沈降アーク炉におけるシリコマンガン生産の最適化

沈降アーク炉でのシリコマンガン(Si-Mn)生産

シリコマンガン(Si-Mn)は製鋼時、低炭素(C)でシリコン(Si)とマンガン(Mn)を溶鋼添加する合金。標準Si-Mn合金：Mn 65〜70%、Si 15〜20%、C 1.5〜2%。Si-Mnグレード：中炭素(MC)・低炭素(LC)。製鋼業界のみ消費者。高炭素フェロマンガン(Fe-Mn)合金とフェロシリコン(Fe-Si)合金ミックス代替Si-Mn使用は経済的理由駆動。

Mn・Si両方製鋼重要構成元素。脱酸剤・脱硫剤・合金元素として使用。Siは主脱酸剤。MnはSiより穏やか脱酸剤だが、安定マンガンシリケート・アルミネート形成で効果増強。脱硫剤役割も。Mnほぼ全鋼種合金元素使用。特筆：Fe-C系修正効果、鋼焼入れ性向上。

Si-Mnは酸化物原料炭素熱還元で、Fe-Mn生産も使用する3相交流(AC)沈降アーク炉(SAF)生産。Si-Mn生産プロセス操業はFe-Mnより困難（高プロセス温度必要）。Si-Mn生産用一般的SAFサイズ：9〜40MVA、日産45〜220トン。

酸化物原料炭素熱還元では、熱がC同様還元に必須（吸熱還元反応、熱不足で不完全化）。良好電極貫入で反応完結十分熱確保必須。

Si-Mn生産用原料

Si-Mn生産主原料：Mn鉱石、高C Fe-Mnスラグ、石英岩、コークス・石炭、溶剤(ドロマイト/方解石)。Si-Mn生産原料主Mn源：Mn鉱石と高C Fe-Mn生産Mn豊富スラグ。異なる装入物質は加熱・C反応時異なる挙動示し、コークス・電気エネルギー消費、スラグ量・組成、炉生産性影響。

Si-Mn金属1トンあたりスラグ生成量主決定要因：鉱石/スラグ比。Fe-Mnスラグ比率増・Mn鉱石犠牲でSi-Mn生産プロセススラグ/金属比増大。大量スラグ→エネルギー消費増大・最終スラグ金属介在物損失増加懸念。

Mn鉱石一般に採掘・処理段階除去不能不要元素含有。P(リン)含有量重要（Si-Mn合金厳格要求）。Fe、P、As(ヒ素)還元容易さMn超、優先的に金属進入。最終合金含有量は鉱石選定で制御。高C Fe-Mnスラグは極高純度Mn源（易還元不純物が高C Fe-Mn生産時金属側取込み済み）。Si-Mn合金不純物(P等)含有量制御：Mn鉱石選定のみならず、原料ミックス中Mn鉱石・高C Fe-Mnスラグ相対量でも制御。

Si含有量十分高・廃棄スラグ低MnO生成には1,600〜1,650℃プロセス温度必要。Fe-Mnスラグ融点比較的低い(約1,250℃、Mn鉱石比)。高Fe-Mnスラグ比率→低プロセス温度傾向。Mn鉱石約1,350℃溶融開始、通常固相・液相混合（固相=MnO）。1,550℃以上更加熱還元で溶融鉱石スラグ混合・自由流動。高Mn鉱石比率ミックスでは表面温度・コークス層ゾーンプロセス温度通常高め。

SAF Si-Mn生産でC(コークス・石炭)還元剤、熱は電力供給。電流装入通電、P = R×I² (P=熱生成効果、R=装入抵抗、I=電流密度)で熱生成。

SAFでは電極チップが多孔質装入ミックス沈降、電気エネルギー微小アークで溶融合金浴上部浮遊スラグ豊富コークス層解放。熱必要量電気エネルギー供給、コークス還元剤・電気抵抗素子二重役割。炉円形、40MVA典型：外径11.6m、高さ6.2m。Si-Mn生産時反応式：

(SiO2) + 2C = Si + 2CO(g)
(SiO2) + 2SiC = 3Si + 2CO(g)
(MnO) + C = Mn + CO(g)
(SiO2) + 2Mn = Si + 2(MnO)
(SiO2) + Si = 2SiO(g)
Mn = Mn(g)

スラグ・Si-Mn合金間Si・Mn分配制御主平衡反応：

(MnO) + C = Mn + CO(g)
(SiO2) + 2C = Si + 2CO(g)

括弧=スラグ存在種、下線=合金存在種。C=炭素源（合金溶解または固体コークス）。

完全スラグ/合金/ガス平衡は上記2反応同時平衡確立必要。両反応温度・系CO圧力強依存。高温→合金中Si平衡含有量増・スラグMnO含有量減。低COガス圧→合金中Si増・スラグMnO減。通常SAF内COガス圧1気圧近傍。上記2反応組合せ部分スラグ/合金平衡反応：

2(MnO) + Si = 2Mn + (SiO2)

この反応は温度わずか依存、圧力・ガス相組成非依存。

3相16MW Si-Mn炉発掘で炉内反応ゾーン相分布情報獲得。炉内部通常2主エリア区分：(i) 装入成分固体状態予熱・予備還元ゾーン、(ii) 鉱石・スラグ・溶剤溶融コークス層ゾーン。この炉ではMn酸化物がFe-Mnスラグ・Mn鉱石からコークス層頂部でほぼ完全還元観察。図1は上記16MW炉発掘ベース。

図1 シリコマンガン炉ゾーン

炉発掘で電極チップ位置金属浴上約600mmが良好操業適正指示。鉱石MnO2早期Mn2O3分解、Mn3O4へCOガス/熱分解還元は控えめ。意義あるMnO予備還元は装入微粒子のみ観察。MnO豊富Fe-MnスラグがMn鉱石実質的溶融・還元開始前、ほぼ最終Si-Mnスラグ組成まで還元完了。MnO還元ほぼ完了コークス層頂部。石英溶解・還元明らかにコークス層ゾーンで主要Mn酸化物還元完了後発生。液体金属コークス層貫通合金浴向けトリクルダウン時、Si「ピックアップ」相当高速推測。

最高位Mn酸化物(MnO2)還元4段階。第1段階MnO2→Mn2O3 450〜500℃超、第2段階Mn2O3→Mn3O4 900〜950℃超、両段階還元剤不要・熱分解のみ実現。両熱分解段階Mn酸化物安定性範囲示す。Mn3O4→MnO還元のみCOガス/固体C可能。大気圧MnO炭素還元1,410℃超でのみ可能。完全還元更高温必要。問題：Mn高蒸気圧・強烈蒸発。Mn生産プロセス各還元段階で、MnOまずスラグ相溶解、そこから固体C還元でMn金属相移行。非理想スラグ・アロイ溶液極重要。最新熱力学手法で相・質量収支ベースエネルギー収支決定必要。

Si-Mn合金・多成分MnO-SiO2-CaO-Al2O3-MgOスラグ間Si分配主決定因子：プロセス温度、スラグSiO2含有量、R比=(CaO+MgO)/Al2O3。例：一定温度・SiO2含有量でR比2→1低減時、合金中Si平衡含有量約6%増。温度効果も顕著。1,550〜1,700℃範囲で50℃上昇ごとSi平衡含有量約6%増。Si-MnスラグMnO平衡含有量第1に温度、第2にスラグSiO2含有量依存。1,600℃でSiO2飽和時MnO約9%→SiO2 40〜45%低減時最小約3〜4%。

温度以外Mn回収率影響因子：(i) スラグ塩基度[(CaO+MgO)/SiO2]、(ii) CaO/MgO比、(iii) スラグAl2O3含有量。温度上昇→吸熱還元反応熱力学的・運動論的有利。スラグ化学還元Mn酸化物影響複雑。塩基性スラグでMn回収率高（塩基性スラグでMnO活性係数高）。原料ミックス石灰添加→同MnO含有量でスラグMnO飽和濃度低下・MnO活性上昇。結果：平衡MnO濃度低下・還元速度増大。スラグ塩基度1.1超増加はMn回収率影響低。過剰CaO・MgO→スラグ粘度上昇→Mn還元弱化。Al2O3も粘度上昇→Mn還元反応減速。スラグ良好流動性維持にはスラグAl2O3濃度20%超過回避必要。

Si-Mn溶融時ドロマイト/方解石装入添加→スラグ塩基度上昇→スラグ流動性改善・MnOスラグ還元促進。典型Si-MnスラグSiO2含有量35〜45%。液相線温度1,300〜1,380℃(スラグ組成依存)。温度上昇、SiO2含有量増加、(CaO+MgO)/Al2O3比低減→全てSi金属-スラグ分配係数増大。

スラグ流動性改善にはスラグMgO含有量7%超必要。スラグMgO比率増加でMnO含有量顕著低減可能、Mn回収率向上。

Si-Mn生産はMn鉱石・Fe-Mnスラグ・石英・溶剤溶融・還元・スラグ生成挙動依存。3段階区分：

• 固体状態加熱・予備還元：1,100〜1,200℃、Mn酸化物→MnO還元、鉄酸化物→金属Fe還元。
• 液体スラグ生成・Mn酸化物還元：コークス層頂部完了(温度不確実、以下評価)。1,500℃平衡Mn酸化物スラグ含有量(Fe-Mn、SiO2還元前)10〜25%(スラグ組成依存)。炉発掘時コークス層頂部採取スラグサンプルMnO約10%。この低MnO含有量期待温度1,550℃超。液体スラグ低粘度でコークス層浸透必要。コークス層頂部温度期待範囲1,550〜1,600℃。
• スラグ中SiO2還元・更なるMnO還元：1,550〜1,650℃。コークス層スラグSiO2含有量40〜45%期待(最終スラグ同値)。石英溶解速度≈スラグ中SiO2還元速度、SiO2濃度ほぼ一定維持。スラグMnO含有量さらに5〜10%低減。このスラグ通常廃棄。

炉内部ガス相主成分CO。一酸化ケイ素(SiO)・Mn蒸気少量のみ存在。炉頂部付近低温でCO2・水蒸気含有。

還元反応で鉱石組成変化→融点・他特性変化。変化速度は還元速度依存、温度・鉱石組成・形態、炭素材特性等複数パラメータ影響。

Si-Mn1トンあたりスラグ量主決定：鉱石/スラグ比。Fe-Mnスラグ比率増・Mn鉱石犠牲→Si-Mn生産プロセススラグ/金属比増大。大量スラグ→エネルギー消費増大・最終スラグMn介在物損失増加懸念。

Si-Mn溶融経済性向上：Mn金属介在物損失・スラグ溶解MnO損失最小化、高Si・低C合金生産。

低炭素Si-Mn(約30% Si)は標準合金をFe-Si合金業界Si廃棄物添加アップグレード生産。

Mn鉱石・高C Fe-Mnスラグ・Si豊富金属リメルト混合物から標準Si-Mn合金生産時比電力消費典型：3,500〜4,500kWh/トンSi-Mn、第1に装入冶金量依存。電力消費は生産Si-Mn Si含有量増・スラグ量/トンSi-Mn増で増大。追加100kgスラグ生成毎約50kWh追加電力消費。装入鉱石分率COガス(溶融還元ゾーン上昇)でMnO還元時、約100kWh/トンSi-Mnとコークス一部節約。