温加熱、粘着性装入物質形成し最高温ゾーン流入阻害
• 炉排ガス含有SiO2主成分粉塵大量含有

Fe-Si生産プロセス概略フローシートを図1に示す。

図1 Fe-Si生産プロセス概略フローシート

原料

Fe-SiはFe含有材料とSi含有材料を通常SAFで製錬生産。Feは鉄鉱石・鋼スクラップ・ミルスケール形、Siは通常石英岩塊。これらを石炭・石油コークス等炭素材、木片等嵩増し材と混合。石英岩は炭素熱プロセスSi源。石英岩純度は他石英鉱床比通常低いが、Fe-Si生産には通常適正。

ファーネスアビリティ（Furnaceability）は石英岩の国際共通産業品質用語。石英岩が化学的・物理的基準全て満たし、高Si含有Fe-Si高プロセス性能生産に適したケイ素原料となる場合「良好なファーネスアビリティ」と称する。石英岩原料絶対品質要件（プロセス最適化必要条件）：(i) 化学組成、(ii) 材料サイズ（典型10〜150mm）、(iii) 機械的強度、(iv) 熱的強度、(v) 軟化特性。

化学組成とサイズが全Fe-Si生産者共通仕様。化学要件は不純物元素特にAl、Ca、チタン(Ti)、ホウ素(B)、リン(P)含有量関連。通常Siより貴金属的元素（Al、Ca等）製品進入、揮発成分排ガス進入。しかし炉内反応はより複雑、原料元素分布も元素行き先決定。一部元素、特にアルカリ金属Na、Kは石英岩融点低下作用。一般に原料要件は製品要件連動。Fe-Si生産では最難関元素高含有許容仕様が一般的。

サイズ要件はプラント差異あり、10〜150mm範囲。一部生産者はより狭いサイズ仕様。一部Fe-Si生産者は機械的強度・熱的強度注目・測定だが通常仕様書未記載。また一部生産者は石英岩軟化特性注目。さらに個別生産者が特定操業最適化ため追加要件定義可能。

石英岩機械的特性は鉱山・輸送・貯蔵・装入前サイズ縮小影響。生成微粒子は炭素熱プロセス問題：装入透過性低下、炉下部→上部ガス流阻害（未反応CとSiOガス反応しSiC生成、炉内重要反応）。SiOガス排ガス路放出・Si回収率低下は装入透過性低下起因。

微粒子は2基準定義。本文脈では2mm未満材料（プロセス最臨界）を微粒子定義。2mm未満微粒子装入透過性低下。微粒子は仕様以下塊サイズ（例：-10mm）とも定義可能。機械的特性同様、熱機械的特性も主に微粒子生成関連、この場合炉内極端熱で石英岩崩壊・微粒子生成。理想的には塊状石英岩が元サイズ維持し装入下部移動、炉腔壁近傍下部で軟化・溶融開始まで。

大半石英岩ある程度崩壊するが、粉砕・過剰微粒子生成で装入透過性低下させないこと。極端ケースでは「ポッピング効果」で石英岩破片飛散。炉内崩壊する低熱安定性石英岩もスラグ生成寄与。

石英岩軟化特性は熱機械的特性別側面。軟化温度/区間＝石英岩溶融開始温度。石英岩融点1,723℃より低い。軟化温度は石英岩融点可能な限り近接させ、理想プロセス（石英岩腔壁到達後溶融開始、溶融滴が腔壁から腔内滴下、Si生成反応発生域）実現目指す。アルカリ元素（程度低いがアルカリ土類も）が石英岩融点影響。炉上部で軟化・溶融開始する石英岩は粘着塊形成、他粒子と凝集、導電性化、炉内電気経路変更、アーク電力低減原因となる点注意。

Fe-Si生産用沈降アーク炉

Si含有率15%商用グレードFe-Siは一般に酸性耐火レンガライニング高炉（BF）生産。高Si含有Fe-Siは通常SAF生産。SAFサイズは電気負荷で表現、1-2MVA〜40MVA超。典型SAF：直径10mまで、深さ3.5m。3相交流（AC）電気エネルギーを装入深く沈降した3電極経由供給。比エネルギー消費典型：75% Fe-Si生産で9〜10MWh/トン。効率運転・単位固定費削減にはSAF連続24時間運転必須。

SiO2還元高吸熱反応必要熱は、SAF装入内電流流れ抵抗加熱と電極チップ近傍ガス室アーク加熱で直接生成。炉内部構造・反応ゾーン温度分布は抵抗加熱・アーク加熱熱生成割合と密接関係。Fe-Si炉最重要構造要素の一つ：装入沈降セルフベーキング「ゼダーバーグ」電極（プロセス必要電力供給）。アーク燃焼・反応ゾーン温度条件は炉内電極チップ位置と密接関係。電流で装入一部約2,000℃加熱、この高温でSiO2還元→溶融Si生成。

反応ゾーン温度分布は直接測定対象外だが、プロセス正しい電気・温度条件確保のため系統的電極スリッピング実施必要。最適電極位置でプロセス経済指標最小化。SAF安定・良好運転期間中、反応ゾーンでSiO2還元新生成物連続発生条件成立。このプロセスは周期的性質、アーク室内液体SiO2溶融・周期的浸透伴う。

SAF上部にフード、熱ガスを煙突経由ガス洗浄システムへ導出。原料（石英岩、Fe含有材料、C含有材料）コンベア輸送・別個デイビン貯蔵。原料を配合バッチ（石英岩、C還元剤、Fe担体）形で秤量・所要比混合・混合・装入チューブ経由炉装入。チューブは電極方向アウトレット配置。電極周囲チューブ数は炉差異あり。装入材料は炉外床面同レベル、フード囲繞、ストッキング期間中開放可能なストッキングゲート各部配置。

Fe-Si生産プロセス

原料を炉頂部から装入。高電流・低電圧電力を変圧器経由炉へC電極供給。プロセス極高エネルギー集約的、75% Fe-Si 1トン生産に約9,000〜10,000kWh電力必要。

Fe-Si用SAF通常ストッキング・装入・タッピング主要操作でサイクル運転。ストッキング時、装入表面薄いクラスト破砕、古い装入物質電極方向へ押し出し。新装入物質を古い装入物質上に載置。

ストッキング・装入サイクル＝操作サイクル。ストッキングはストッキングロッド前部装着特殊移動機で実施。不均一装入装入物質を機械でストッキングゲート経由分配。表面古い装入物質を電極周囲形成窪み（高温反応帯腔形成）方向へ分配。

炉内で装入約1,815℃加熱。この温度で石英岩が還元剤Cと結合し一酸化炭素（CO）ガス生成、Si放出、溶融Feと合金化。溶融Fe-Si炉底蓄積。原料微量元素（石英岩還元材・電極含む）製品へ移行。

定期的（ほぼ等時間間隔）液体フェロアロイを炉ライニングタップホール（側面・底部ライニング移行部配置、タップホール数炉差異）経由レードルへタッピング。タップホール通常機械開孔、特殊粘土混合物閉塞。

排ガスをガス洗浄プラント通し粉塵除去（主成分：非晶質凝縮SiO2）。この粉塵一般にコンクリート・セラミック・耐火物・ゴム等充填材利用。炉1台あたりフェロアロイ1トンごと約0.2〜0.4トンSiO2粉塵生成。洗浄済排ガス主成分：CO、二酸化硫黄(SO2)、二酸化炭素(CO2)、窒素酸化物(NOx)。ガス熱を廃熱回収システムで回収可能。

反応

Fe-Si生産プロセス：高温プロセスでSiO2をC還元しSi・CO(g)生成。全体反応は炭素熱反応ベース、理想化式：

SiO2(s) + 2C(s) = 2Si(l) + 2CO(g) ΔH(2000℃) = 687 kJ/mol

Fe-Si炉通常2ゾーン区分：(i) 内部高温ゾーン、(ii) 外部低温領域。Si生成は内部ゾーン。Si生成平衡条件：

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

Si生成温度約2,000℃。1気圧上記反応SiO平衡圧力0.5気圧。高Si回収にはこのSiOを炉低温部で回収必須。SiO回収：Cとの反応または凝縮。未回収SiOはSiO2粉塵として損失。

C材料SiO反応能力を「反応性」と呼ぶ。高反応性なら外周ゾーンで多くのCがSiOと反応しSiC生成。低反応性なら遊離C内部ゾーン到達、Si生成減・SiO/CO生成増。外周ゾーン低反応性でSiO凝縮増。凝縮は熱供給するため限界存在。限界超過でSiO炉外放出。低反応性時、装入Cバランス低減でSiC堆積回避必要。この場合Si回収率低下。

実操業では常にガス中Si損失存在、主因SiOガス種損失。SiOは装入上部でCOと過剰空気中燃焼。より正確なプロセス記述は複雑、多数中間反関与で上記反応記述より遥かに複雑。SAF内部を高温（約2,000℃）ゾーンと低温（1,815℃未満）ゾーン区分、各ゾーン支配反応異なる。高温ゾーン（電極チップ周辺）反応：

2SiO2(s,l) + SiC(s) = 3SiO(g) + CO(g) ΔH(2000℃) = 1364 kJ/mol
SiO2(s,l) + Si(l) = 2SiO(g) ΔH(2000℃) = 599 kJ/mol
SiO(g) + SiC(s) = Si(l) + CO(g) ΔH(2000℃) = 167 kJ/mol

これら3反応中最遅はおそらくSiO(g)生成反応、開発電気エネルギー大部分消費。Si生成は1,815℃以上温度で反応経由可能。SiOガス炉上部上昇、以下反応でC材料と反応回収、または十分低温（1,800℃未満）で凝縮回収。最後2反応可逆。

SiO(g) + 2C(s) = SiC(s) + CO(g) ΔH(1800℃) = -78 kJ/mol
3SiO(g) + CO(g) = 2SiO2(s,l) + SiC(s) ΔH(1800℃) = -1380 kJ/mol
2SiO(g) = SiO2(s,l) + Si(l) ΔH(1800℃) = -606 kJ/mol

最後2凝縮生成反応強発熱、炉上部熱輸送主因子。他反応平衡条件を図2示す。

図2 SiO2、SiC、Cと平衡状態にあるSiO(g)分圧

炉装入頂部温度1,000〜1,700℃変動。優良操業炉典型工業Si収率約85%。SiC生成反応は1,512℃以上で優先SiO回収反応。これ未満ではSiOガス一般に最後2凝縮生成反応で捕捉。温度これら反応平衡条件に大き影響。炉頂温度約1,620℃（SiO分圧0.1atm）で主SiO回収が凝縮経由ならSi収率約80%。

Fe-Si精製・鋳造

液体フェロアロイ内不純物（Al、Ca等）はレードル内溶融段階で酸素(O2)・空気吹き込み除去可能。液体フェロアロイを炉から耐火物ライニング鋼製レードルへタッピング。

液体Fe-Siをレードルから大型平板鋳鉄型へ注湯。型表面にFe-Si微粉層敷設。材料強度十分レベルまで冷却後型から取出し、積み重ね更冷却。冷却凝固後Fe-Si破砕・篩分けし所要塊サイズ生産。破砕工程で微粉生成。微粉材料さらに粉砕・粉末化、バインダー混合・ブリケット成形可能。溶湯造粒も可能。

全Fe-Siグレード基本同一プロセス生産だが、高純度グレード生産には追加工程必要。高純度グレード：不純物低含有原料使用。追加で液体Fe-Si精製（不要不純物除去）と特殊合金元素添加をレードル内実施。この高純度Fe-Si生産追加処理を「レードル冶金」と呼ぶ。特殊グレード15% Fe-Si（重媒質用途）典型的には75% Fe-Siを鋼スクラップと電気アーク炉再溶解、高圧水噴霧鋳造で生産。