Шихтовые материалы для выплавки ферросилиция

ВВЕДЕНИЕ

 

В металлургии и ряде других отраслей техники использу­ют ферросплавы, а также технически чистые металлы для раскисления и легирования стали, получения легированно­го чугуна и различных сплавов. Улучшение качества и специальные свойства конструкционных, коррозионно- стойких, жаропрочных, жаростойких, прецизионных и элек­тротехнических сталей, специальных литейных чугунов и самых разнообразных сплавов достигается легированием различными элементами. Ферросплавы - это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и другими элементами, применяемые в производстве стали для улучшения ее свойств и легирования. Вводить в сталь нужный элемент не в виде чистого металла, а в виде его сплава с железом удобнее вследствие более низкой температуры его плавления и выгоднее, так как стоимость ведущего элемента в сплаве с железом ниже по сравнению со стоимостью технически чистого металла.

Исходным сырьем для получения ферросплавов служат руды или концентраты. Для производства основных сплавов - ферросилиция, ферромарганца; силикомарганца и феррохрома - пользуются рудами, так как в них высоко содержание окислов элемента, подлежащего восстановлению. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия, ферро-титана и других сплавов руду вследствие малой концентрации в ней полезного элемента обогащают, получая концентрат с достаточно высоким содержанием окислов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением окислов соответствующих металлов. Для получения любого сплава необходимо выбрать подходящий восстановитель и создать условия, обеспечивающие высокое извлечение ценного (ведущего) элемента из перерабатываемого сырья.

Восстановителем может служить элемент, обладающий более высоким химическим сродством к кислороду, чем элемент, который необходимо восстановить из оксида. Иначе говоря, восстановителем может быть элемент, образующий более химически прочный оксид, чем восстанавливаемый элемент. Восстановительные процессы облегчаются, если они проходят в присутствии железа или его оксидов. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность, выводит его из зоны реакции, препятствует обратной реакции - окислению.

 

ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСИЛИЦИЙ

Области применения

Ферросилиций – сплав кремния с железом.

Основное назначение ферросплавов в сталеплавильном производстве – раскисление и легирование стали, а также легирование и модифицирование чугуна и сплавов; производство химических соединений, как исходных материалов для защитных покрытий на металлических конструкциях; обогащение полезных ископаемых.

Получение ферросилиция в рудовосстановительных дуговых электрических печах ведётся непрерывным способом, при котором шихта загружается в печь непрерывно по мере её проплавления.

Производимый ферросилиций по маркам и химическому составу должен соответствовать требованиям ГОСТ 1415–93 (ИСО 5445–80).

Ферросилиций поставляется в кусках массой не более 25 кг, в чушках массой не более 45 кг и виде дробленых просеянных частиц.

 

Шихтовые материалы для выплавки ферросилиция

 

Удовлетворенная работа ферросплавной печи может быть обеспечена только при тщательной подготовке шихтовых материалов.

Фракционный состав компонентов шихты должен обеспечивать хорошую газопроницаемость колошника печи при максимально возможной однородности шихтовой смеси и оптимальной ее проводимости, обеспечивающей глубокую посадку электродов при заданном электрическом режиме.

При производстве ферросилиция (или железокремниевых лигатур) используются следующие основные шихтовые материалы:

a) источник кремнезема – кварцит;

b) углеродистые востоновители кремнезема – коксовый орешек, полукокс, малозольные марки слабоспекающихся каменных углей;

c) в качестве рыхлителя колошника (отчасти и как востоновителя) – щепа древесная; источники поступления железа в сплав:

- стружка стальная углеродистых сталей (реже окалина),

- неофлюсованный агломерат,

- железная руда,

- отходы кремнистых сталей.

 

РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ФЕРРОСИЛИЦИЯ

Исходные данные

 

Расчет состава шихты выполняем на 100 кг кварцита. В соответствии с заданием на выполнение курсовой работы задаемся видами шихтовых материалов, их составом (табл. 2.1-2.2) и условиями проведения плавки. Сумма компонентов в шихтовых материалах должна быть равна 100%.

 

 

Таблица 2.1 – Химический состав материалов

 

Материал	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	P2O5	S	W	∑
Кварцит	97,9	0,89	0,63	0,21	0,04	0,02	0,02	0,29	100,0
Зола кокса КНР	49,50	22,8	17,9	5,38	3,48	0,94	-	-	100,0
Зола шубарк. угля	48,62	19,38	23,76	5,14	2,56	0,54	-	-	100,0

 

Таблица 2.2 – Технический состав восстановителей

 

Материал	Аc	V	W	S	Cтв
Кокс КНР	12,70	2,20	9,86	0,45	84,65
Шубаркольский уголь	6,6	42,7	10,87	0,29	50,41

 

Состав стружки: 1,5% Si, 0,2% С, 0,03% Р, 0,02% S, 3,0% влага, ост. – Fe

Для проведения расчета необходимо знать распределение основных элементов между продуктами плавки: металл, шлак и газы, которые принимаются на основании практических данных (табл. 2.3). Все элементы железной стружки переходят полностью в металл. Для упрощения расчетов примем, что электродная масса состоит только из углерода, при этом 0,1 кг перейдет в состав сплава, а 2,9 кг будет участвовать в процессах восстановления.

 

Таблица 2.3 – Распределение элементов

 

Продукты плавки	Элементы
Si	Al	Fe	Ca	Mg	P	S
Сплав			99,5
Шлак			0,5
Улет

 

В условия расчёта включены также дополнительные требования к составу получаемого металла, расход электродов на расчетное количество шихты, угар восстановителя, доля различных восстановителей в смеси и др.

Дополнительные условия:

Содержание кремния в сплаве, не менее – 76,5 %

Доля угля в восстановительной смеси – 40 %

Коэффициент избытка восстановителя – 1,09

Расход электродной массы – 3,0

 

Расчет состава шихты

Потребность в углероде для восстановления окислов кварцита составит:

Оксид	Расчет	Кол-во С, кг
SiO2→ Si	97,9 · 0,91 · 24 / 60 =	35,636
SiO2 → SiO	97,9 · 0,07 · 12 / 60 =	1,371
Al2O3→ Al	0,89 · 0,50 · 36 / 102 =	0,157
Al2O3→ Al2О	0,89 · 0,05 · 24 / 102 =	0,010
СаО→ Са	0,21 · (0,40 + 0,05) · 12 / 56 =	0,020
MgO→Mg	0,04 · (0,05 + 0,15) · 12 / 40 =	0,002
Fe2O3→ Fe	0,63 · 0,995 · 36 / 160 =	0,141
P2O5→P	0,02 · (0,80 + 0,10) · 60 / 142 =	0,008
Итого		37,345
С учетом Кизб	37,345 · 1,09 =	40,706

 

С учетом прихода углерода электродами и растворением в сплаве в количестве 0,1 кг требуется углерода

 

40,706 – 3,0 + 0,1 = 37,806 кг.

 

Часть углерода, вносимого коксиком, затрачивается на восстановление оксидов золы коксика. Поэтому содержание активного углерода в восстановителях будет ниже твердого углерода. Количество углерода, необходимого для восстановления золы коксика составит

 

 

Оксид	Расчет	Кол-во С, кг
SiO2→ Si	12,70 · 0,495 · 0,91 · 24 / 60 =	2,288
SiO2 → SiO	12,70 · 0,495 · 0,07 · 12 / 60 =	0,088
Al2O3→ Al	12,70 · 0,228 · 0,50 · 36 / 102 =	0,511
Al2O3→ Al2О	12,70 · 0,228 · 0,05 · 24 / 102 =	0,034
СаО→ Са	12,70 · 0,0538 · (0,40 + 0,05) · 12 / 56 =	0,066
MgO→Mg	12,70 · 0,0348 · (0,05 + 0,15) · 12 / 40 =	0,027
Fe2O3→ Fe	12,70 · 0,179 · 0,995 · 36 / 160 =	0,509
P2O5→P	12,70 · 0,0094 · (0,80 + 0,10) · 60 / 142 =	0,045
Итого		3,568
С учетом Кизб		3,889

 

Количество углерода, необходимого для восстановления золы угля составит

 

Оксид	Расчет	Кол-во С, кг
SiO2→ Si	6,6 · 0,4862 · 0,91 · 24 / 60 =	1,1680
SiO2 → SiO	6,6 · 0,4862 · 0,07 · 12 / 60 =	0,0449
Al2O3→ Al	6,6 · 0,1938 · 0,50 · 36 / 102 =	0,2257
Al2O3→ Al2О	6,6 · 0,1938 · 0,05 · 24 / 102 =	0,0150
СаО→ Са	6,6 · 0,0514 · (0,40 + 0,05) ∙ 12 / 56 =	0,0327
MgO→Mg	6,6 · 0,0256 · (0,05 + 0,15) · 12 / 40 =	0,0101
Fe2O3→ Fe	6,6 · 0,2376 · 0,995 · 36 / 160 =	0,3511
P2O5→P	6,6 · 0,0054 · (0,80 + 0,10) · 60 / 142 =	0,0136
Итого		1,861
С учетом Кизб		2,029

 

В коксе содержится активного углерода, кг:

 

100 – 12,70 – 2,20 – 0,45 – 3,889 = 80,761

 

В угле содержится активного углерода, кг:

 

100 – 6,60 – 42,70 – 0,29 – 2,029 = 48,381

 

Рассчитывается количество сухого кокса и угля на 100 кг кварцита:

 

Кокс 37,806 · (1 – 0,40) · 100 / 80,761 = 28,087 кг

Уголь 37,806 · 0,40 · 100 / 48,381 = 31,257 кг

 

С учетом влаги восстановителей:

 

Кокс 28,087 / (1 – 0,0986)= 31,160 кг

Уголь 31,257 / (1 – 0,1087)= 35,069 кг

Материальный баланс

 

Таблица 2.7 – Материальный баланс

 

Приход	Расход
Материалы	кг	%	Продукт	кг	%
Кварцит		55,347	Металл	55,949	30,966
Кокс	31,160	17,246	Шлак	3,464	1,917
Уголь	35,069	19,410	Газы	121,267	67,117
Железная стружка	11,450	6,337	Невязка	- 0,001	-0,001
Электроды	3,0	1,660
Всего	180,679	100,00	Всего	180,679

 

В материальном балансе разность между статьями расхода и прихода равна:

 

180,679 – 55,949 – 3,464 – 121,267 = - 0,001 кг

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен анализ производство ферросилиция, минералы, оксиды и методы получения ферросилиция, а также расчет шихты для выплавки ферросилиция. В результате исследований термодинамических расчетов с использованием программного комплекса «АСТРА-4» и «ТЕРРА» были установлены основные существующие конденсированные и газовые фазы, характеризующие составы выплавляемых сплавов.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В металлургии и ряде других отраслей техники использу­ют ферросплавы, а также технически чистые металлы для раскисления и легирования стали, получения легированно­го чугуна и различных сплавов. Улучшение качества и специальные свойства конструкционных, коррозионно- стойких, жаропрочных, жаростойких, прецизионных и элек­тротехнических сталей, специальных литейных чугунов и самых разнообразных сплавов достигается легированием различными элементами. Ферросплавы - это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и другими элементами, применяемые в производстве стали для улучшения ее свойств и легирования. Вводить в сталь нужный элемент не в виде чистого металла, а в виде его сплава с железом удобнее вследствие более низкой температуры его плавления и выгоднее, так как стоимость ведущего элемента в сплаве с железом ниже по сравнению со стоимостью технически чистого металла.

Исходным сырьем для получения ферросплавов служат руды или концентраты. Для производства основных сплавов - ферросилиция, ферромарганца; силикомарганца и феррохрома - пользуются рудами, так как в них высоко содержание окислов элемента, подлежащего восстановлению. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия, ферро-титана и других сплавов руду вследствие малой концентрации в ней полезного элемента обогащают, получая концентрат с достаточно высоким содержанием окислов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением окислов соответствующих металлов. Для получения любого сплава необходимо выбрать подходящий восстановитель и создать условия, обеспечивающие высокое извлечение ценного (ведущего) элемента из перерабатываемого сырья.

Восстановителем может служить элемент, обладающий более высоким химическим сродством к кислороду, чем элемент, который необходимо восстановить из оксида. Иначе говоря, восстановителем может быть элемент, образующий более химически прочный оксид, чем восстанавливаемый элемент. Восстановительные процессы облегчаются, если они проходят в присутствии железа или его оксидов. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность, выводит его из зоны реакции, препятствует обратной реакции - окислению.

 

ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСИЛИЦИЙ

Области применения

Ферросилиций – сплав кремния с железом.

Основное назначение ферросплавов в сталеплавильном производстве – раскисление и легирование стали, а также легирование и модифицирование чугуна и сплавов; производство химических соединений, как исходных материалов для защитных покрытий на металлических конструкциях; обогащение полезных ископаемых.

Получение ферросилиция в рудовосстановительных дуговых электрических печах ведётся непрерывным способом, при котором шихта загружается в печь непрерывно по мере её проплавления.

Производимый ферросилиций по маркам и химическому составу должен соответствовать требованиям ГОСТ 1415–93 (ИСО 5445–80).

Ферросилиций поставляется в кусках массой не более 25 кг, в чушках массой не более 45 кг и виде дробленых просеянных частиц.

 

Шихтовые материалы для выплавки ферросилиция

 

Удовлетворенная работа ферросплавной печи может быть обеспечена только при тщательной подготовке шихтовых материалов.

Фракционный состав компонентов шихты должен обеспечивать хорошую газопроницаемость колошника печи при максимально возможной однородности шихтовой смеси и оптимальной ее проводимости, обеспечивающей глубокую посадку электродов при заданном электрическом режиме.

При производстве ферросилиция (или железокремниевых лигатур) используются следующие основные шихтовые материалы:

a) источник кремнезема – кварцит;

b) углеродистые востоновители кремнезема – коксовый орешек, полукокс, малозольные марки слабоспекающихся каменных углей;

c) в качестве рыхлителя колошника (отчасти и как востоновителя) – щепа древесная; источники поступления железа в сплав:

- стружка стальная углеродистых сталей (реже окалина),

- неофлюсованный агломерат,

- железная руда,

- отходы кремнистых сталей.