Системи технологій промисловості (стр. 12 )

К достоинствам алюминотермического процесса относятся:

1. Восстановление оксидов металлов, имеющих высокую прочность при удовлетворительном извлечении их из шихты, поскольку алюминий обладает высоким химическим сродством к кислороду;

2. Получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей цветных металлов;

3. Простота технологии процесса, небольшие капитальные затраты;

4. Ведение процесса в наклоняющемся горне с выпуском шлака и металла;

5. Возможность предварительного расплавления оксидов и флюсов в электропечи, что позволяет уменьшить расход алюминия;

6. Использование образующихся высокоглиноземистых шлаков для получения синтетических шлаков, а также клинкера высокоглиноземистого цемента;

7. Возможность использования в шихте значительного количества металлических отходов металлов и сплавов (металлотермический переплав);

8. Простота получения, хранения и применения алюминиевого порошка по сравнению с порошками кальция или магния.

К недостаткам алюминотермического процесса относятся:

1. Высокая стоимость и дефицитность первичного алюминия;

2. Возможность образования низших оксидов извлекаемых металлов, неполное восстановление оксидов и извлечение металлов из шихты;

3. Образование вязкого высокоглиноземистого шлака, вызывающее потери восстановленного металла в виде корольков.

2.3 Типы ферросплавных печей

Ферросплавные печи классифицируют по следующим признакам:

·  по назначению — восстановительные и рафинировочные;

·  по конструкции — открытые, полузакрытые и герметизированные: последние часто объединяют общим названием — закрытые печи с дожиганием газа под сводом;

·  по конструкции ванны — стационарные и вращающиеся;

·  по форме ванны печи — круглые, прямоугольные, треугольные и овальные;

·  по способу выдачи из печи сплава и шлака — неподвижные, наклоняющиеся и печи с выкатными ваннами.

·  по виду питающей сети — однофазные и трехфазные; ведутся работы по использованию печей, работающих на токе пониженной частоты и на постоянном токе. Однофазные печи в настоящее время имеют ограниченное применение;

·  по расположению электродов (трехфазные печи) — в одну линию (прямоугольные печи) или с расположением электродов по вершинам треугольника (круглые или треугольные печи);

·  по количеству электродов — 1 (однофазные печи) и 3 (трехфазные). Печи большой мощности оснащают шестью электродами.

2.5 Сплавы кремния

2.5.1 Применение ферросилиция

Ферросилиций применяется для раскисления спокойных сортов стали, а также для легирования ряда марок конструкционной и трансформаторной стали. Низкокремнистые сорта ферросилиция применяются для предварительного раскисления стали в печи, высококремнистые - для раскисления и легирования стали в печи и в ковше, для раскисления шлака при электроплавке стали, а также при производстве малоуглеродистых ферросплавов.

В последние десятилетия производятся сплавы, содержащие в среднем 18-92% Si. Например, ферросилиций ФС45 содержит 41-47% Si или в среднем 45% Si.

Сплавы, содержащие 50-60% Si, при взаимодействии с влагой воздуха рассыпаются в порошок с выделением ядовитых соединений - фосфинов; склонность их к рассыпанию усиливается с повышением содержания фосфора. В связи с этим содержание фосфора в высококремнистом ферросилиции не должно превышать 0,03-0,05%. Влияние на рассыпаемость ферросилиция оказывает также повышенное содержание алюминия и кальция.

2.5.2 Шихтовые материалы для выплавки ферросилиция

Для выплавки кремния и его сплавов используют богатые кремнеземом материалы — кварц и кварцит, главной составляющей которых является SiO2.

В качестве восстановителя при производстве кремния и его сплавов применяют кокс, полукокс, древесный уголь и др. Применение при выплавке ферросилиция получил наиболее дешевый сорт восстановителя — орешек металлургического кокса (кокс-орешек), который является отходом при производстве доменного кокса. В качестве материала, содержащего железо, используют дробленую стружку углеродистой стали; чугунную стружку не применяют вследствие высокого содержания в ней фосфора.

Оптимальный размер кусков кварцита составляет 25-80 мм при производстве ФС18, ФС25, ФС45 и 50-120 мм - при производстве ФС75 и ФС90. Коксик подвергают дроблению и грохочению для получения фракции 5-20 мм. Железную витую стружку необходимо дробить до 50 мм. В подготовленной шихте размеры кварцита и коксика должны быть, по возможности, однородными; недопустимы как крупные, так и мелкие куски.

2.5.3 Физико-химические условия получения ферросилиция

В условиях электрической печи восстановление кремнезема твердым углеродом протекает по суммарной реакции

(SiO2) + 2Cтв = [Si] + 2 CO.

Температура начала этой реакции составляет 1554°С.

Так же восстановление кремнезема осуществляется углеродом и кремнием с образованием промежуточных продуктов — монооксида кремния и карбида кремния. Восстановление кремнезема происходит ступенчато. Вначале кремнезем восстанавливается до монооксида по реакции

SiO2тв + Ств = {SiO} + CO.

Монооксид кремния при высоких температурах является газообразным веществом и удаляется из зоны реакций вместе с газами. Встречая на своем пути куски кокса, монооксид кремния взаимодействует с ним с образованием карборунда

{SiO} + 2Ств = SiCтв + CO.

Кроме кремния, при выплавке ферросилиция практически полностью восстанавливаются оксиды железа, марганца, хрома, фосфора. Оксиды алюминия и кальция являются наиболее трудновосстановимыми, но в зоне электрических дуг происходит и их частичное восстановление.

Большое влияние на ход реакции восстановления кремнезема оказывает присутствие железа, который, растворяя кремний, понижает его активность, улучшая условия восстановления и сокращая потери кремния. Железо также значительно снижает температуру начала восстановления (от 1530°С для сплава с 90% Si до 1225°С для сплава с 10% Si). Кроме того, железо разрушает карбид кремния по реакции Fe + SiC = FeSi + С и способствует сдвигу реакции восстановления в сторону образования кремния. Эта реакция интенсивно протекает в интервале 1500-1600°С.

Обычно на 1 т ферросилиция образуется до 6% шлака состава, масс. %: 30-40 SiO2, 2-10 SiC, 20-30 Аl2О3, 12-25 СаО, 0,2-20 ВаО, 0,3-2,0 МgО. Температура плавления шлака 1500-1700°С, вязкость 1-5 Па∙с. При нормальном ходе плавки шлак выходит из печи вместе с ферросилицием.

2.5.4 Технологические особенности производства ферросилиция

Для выплавки кремния и его сплавов используют круглые дуговые электрические печи различных конструкций мощностью от 16,5 до 115 МВА. Печи работают на самоспекающихся и реже на угольных электродах. Печи могут быть открытыми и закрытыми; в последние годы открытые печи все больше вытесняются закрытыми печами.

Шихта состоит из кварцита, восстановителя и железной стружки; иногда в шихту вводят отходы карборундового производства, содержащие карборунд, песок и кокс. Плавку ферросилиция ведут непрерывным процессом. На колошник печи непрерывно загружают шихту и периодически производят выпуск сплава через летку.

Процесс плавки происходит, главным образом, у электродов, где образуются своеобразные газовые полости - тигли (рис. 2.1), окруженные твердой и полурасплавленной массой. На дне полости скапливается расплав, состоящий из шлака, жидкого ферросилиция и частично расплавленной шихты. Полость заполнена ионизированными газами и парами, через которые осуществляется электрический разряд.

	I - околоэлектродная полость; II - электрическая дуга; 1 - шихта - область быстрого схода; 2 - шихта - область медленного схода; 3 - карборунд; 4 - капли расплавленного железа и низкокремнистого ферросилиция; 5 - полурасплавленная масса; 6 - расплавленный ферросилиций
Рисунок 2.1 - Плавильное пространство печи для выплавки ферросилиция и схема распределения шихтовых материалов и продуктов плавки в печи при выплавке ферросилиция

Температура в полости превышает 2300°С. Слои шихты, окружающие эту зону, восстанавливаются, плавятся и заменяются новыми порциями шихты, загруженными в виде конусов у электродов. Таким образом, образуются области быстрого схода шихты. Слои шихты, удаленные от электродов, нагреваются медленно; восстановление и плавление этой шихты происходят с малой скоростью. Здесь образуются области медленного схода шихты. У стен печи образуется зона спекшейся шихты, которая вовсе не плавится вследствие невысокой температуры в этой зоне. Этот слой шихты образует гарнисаж. При горячем ходе печи нижние части тиглей соединяются, образуя общий тигель.

Газы, образующиеся внизу около дуг, имеют высокую температуру и, проходя через вышележащие слои шихты, нагревают их. Прохождение горячего газа через более холодную шихту ведет к конденсации паров кремния. Количество восстановителя в шихте должно обеспечивать протекание восстановительных процессов. Как избыток восстановителя в шихте, так и его недостаток приводят к нарушению нормального хода плавки.

Выпуск ферросилиция из печи производится периодически по мере его накопления 4-8 раз за смену в ковш, футерованный шамотным кирпичом или графитовой плиткой. Разливают ферросилиций в чугунные изложницы в слитки или на разливочной машине конвейерного типа в чушки.

Восстановление кремния происходит с поглощением большого количества тепла, поэтому, чем выше содержание кремния в сплаве, тем выше должен быть расход электрической энергии. Выплавка высококремнистого ферросилиция в закрытых печах требует более тщательной подготовки шихтовых материалов. Она имеет следующие преимущества по сравнению с плавкой в открытых печах: возможность использования высококалорийного газа; лучшие условия труда; более легкие условия работы печного оборудования; меньшее загрязнение окружающей среды.

2.6 Сплавы хрома

2.6.1 Сортамент и применение сплавов хрома

Феррохром применяется для легирования конструкционных, нержавеющих, шарикоподшипниковых и некоторых других сортов стали. Ферросплавная промышленность производит большое число марок феррохрома, различающихся, главным образом, содержанием углерода и фосфора. Выплавляется 14 марок феррохрома со средним содержанием хрома 65-68% (ФХ001-ФХ800); цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. По содержанию углерода различают четыре группы феррохрома: