Технология процесса 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.

В металлургии ферросплавов по объёму производства первое место занимает ферросилиций, так как, кроме применения при получении стали, он используется в качестве восстановителя при получении других ферросплавов.                                                                                                   [4]

Ферросилиций – сплав железа с кремнием.

Ферросилиций используют при производстве стали для раскисления и легирования; в ферросплавном производстве в качестве кремний содержащего материала при силикотермическом производстве ферросплавов; в горнорудной промышленности для приготовления тяжелых суспензий при гравитационном обогащении руд; в химических технологиях для получения кремнийорганических соединений¸ взрывчатых веществ и др.                  [1]

В качестве рудной части шихты при производстве ферросилиция используют кварц, кварцит и халцедон.

Кварц – минерал кристаллического строения белого, серого или красного цвета в зависимости от примесей.

Кварцит – горная порода в виде кристаллов кварца, скрепленных кремнеземсодержащим веществом.

Халцедон – волокнистый минерал с разной окраской и такой же, как у кварца, плотностью.                                                                                         [4]

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА ВЫПЛАВКИ ФЕРРОСИЛИЦИЯ

Ферросилиций – сплав железа с кремнием. Химический состав ферросилиция наиболее широко используемых марок приведен в табл. 1. [3]

 

Таблица 1. Состав ферросилиция по ГОСТ 1415 – 78, масс. % (не более)

Марка сплава	Si	С	S	Р	Al	Mn	Cr	Са
ФС92	≥ 92	-	0,02	0,03	2,0	0,2	0,2	0,5
ФС90	≥ 89	-	0,02	0,03	3,5	0,2	0,2	-
ФС75	74 – 80	-	0,02	0,05	-	0,4	0,4	-
ФС65	63 – 68	-	0,02	0,05	2,5	0,4	0,4	-
ФС45	41 – 47	-	0,02	0,05	2,0	0,6	0,5	-
ФС25	23 – 27	0,8	0,02	0,06	1,0	0,9	1,0	-
ФС20	19 – 23	1,0	0,02	0,10	1,0	1,0	-	-
Примечание. Остальное – железо.

 

Ферросилиций относится к большой группе ферросплавов. Отечественный стандарт на ферросилиций предусматривает производство сплавов, содержащих в среднем 20, 25, 45, 65, 69, 75, 90 и 92% кремния. Среднее содержание входит в обозначение марки ферросилиция. [2]

 

 

Шихтовые материалы

В качестве рудной части шихты при производстве ферросилиция используют кварц, кварцит и халцедон. [3]

Кварц – минерал кристаллического строения (плотность 2,59 – 2,65 г/см³) белого, серого или красного цвета в зависимости от примесей.

Кварцит – горная порода в виде кристаллов кварца, скрепленных кремнеземсодержащим веществом.

Халцедон– волокнистый минерал с разной окраской и такой же, как у кварца, плотностью.

Основным требованием к рудному сырью для производства ферросилиция является высокое содержание в нем кремнезема (>96%), минимальное присутствие примесей (Al₂O₃, MgO, CaO), достаточная прочность при высоких температурах. Наличие в рудном сырье оксидов железа не снижает его ценности, так как при выплавке ферросилиция в шихту вводят некоторое количество железа.

Чем меньше в кремнийсодержащем сырье примесей, тем меньше будет шлака и ниже удельный расход электроэнергии.

Перед загрузкой кварцит дробят на куски размером 20-80 мм, а образующуюся мелочь отсеивают. Промывка кварцитов водой снижает содержание в них глины и других примесей и улучшает показатели электроплавки. В качестве восстановителя применяют кокс, древесный уголь, антрацит. Требования к восстановителю: низкое содержание золы, незначительное содержание летучих, достаточная прочность, стабильный размер кусков, высокое электрическое сопротивление, постоянная, достаточно низкая влажность и большая реакционная поверхность.    

По характеристикам к лучшим восстановителям относятся древесный уголь, пековый и нефтяной коксы. Препятствием является их высокая стоимость и дефицитность. По этим причинам древесный уголь применяют только при производстве кристаллического кремния. Каменный уголь и антрацит имеют высокое электрическое сопротивление низкое содержание золы, однако они растрескиваются при нагреве, поэтому их применяют ограниченно и только с добавками других восстановителей.

Наибольшее применение в качестве восстановителя при производстве ферросилиция получила коксовая мелочь – отсев, который образуется при сортировке доменного кокса. Эта мелочь, называемая коксиком, имеет размер кусков 5-25 мм и содержит <13% золы.

Использование кокса как восстановителя имеет свои особенности. Наличие в нем большого количества мелочи затрудняет выход газов и нарушает ход печи. Избыток крупных кусков повышает электропроводность шихты, приводит к уменьшению заглубленности электродов в шихте и снижению производительности печи.

Для поддержания глубокой посадки электродов при выплавке ферросилиция, увеличения реакционной способности и эффективности процесса повышают удельное сопротивление металлургического кокса, для чего добавляют в шихту кокса из газовых углей отходы графитизации с электродных заводов, карборундсодержащие отходы, нефтекокс и другие восстановители.

Наряду с коксиком применяют в значительных количествах полукокс – продукт коксования углей при температуре 700⁰С, имеющий достаточно стабильный состав, высокое электросопротивление и хорошую реакционную способность. При работе на смеси кокса и полукокса увеличивают глубину посадки электродов и улучшают показатели работы печей.

Большое значение для технологии производства ферросплавов имеет содержание влаги в коксике и полукоксе, которое зависит от условий перевозки и хранения. Поэтому для правильной дозировки восстановителя контролируют их навеску в шихте с учетом влажности. Для повышения однородности материалов целесообразно их сушить теплом отходящих газов.

Требуемое содержание железа в ферросилиции обеспечивается применением стружки углеродистых сталей, чистой от примесей цветных металлов и легирующих элементов, достаточно габаритной и не сильно проржавевшей. Следует иметь в виду, что легирующие элементы и фосфор полностью переходят в ферросилиций, поэтому легированную и чугунную стружку использовать при производстве ферросилиция не разрешается. [3]

 

 

Состав шлака

 

Невосстановленные оксиды сплавляются с кремнеземом и образуют шлак. При нормальном ходе плавки количество шлака составляет 2 – 6% от массы металла, который содержит 30 – 50% SiO₂, 10 – 25% Al₂O₃, 8 – 15% СаО,    2 – 5% MgО, 0,2 – 2,0% FeO. Температура плавления таких шлаков 1500 – 1700^оС. Высокая вязкость шлака приводит к затруднениям при удалении его из печи. В результате ванна печи зарастает шлаком, снижается производительность печи, увеличивается удельный расход электроэнергии. Во избежание этого следует использовать для производства чистые материалы, полностью удалять шлак из печи. Последнее достигается глубокой и устойчивой посадкой электродов, оптимальным количеством восстановителей в шихте, вращением ванны печи.   

 

 

Выпуск и разливка сплава

 

Выпускают жидкие продукты плавки из печи периодически. Регулярный выпуск ферросилиция из руднотермической печи способствует ее ровному ходу. Задержка в выпуске увеличивает количество металла в печи, уменьшает глубину погружения электродов в шихту и создает неустойчивый электрический режим.

Количество выпусков должно быть оптимальным. При слишком частых выпусках нарушается тепловое состояние нижней части печи из-за больших потерь тепла. Это приводит к затруднениям в выпуске сплава и шлака и потерям сплава при разливке. Слишком редкие выпуски приводят к накоплению больших количеств сплава и шлака в плавильном тигле, что снижает скорость восстановительных процессов, увеличивает потери кремния в улет. Оптимальным считается 6–7 выпусков в смену при выплавке ФС18, 20, 25 и 4–5 выпусков для ФС45, 65, 75, 90. Металл и шлак выпускают через летку, которую затем заделывают конической пробкой из смеси электродной массы и песка или массой из глины и коксика.

Ферросилиций выпускают в ковш с кладкой из шаметного кирпича или с облицовкой графитовой плиткой. Затем ферросилиций разливают в чугунные изложницы для слитков или в чушки на разливочных машинах конвейерного типа.

Исходные данные для расчета

Химические и технические составы исходных материалов приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Химические составы исходных материалов

 

Материал	SiO2	Al2O3	Ғе2О3	СаО	MgO	P2O5	S	H2O	Si	C	Fe	∑
Кварцит	98,2	0,83	0,28	0,17	0,09	0,03	0,03	0,37	0	0	0	100
Зола кокса КНР	49,5	22,8	17,9	5,38	3,48	0,94	0	0	0	0	0	100
Зола Шубак.уг.	48,62	19,38	23,76	5,14	2,56	0,54	0	0	0	0	0	100
Fe стружка	0	0	0	0	0	0	0,02	3	1,5	0,2	95,25	100
Итого, кг	196,32	43,01	41,94	10,69	6,13	1,51	0,05	3,37	1,5	0,2	95,25	400
Итого, %	49,080	10,753	10,485	2,673	1,533	0,378	0,013	0,843	0,375	0,050	23,813	100

 

 

Исходя из этого, с учетом расходов материалов на выплавку 1 тонны сплава входные данные для расчета состояния фаз для программы «TERRA» следующие, %: (SiO₂ – 49,080); (Al₂O₃ – 10,753); (Ғе₂О₃– 10,485); (CaO–2,673); (P₂O₅– 0,378); (H₂O– 0,843); (Si– 0,375); (C– 0,050); (S– 0,013); (Fe – 23,813); (MgO – 1,533).

Расчет ведем при давлении равным1 атм. и в интервале температур 1273-2273 К.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ современного состояния выплавки ферросилиция, минералы, оксиды и методы получения ферросилиция, а также проведен анализ существующих способов выплавки ферросилиция.

2. В результате исследований термодинамических расчетов с использованием программного комплекса «ТЕРРА» были установлены основные существующие конденсированные и газовые фазы, характеризующие составы выплавляемых сплавов.

В результате проведенных исследований разработана и опробована в расчетных условиях технология получения ферросилиция с применением зола кокса КНР, а также термодинамические условия для выплавки ферросилиция с применением кварцита.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. http://chem100.ru/elem.php?n=24

2. https://metallurgy.zp.ua/vyplavka-sredneuglerodistogo-ferrohroma/

3. Теория и технология производства: Учебник для вузов/Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. М: Металлургия, 1988.784с.

4. Гельд П.В., Баум Б.А., Петуршевский М.С. Расплавы ферросплавного производства. М: Металлургия,1973. 288с.

Свойства элементов /Под ред. Дрица М.Б.М: Металлургия 1985.271 с.

5. Хансен М. и Андерко К. Структура двойных сплавов. М., «Металлургиздат», 1962.470с.

6. Мизин В.Г., Серов Г.В. Углеродистые восстановители для ферросплавов. М.: Металлургия, 1976. 272с.

7. Физико-химические основы металлургических процессов/ Жуховицкий А.А., Белащенко Д.К., Бокштейн Б.С., и др. М.: Металлургия, 1973. 392с.

8. Восстановительные процессы в производстве ферросплавов.М.: Мир., 1975.205с.

9. Гасик Л.Н., Игнатьев В.С., Гасик М.И. Структура и качество промышленных ферросплавов и лигатур. Киев: Техника, 1975,142 с.

10. Рысс М.А. Производства ферросплавов. М., «Металлургия», 1975. 336с.

11.Абдуллабеков Е.Э,Каскин К.К.,Нурумгалиев А.Х. Технологические расчеты по производству ферросплавов М., «Металлургия», 2014.224с.

 

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.

В металлургии ферросплавов по объёму производства первое место занимает ферросилиций, так как, кроме применения при получении стали, он используется в качестве восстановителя при получении других ферросплавов.                                                                                                   [4]

Ферросилиций – сплав железа с кремнием.

Ферросилиций используют при производстве стали для раскисления и легирования; в ферросплавном производстве в качестве кремний содержащего материала при силикотермическом производстве ферросплавов; в горнорудной промышленности для приготовления тяжелых суспензий при гравитационном обогащении руд; в химических технологиях для получения кремнийорганических соединений¸ взрывчатых веществ и др.                  [1]

В качестве рудной части шихты при производстве ферросилиция используют кварц, кварцит и халцедон.

Кварц – минерал кристаллического строения белого, серого или красного цвета в зависимости от примесей.

Кварцит – горная порода в виде кристаллов кварца, скрепленных кремнеземсодержащим веществом.

Халцедон – волокнистый минерал с разной окраской и такой же, как у кварца, плотностью.                                                                                         [4]

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА ВЫПЛАВКИ ФЕРРОСИЛИЦИЯ

Ферросилиций – сплав железа с кремнием. Химический состав ферросилиция наиболее широко используемых марок приведен в табл. 1. [3]

 

Таблица 1. Состав ферросилиция по ГОСТ 1415 – 78, масс. % (не более)

Марка сплава	Si	С	S	Р	Al	Mn	Cr	Са
ФС92	≥ 92	-	0,02	0,03	2,0	0,2	0,2	0,5
ФС90	≥ 89	-	0,02	0,03	3,5	0,2	0,2	-
ФС75	74 – 80	-	0,02	0,05	-	0,4	0,4	-
ФС65	63 – 68	-	0,02	0,05	2,5	0,4	0,4	-
ФС45	41 – 47	-	0,02	0,05	2,0	0,6	0,5	-
ФС25	23 – 27	0,8	0,02	0,06	1,0	0,9	1,0	-
ФС20	19 – 23	1,0	0,02	0,10	1,0	1,0	-	-
Примечание. Остальное – железо.

 

Ферросилиций относится к большой группе ферросплавов. Отечественный стандарт на ферросилиций предусматривает производство сплавов, содержащих в среднем 20, 25, 45, 65, 69, 75, 90 и 92% кремния. Среднее содержание входит в обозначение марки ферросилиция. [2]

 

 

Шихтовые материалы

В качестве рудной части шихты при производстве ферросилиция используют кварц, кварцит и халцедон. [3]

Кварц – минерал кристаллического строения (плотность 2,59 – 2,65 г/см³) белого, серого или красного цвета в зависимости от примесей.

Кварцит – горная порода в виде кристаллов кварца, скрепленных кремнеземсодержащим веществом.

Халцедон– волокнистый минерал с разной окраской и такой же, как у кварца, плотностью.

Основным требованием к рудному сырью для производства ферросилиция является высокое содержание в нем кремнезема (>96%), минимальное присутствие примесей (Al₂O₃, MgO, CaO), достаточная прочность при высоких температурах. Наличие в рудном сырье оксидов железа не снижает его ценности, так как при выплавке ферросилиция в шихту вводят некоторое количество железа.

Чем меньше в кремнийсодержащем сырье примесей, тем меньше будет шлака и ниже удельный расход электроэнергии.

Перед загрузкой кварцит дробят на куски размером 20-80 мм, а образующуюся мелочь отсеивают. Промывка кварцитов водой снижает содержание в них глины и других примесей и улучшает показатели электроплавки. В качестве восстановителя применяют кокс, древесный уголь, антрацит. Требования к восстановителю: низкое содержание золы, незначительное содержание летучих, достаточная прочность, стабильный размер кусков, высокое электрическое сопротивление, постоянная, достаточно низкая влажность и большая реакционная поверхность.    

По характеристикам к лучшим восстановителям относятся древесный уголь, пековый и нефтяной коксы. Препятствием является их высокая стоимость и дефицитность. По этим причинам древесный уголь применяют только при производстве кристаллического кремния. Каменный уголь и антрацит имеют высокое электрическое сопротивление низкое содержание золы, однако они растрескиваются при нагреве, поэтому их применяют ограниченно и только с добавками других восстановителей.

Наибольшее применение в качестве восстановителя при производстве ферросилиция получила коксовая мелочь – отсев, который образуется при сортировке доменного кокса. Эта мелочь, называемая коксиком, имеет размер кусков 5-25 мм и содержит <13% золы.

Использование кокса как восстановителя имеет свои особенности. Наличие в нем большого количества мелочи затрудняет выход газов и нарушает ход печи. Избыток крупных кусков повышает электропроводность шихты, приводит к уменьшению заглубленности электродов в шихте и снижению производительности печи.

Для поддержания глубокой посадки электродов при выплавке ферросилиция, увеличения реакционной способности и эффективности процесса повышают удельное сопротивление металлургического кокса, для чего добавляют в шихту кокса из газовых углей отходы графитизации с электродных заводов, карборундсодержащие отходы, нефтекокс и другие восстановители.

Наряду с коксиком применяют в значительных количествах полукокс – продукт коксования углей при температуре 700⁰С, имеющий достаточно стабильный состав, высокое электросопротивление и хорошую реакционную способность. При работе на смеси кокса и полукокса увеличивают глубину посадки электродов и улучшают показатели работы печей.

Большое значение для технологии производства ферросплавов имеет содержание влаги в коксике и полукоксе, которое зависит от условий перевозки и хранения. Поэтому для правильной дозировки восстановителя контролируют их навеску в шихте с учетом влажности. Для повышения однородности материалов целесообразно их сушить теплом отходящих газов.

Требуемое содержание железа в ферросилиции обеспечивается применением стружки углеродистых сталей, чистой от примесей цветных металлов и легирующих элементов, достаточно габаритной и не сильно проржавевшей. Следует иметь в виду, что легирующие элементы и фосфор полностью переходят в ферросилиций, поэтому легированную и чугунную стружку использовать при производстве ферросилиция не разрешается. [3]