Раздел 4. Производство ферросплавов
Цель раздела:
Ознакомиться с современными технологиями производства ферросплавов
План раздела:
4.1. Способы производства ферросплавов
4.2. Основы технологии производства различных видов ферросплавов
4.2. Основы технологии производства различных видов ферросплавов
Основы технологии производства ферросилиция
Ферросилиций применяют для раскисления и легирования стали и в качестве восстановителя при производстве некоторых ферросплавов. В электрических печах выплавляют ферросилиций различных марок с содержанием кремния от 19-23 % (сплав ФС20) до 92-95% (сплав ФС92). При содержании кремния в сплаве в пределах 50-60% и при загрязнении его фосфором и алюминием сплав рассыпается в порошок с выделением ядовитых летучих соединений. Поэтому сплав такого состава заводы не выпускают. Помимо кремния ферросилиций содержит железо и ряд примесей. В сплавах, содержащих 41-47 % кремния и более, имеется до 0,1-0,2 % С, до 0,2-0,6% Мп, до 0,05% Р, до 0,02% S и до 1,5-2,5% А1. В малокремнистых сплавах(19-27 % Si) содержание углерода достигает 0,6-1,0%. Следует отметить, что ферросилиций содержит мало углерода, несмотря на применение углеродистого восстановителя и угольной футеровки печи. Объясняется это тем, что в присутствии кремния растворимость углерода в сплаве уменьшается. Чем больше в сплаве кремния, тем меньше сплав содержит углерода.
Наиболее распространены сплавы ФС45 и ФС75, содержащие кремния соответственно около 45 и 75 %. Повышает твёрдость стали и сопротивление разрыву.
Рудной составляющей шихты являются кварциты, содержащие не менее 95% SiО2, не более 0,02% Р2О5, и возможно меньше шлакообразуюших примесей (глинозема). Кварцит дробят до кусков размером 25-80 мм и отмывают от глины.
Для получения заданного содержания кремния в сплаве в шихту вводят рассчитанное количество железа в виде измельченной стружки углеродистой стали; железо, кроме того, облегчает восстановление кремния.
В качестве восстановителя при выплавке ферросилиция применяют металлургический коксик кусками размером 10-25 мм (отсев доменного кокса). Иногда для замены части кокса применяют более дешевые материалы: полукокс - продукт коксования углей при 700 °С и материалы, содержащие карборунд SiC (отходы электродного и абразивного производств).
Ферросилиций выплавляют в круглых печах различной конструкции- вращающихся и стационарных, открытых и закрытых мощностью 16,5-115 МВД при рабочем напряжении 130-250 в. Рабочий слой футеровки выполняют из углеродистых блоков. Печь имеет две летки, одну рабочую и другую резервную.
Шихту составляют исходя из того, что SiО2 кварцита восстанавливается на 98% и все железо стружки переходит в сплав.
Плавку ведут непрерывным процессом. На колошник печи сверху непрерывно загружают шихту, а сплав периодически выпускают через летку. Глубина погружения электродов в шихту должна быть большой (от 800 мм на малых печах до 2700 мм на больших). Расстояние от концов электродов до подины должно составлять 300-600 мм. При загрузке перемешанных шихтовых материалов в печь стремятся создать и поддерживать вокруг электродов шихту в виде возвышающихся конусов, которые затрудняют выход газов здесь и уменьшают вследствие этого потери тепла и кремния.
Процесс плавки происходит главным образом у электродов, под которыми горят электрические дуги. Здесь в зоне дуг в шихте образуется полость ("тигель") с очень высокой температурой. Стенки тигля непрерывно оплавляются, кремнезем восстанавливается, кремний растворяется в жидком железе, жидкий сплав опускается на подину, а новые порции шихты- в зону реакций. Кремний восстанавливается твердым углеродом по реакции
SiО2 + 2С = Si + 2CO - 635096 Дж,
идущей с большой затратой тепла, теоретическая температура ее начала равна 1554 °С. В присутствии железа восстановление кремния облегчается и идет при более низких температурах, поскольку железо, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, что сдвигает равновесие этой реакции вправо, в сторону восстановления кремния. Чем больше железа в шихте, тем при более низкой температуре происходит восстановление кремния и образование ферросилиция.
Железо облегчает ход процесса также тем, что разрушает карбид кремния SiC. Последний образуется при избытке восстановителя (Si02 + 2C=SiC + 2CO) и, являясь тугоплавким (tпл > 2700 °С), накапливается внизу печи, загромождает ее, снижая производительность.
В зоне высоких температур идет частичное восстановление алюминия и кальция из содержащихся в кварците и золе кокса А12О3 и СаО, поэтому ферросилиций содержит до 2,5% А1 и до 1,5 % Са. В восстановительных условиях плавки более 60% фосфора из шихтовых материалов переходит в сплав. Сера целиком улетучивается.
Из невосстановившихся оксидов шихты формируется шлак, его количество равно 2-6% от массы сплава. Типичный состав шлака, %: 25-40 SiО2, 20-40 А12О3. 10-25 СаО, 2-10 SiC, 3-8 ВаО, менее 2 MgO и FeO. Шлаки имеют высокую температуру плавления (1500-1700 °С) и вязкость. Шлак выходит из печи через летку вместе со сплавом. При повышенной вязкости часть шлака остается в печи, что может вести к зарастанию ванны.
Образующийся в высокотемпературных зонах восстановления газ СО поднимается вверх, нагревая шихту, причем он стремится двигаться вверх над зонами восстановления у электродов. Чтобы повысить степень использования тепла газов, шихту загружают у электродов, создавая здесь более высокий слой располагающихся конусом материалов. Высокий слой шихты у электродов препятствует подъему здесь газов и они выделяются дальше от электродов, нагревая большее количество шихты. При вращении ванны неподвижные электроды разрыхляют шихту, поднимающиеся газы более равномерно распределяются по сечению ванны.
Плохо прогретые у стен печи материалы спекаются в плотный монолит (гарнисаж).
Нормальный ход печи характеризуется медленным опусканием электродов по мере их сгорания и равномерным оседанием шихты вокруг этих электродов.
Сплав выпускают 12-20 раз в сутки. Вскрытие летки производят прожиганием электрической дугой или кислородом, пробиванием железным прутом или при помощи бура. По окончании выпуска летку закрывают конической пробкой из смеси электродной массы и песка или огнеупорной глины и коксика.
Сплав выпускают в ковш, футерованный шамотным кирпичом или графитовой плиткой, и затем разливают в плоские изложницы или в чушки на разливочной машине конвейерного типа, аналогичной машине для разливки чугуна.
Основы технологии производства силикомарганца
Выплавляют товарный силикомарганец для раскисления и легирования стали (сплавы МнС12, МнС17, МнС22) и передельный, используемый при выплавке низко- и среднеуглеродистого ферромарганца и металлического марганца (сплавы МнС22, МнС25). Сплавы содержат 65-79% Мn, до 0,1-0,55% Р, до 0,03 % S; содержание кремния возрастает от 12-15 % в сплаве МнС12 до 26-30% в сплаве МнС25, соответственно содержание углерода снижается с 2,5-3,5 до «0,2 %.
Товарный силикомарганец выплавляют непрерывным процессом в закрытых печах мощностью до 80 MB×А с угольной футеровкой при рабочем напряжении 120-200 в. Шихтой служат марганцевые материалы (руда, концентрат, шлаки производства углеродистого и среднеуглеродистого ферромарганца), коксик, кварцит. Шихту загружают в печь равномерно, поддерживая у электродов возвышающиеся на 300 мм конусы, глубина посадки электродов равна 1,6-2,3 м.
В высокотемпературных зонах у электродов происходит восстановление углеродом марганца и кремния из МnО и SiO2; часть марганца и кремния восстанавливается из образующегося в зонах восстановления шлака (из силикатов марганца МnО×SiO2). Для улучшения восстановления кремния требуются кислые шлаки (с высоким содержанием SiO2) и высокие температуры (более высокие, чем при плавке углеродистого ферромарганца; температура силикомарганца и ферромарганца на выпуске составляет соответственно 1500 и 1350 °С). Восстанавливается и переходит в сплав 65-75% марганца и ~ 40 % кремния шихты. Шлак в количестве 0,65-0,8 т/т сплава содержит, %: МnО 14-25, SiO2 43-55, СаО 10-15, А12О3 8-15, MgO 3-4.
Сплав и затем шлак выпускают через ~ 2 ч; сплав - в футерованный шамотом ковш, шлак - в стальную чашу. Сплав разливают в чушки на разливочной машине или в чугунные изложницы. Шлак гранулируют.
На 1 т сплава МнС17 расходуется 1,8-2,5 т марганцевой руды и марганцевого шлака, 350-500 кг кварцита, 450-600 кг коксика, 4000-4250 кВт×ч электроэнергии.
Передельные сплавы МнС25 и МнС22 должны содержать минимальное количество железа, углерода и фосфора, поэтому в шихте используют марганцевый бесфосфористый шлак (> 50 % MnO, < 0,02 % P, < 0,6 % FeO), а также кварцит и коксик. Плавку ведут в закрытых печах с угольной футеровкой мощностью до 16,5 МВ×А. Шлак с основностью ~ 0,5 содержит 3-5 % Мn, количество шлака 0,8-1,0 т/т сплава. В сплав переходит ~ 90 % Мn и ~ 65 % Si.