Выбор типа и мощности плавильных печей

Выбор типа применяемого плавильного агрегата зависит от способа производства того или иного сплава. Так, производство ферросплавов углеродотермическим способом осуществляется в рудовосстанови-тельных электропечах, силикотермическим – в рафинировочных печах, алюминогермическим – в плавильных горнах или модернизированных дуговых сталеплавильных печах.

При выборе мощности ферросплавных электропечей следует исходить из максимального ее значения. Практика показывает, что увеличение мощности электропечей позволяет улучшить все основные технико-экономические показатели производства (производительность труда, цельный расход электроэнергии, капитальные и эксплуатационные затраты). Ферросплавные электро-печи имеют такие максимальные установление мощности, MBА: 40-80 печи для выплавки ферросилиция; 63 и 81 МВА – ферромарганца высокоуглеродистого; 63 и 81 – силикомарганца; 21 и 40 – феррохрома высокоуглеродистого и передельного.

Увеличение единичной мощности ферросплавных электро-печей сопровождается одновременным укрытием и герметизацией подсводового пространства. Применение закрытых печей обеспечивает утилизацию физического и химического тепла колошниковых газов, охрану окружающей среды, улучшение санитарно-гигиенических условий труда и эксплуатации оборудования. Успешно эксплуатируются герметичные печи типа РПЗ-63И1 для производства высокоуглеродис-того ферромарганца и силикомарганца и типа РКЗ-3ЗМ1 для получения высокоуглеродистого феррохрома.

Основным преимуществом печей с герметизированным сводом является ликвидация выбросов токсичного газа в атмосферу цеха через загрузочные воронки, расположенные вокруг электродов. Это обусловливает уменьшение капиталовложений на одну печь за счет исключения газоочистки на выбросах от зонта.

В США применяют ферросплавные электропечи мощностью 30-80 МВА с круглой и треугольной ванной. В Японии – герметичные ферросплавные печи мощностью 40-72 МВА. Норвежская фирма «Элкем» предлагает герметичные круглые печи мощностью 75 МВА. Следует отметить, что коэффициент использования установленной мощности отечественных рудовосстановительных печей выше, чем зарубежных, так как они оборудованы системой продольно-емкостной компенсации реактивной мощности.

При реконструкции действующих цехов с ферросплавными электропечами средней мощности (РКО-16,5 и РКЗ-16,5) следует повышать их мощность до 27-30 МВА Мощность рафинировочных электропечей должна быть увеличена до 7-10 МВА.

3.4 Выбор вида шихтовых материалов и способа их подготовки к плавке

При производстве ферросплавов возникает необходимость в переработке больших масс шихтовых материалов, качество которых в значительной степени определяет технико–экономические показатели технологического процесса.

3.4.1 Шихтовые материалы. Сырье, применяемое для получения ферросплавов, состоит из четырех основных групп:

- рудный материал;

- восстановитель;

- осадитель или разбавитель;

- шлакообразующий.

3.4.1.1 Рудная часть шихты. Как правило, ферросплавные заводы используют руды и концентраты, не требующие дополнительного обогащения. Исключение составляют бедные марганцевые и реже хромовые руды. Их подвергают пирометаллургическому обогащению и получают богатые по содержанию ведущего элемента шлаки, которые затем перерабатывают в конечную продукцию. Основным критерием при оценке качества руд является содержание в них ведущего элемента; оно должно быть максимально высоким. Следует, однако, учитывать, что запасы богатых руд истощаются, и поэтому в ферросплавном производстве используются более бедные руды. Так, если в 50-х г. стандартное содержание марганца в марганцевых концентратах составляло 48-50 %, то в настоящее время оно снизилось до 40-46 %.

Ценность руды повышается с уменьшением в ней содержания вредных примесей, в первую очередь серы и фосфора. От концентрации вредных примесей зависит технология передела. Например, марганцевые руды с повышенным фосфором должны подвергаться предварительной дефосфорации методом выплавки малофосфористого шлака или другим методом, что удорожает передел.

Существенную роль при выборе руды играет ее фракционный состав, который часто определяет технико–экономические показатели производства. Пылеватые руды и концентраты нельзя загружать непосредственно в печь без принятия специальных мер, предупреждающих вынос мелких частиц, который может достигать      15 % и более от количества заданной руды. К числу таких мер относится в первую очередь предварительное окомкование различными методами (агломерация, брикетирование, окатывание). Оптимальные размеры кусков руды зависят от сорта руды, типа печи и способа производства. Для бесшлаковых и шлаковых процессов в закрытых рудовосстано-вительных печах, как правило, нужны более крупные куски руды, чем для большинства рафинировочных процессов.

Чтобы обеспечить стабильность технологического процесса, нужную сортировку руды по фракциям и усреднение по химическому составу, а также, в случае необходимости, дробление и окомкование руды следует производить на механизированных складах достаточной вместимости.

3.4.1.2 Восстановители. Правильный выбор восстановителя и способа его подготовки в значительной мере определяет технико-экономические показатели производства. При выплавке ферросплавов в качестве восстанови­телей оксидов руды используют углерод, кремний и алюминий. Наиболее широко применяются углеродсодержащие восстановители: металлургический кокс, различные полукоксы и угли, древесные отходы и др. Углеродо-содержащие восстановители, применяемые в производстве ферросплавов, должны обладать хорошей реакционной способностью, высоким удельным электросопротивлением, соответствующим для каждого сплава химическим составом, достаточной прочностью, оптимальным размером куска, термоустойчивостью и низкой стоимостью. В случае высокой реакционной способности восстановителя процесс начинается при более низких температурах и руда восстанавливается полнее. Значительное электросопротивление восстановителя обеспечивает более глубокую посадку электродов в шихте, т.е. уменьшение улета восстановленных элементов. Необходимо, чтобы количество вредных примесей в составе золы восстановителя было минимальным, так как они в значительной мере переходят в готовый сплав. Восстановитель должен обладать соответствующей механической прочностью, чтобы при подготовке, дозировании и подаче шихты образовывалось минимальное количество мелочи, поэтому небольшое содержание мелочи и летучих, отсутствие склонности к спеканию обеспечивают хорошее газовыделение на колошнике печи и облегчают обслуживание печи.

Наиболее широко используют при выплавке ферросплавов самый дешевый сорт восстановителя – коксик, получающийся при сортировке доменного кокса. Недостатками коксика являются невысокие электросопротивление и реакционная способность, относительно большое содержание золы, серы и фосфора и значительное нестабильное содержание влаги.

В качестве восстановителя при производстве ферросплавов широко применяется также полукокс. Электросопротивление последнего при температурах до 900 °С значительно больше, чем коксика, а при более высоких температурах оно приближается к электросопротивлению обычного кокса. Полукокс содержит до 15 % летучих, механически мало прочен, имеет повышенную зольность, но это не препятствует его использованию при выплавке ферросилиция, так как основной составляющей золы является кремнезем.

К очень хорошим восстановителям относится древесный уголь, обладающий высокими удельным электросопротивлением, реакционной способностью и чистотой. Древесный уголь уменьшает спекание шихты и улучшает ее газопроницаемость, что особенно важно при выплавке высококремнистых марок ферросилиция и при работе закрытых печей. Однако он дорог, имеет малую по сравнению с коксом механическую прочность, характеризуется резкими колебаниями содержания золы и влаги (от 5 до 40 %). Поэтому его стремятся заменять различными древесными отходами (опилки, щепа, стружка, лигнин).

Хорошими по качеству восстановителями являются нефтяной и пековый коксы, обладающие достаточной механической прочностью, высокой реакционной способностью и низким содержанием золы и летучих. Однако при температурах плавки они склонны к графитации, что ухудшает их реакционную способность и снижает электросопротивление. Это в сочетании с высокой стоимостью ограничивает их применение: они используются только при производстве особо чистых по примесям ферросплавов, ряда марок ферросилиция и ферровольфрама.

За рубежом в качестве углеродистого восстановителя успешно применяют торфяные брикеты и торфяной кокс, характеризующиеся высокими реакционной способностью, пористостью, чистотой и низкой электропроводностью; широко используют также каменный уголь. Целесообразно употреблять угли более малозольные (антрацит) или с соответствующим составом золы. Молодые (газовые, длинно-пламенные) и бурые угли являются наиболее реакционно-способными, дешевыми и обладают высоким электросопротивлением. Они не коксуются и недефицитны. Эти угли наиболее подходят для использования в ферросплавном производстве.

В последние годы были созданы и опробованы новые специальные виды углеродистых восстановителей для ферросплавного производства: коксы из газовых и бурых углей, формованный кокс, углекварцитовый кокс, различные виды полукоксов и др.

3.4.1.3 Осадители и разбавители. Основным железосодержащим компонентом шихты при выплавке сплавов кремния является стружка углеродистых сталей. Чугунная стружка из–за повышенного содержания в ней фосфора применяется лишь при выплавке сплавов, используемых в чугунолитейном производстве. Недопустимо употреблять стружку легированных сталей и стружку, загрязненную примесями цветных металлов. Нецелесообразно использовать железную руду взамен стружки, поскольку при этом увеличивается содержание углерода в шихте и вносится значительное количество шлакообразующих примесей.

Перспективным железосодержащим материалом для ферросплавного производства являются окалина и отходы, получающиеся в процессе огневой зачистки металла в прокатных цехах. При высоком содержании железа они имеют хороший гранулометрический состав, позволяющий добиться равномерного распределения железа в шихте.

В связи с дефицитом стальной стружки и значительными затратами на ее перевозку, может стать целесообразным исполь-зование железистых кварцитов в случае, если экономия на стоимости сырья и транспортных расходах будет больше, чем убытки от увеличения затрат электроэнергии и снижения производительности печей. Запасы железистых кварцитов составляют около 35 % балансовых запасов железных руд. Брикеты и окатыши из «хвостов», образующихся при обогащении железистых кварцитов (12-15 % Fe_общ, 60-67 % SiO₂), и газового угля могут быть использованы при выплавке ферросилиция. Металлизованные окатыши были успеш­но опробованы как железосодержащий материал при выплавке 75 %-го ферросилиция.

3.4.1.4 Шлакообразующие. В качестве шлакообразующей присадки в ферросплавном производстве используются известь, плавиковый шпат, реже кварцит и бокситы. Известь должна содержать более 90 % СаО и минимальное количество углерода и фосфора. Лучшей по качеству является известь, полученная обжигом известняка во вращающихся трубчатых печах. В шахтных печах получают крупнокусковую известь. Плавиковый шпат должен содержать не менее 65 % СаF₂. В отдельных случаях применяют флюоритовую руду (более 55 % CaF₂). В кварцитовой мелочи и боксите, используемых в качестве флюсов, концентрация вредных примесей должна быть минимальной.

 

Подготовка шихтовых материалов

Поступающий на ферросплавный завод рудный материал складируется и обязательно усредняется перед подачей в печные бункера для обеспечения стабильности состава. В случае необходимости материал рассеивается и измельчается или, наоборот, окусковывается, а затем подвергается сушке или прокаливанию.

Подготовка кварцита к плавке состоит из дробления на щековых или конусных дробилках, отсева мелочи (менее 20-25 мм) и мойки. Последние две операции осуществляются одновременно на вибрационных грохотах и во вращающихся барабанах. Оптимальная фракция кварцита зависит от марки ферросилиция. Так, для 25 %-го сплава принят размер кусков 20-60 мм, для 45 %-го  – 20-70, для 75 и 90 %-го – 20-80 мм. При мойке кварцита концентрация в нем глинозема снижается на 20-30 %, что позволяет уменьшить содержание алюминия в сплаве и количество образующегося шлака. При подготовке кварцита его потери в виде отходов составляют 15 %.

Углеродсодержащий восстановитель (коксик, полукокс) подвергается грохочению для отсева мелочи (менее 5 мм) и крупной фракции, которая дробится на валковых дробилках. После дробления коксик вновь отсевается на вибрационных грохотах. В шихту используют куски восстановителя размером до 25 мм.

В последнее время часть углеродсодержащего восстановителя при плавке ферросилиция заменяют отходами, содержащими SiC. Применение этих отходов особо эффективно при изготовлении бедных по кремнию марок ферросилиция. Отходы графитизации производства электродов (около 28 % SiC, 19 % Si0₂, 49 % С, остаток Fe, A1₂O₃ и др.) и карборунда (около 63 % SiC, 22 % SiO₂, 9 % С, остаток Fe, A1₂O₃ и др.) нуждаются в обогащении и окомковании.

Сокращение запасов богатых марганцевых руд обусловило необходимость вовлечения в производство марганцевых ферро-сплавов бедных руд. При обычных методах обогащения марганцевых руд на горно-обогатительных комбинатах фосфор только перераспределяется между товарными сортами концентратов, в результате чего в более богатых сортах отношение Р/Mn получается ниже, чем в сырой руде, и образуются низкосортные концентраты. Поэтому в настоящее время разрабатываются новые методы дефосфорации и обескремнивания марганцевых руд: химический, пирогидрометаллургический и др.

Химические и пирогидрометаллургические методы обогащения дают возможность получать богатые марганцевые концентраты высокой чистоты даже из низкосортных руд и шламов. Однако использование указанных методов сопряжено с большими затратами, а высокая степень очистки не всегда необходима для производства ферросплавов, к тому же в этом случае получаются тонко-измельченные концентраты, что требует их окускования.

Задача окускования марганцевых руд может быть решена путем их агломерации, брикетирования и окомкования. Следует, однако, иметь в виду, что агломерация в два раза дешевле, чем брикетирование и окомкование. Агломерацию руд целесообразно осуществлять непосредственно на ферросплавном заводе, что позволит сократить потери сырья при транспортировке. Весьма эффективным является предварительный нагрев и восста­новление марганцевых руд во вращающихся печах.

Проблема окускования хромовых руд может быть решена путем их брикетирования и окомкования. В этом случае эффективно предварительное восстановление хромовой руды в кипящем слое.

Окускование шихты весьма перспективно и для плавки ферросилиция. Успешно опробована выплавка ферросилиция на брикетах, песчано–рудном агломерате.

В заключение следует отметить, что выбор вида шихтовых материалов и метода их подготовки к плавке должен быть сделан на основе экономического анализа конкретных условий организации производства ферросплавов в данном районе.