Произврдство в доменой печи и сплавы

1

1 Общая часть

1.1 Свойства ведущего элемента, область применения

Кремний занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Это второй элемент IV главной группы, серо-стального или черного цвета с металлическим блеском, твердый и хрупкий. Электронная структура его 1S²2S²2p⁶3S²3p². Элементарный кристалл кремния представляет собой куб с ребром длиной 0,5417 нм. В соединениях с неметаллами кремний проявляет преимущественно положительные валентности 4 и 2. Кремний образует соединения почти со всеми металлами и проявляет отрицательную валентность 4.

Кремний имеет следующие основные физико-химические свойства:

· атомную массу 28,08;

· плотность 2,33 г/см3;

· температуру плавления 1683 К;

· температуру кипения 2953 К;

Упругость пара над жидким кремнием описывается уравнением, Па:

lg P_si = 9,017 - 16260 / Т

По электрическим свойствам кремний относится к полу-проводникам.

С кислородом кремний образует кремнезем SiO₂, температура плавления которого 1710єС. Кремнезем имеет несколько модификаций: кварц б и в, кристобаллит б и в, тридимит б, в и г и кремнеземистое стекло.

Теплота образования одного моля SiO₂:

по реакции Si_(T) + O_2(г)= SiO_{2(б-кварц)};

Д H є = - 872,1 кДж

и для этой реакции

Д G є₂₉₈ - 1690·К = - 883500 - 12,5·Т·Lg(Т) + 218,7 Дж/моль

Кремний с кислородом может образовывать также моноокись SiO₂.

Теплота образования газообразного оксида SiO₂ составляет

(- 89,45) - (- 91,96) кДж/моль,

а энтропия равна S є₂₉₈ = 211,5 Дж/(моль·К).

Зависимость изменения свободной энергии образования газообразного оксида SiO₂ от температуры имеет вид для реакции

Si_ж + 0,5 О₂ = SiO₂;

Д G є_Т = - 163217 - 42,62·Т Дж/моль

С углеродом кремний образует карбид SiC, температура плавления которого выше 2700єС. Теплота образования карбида составляет 62,8 кДж/моль. Энтропия SiC составляет 16,5 Дж/(к·моль) [2, 3, 6].

1.2 Свойства и назначение сплава

Ферросилиций - сплав кремния с железом и применяется как раскислитель и легирующая добавка при выплавке стали. Поэтому с железом кремний сплавляется в любых соотношениях (рис. 2.1) и образует ряд силицидов - Fe₂Si₃, FeSi, FeSi₂, Fe₃Si₂ и др., из которых наиболее прочным является FeSi, его температура плавления 1410єС и Д H є₂₇₃ = - 80,38 кДж/моль.

Система Fe-Si. Принятая диаграмма Fe-Si представлена

Кремний относится к ферритообразующим элементам и поэтому сужает область г-Fe. Максимальная растворимость кремния в г-Fe составляет 1,63%Si. Двухфазная область (+г) простирается до 1,94%Si. В системе существуют три эвтектики: первая, соответствующая содержанию 20%Si и температуре плавления 1195єС, вторая- 51%Si и 1212єС и третья - 59%Si и 1207єС. В системе Fe-Si существует ряд силицидов: Fe₃Si (14,28%Si), Fe₂Si (20%Si), Fe₅Si₃ (23,18%Si), FeSi (33,46%Si) и FeSi₂ (50,15%Si).

Устойчивы до температуры плавления силициды FeSi и FeSi₂. Моносилицид FeSi (е-фаза) имеет область гомогенности (33,2-34,2 % Si), кристаллизуется в кубической системе (а = 0,44898 нм). На рис. 1.2 отмечена область гомогенности силицида FeSi_2,3 (о-фаза).

Анализ частной диаграммы FeSi-Si

подтверждает, что при 1220єС образуется высокотемпературная модификация FeSi_2,3 (о-фаза), называемая лебоитом, которая при 940єС эвтектоидно распадается на кремний и низкотемпературную модификацию сисилицида FeSi₂. Эта же модификация образуется при 982єС по перитектоидной реакции:

FeSi + FeSi_2,3 FeSi₂ .

В частной системе FeSi-Si имеются две эвтектики: FeSi + FeSi_2,3 + FeSi_2,3 + Si при 1206єС и 1202єС соответственно. Механизм образования FeSi₂ (в - FeSi₂) при затвердевании эвтектики FeSi_2,3 (б-Fe₂Si₅) + (е-FeSi) зависит от температуры. Выше 865єС в-FeSi₂ образуется по перитектической реакции: б-Fe₂Si₅ + е-FeSi в-FeSi₂. Скорость образования в-FeSi₂ снижается при повышении температуры и выше 950єС фаза в-FeSi₂ не образуется даже после выдержки 200 ч, ниже 860єС в-FeSi₂ образуется в результате диспропорционирования б-Fe₂Si₅ в-FeSi₂ + Si. При 800єС б-Fe₂Si₅ полностью переходит в в-FeSi₂ через 4ч.

Кривая ликвидус сплавов системы Fe-Si имеет сложный характер и это следует учитывать при разработке технологии выплавки и разливки ферросилиция. При увеличении атомной доли кремния до 20% температура ликвидус снижается с 1539єС для чистого железа до эвтектической 1195єС, а затем повышается и достигает максимального значения 1410єС для эквиатомного состава, соответствующего моносилициду FeSi. В интервале концентраций кремния частной диаграммы FeSi-FeSi_2,3 температура снижается до эвтектической 1206єС. Силицид FeSi_2,3 плавится при 1220єС. В частной системе FeSi_2,3 - Si температура повышается от температуры эвтектики 1202єС до температуры плавления чистого кремния 1415єС.

Микроструктура ферросилиция.

Сплав марки ФС 45 промышленной выплавки после травления аншлифов (1 часть HF + 10 частей HNO₃ + 10 частей ледяной уксусной кислоты) представлен светлой эвтектической фазой, в которой сконцентрирован Al, и крупными серыми дендритами е-фазы (FeSi), содержащий в сравнительно больших количествах Cr и Mn (в марке ФС 45 допускается 0,6% Mn и 0,5% Cr). Последние изоморфно замещают атомы железа в моносилициде [(Fe, Mn, Cr) Si].

В сплаве ФС 45 соотношение плотностей е- и лебоитной фазы составляет 1 : 0,78. В зависимости от содержания кремния в сплаве и скорости кристаллизации слитка лебоит может обогащать верхнюю или нижнюю части слитков.

Вследствие значительного различия плотностей железа и кремния существует обратная зависимость между плотностью ферросилиция и содержанием в нем кремния. Ниже приведены температура плавления и плотность ферросилиция марки ФС 45:

Марка ферросилиция ФС 45

Массовое содержание кремния, % 41 - 47

Температура плавления єС, 1210 - 1300

Кажущаяся плотность, г/см 4,9 - 5,4

Кремний является хорошим раскислителем, поэтому его сплавы используют при производстве сталей многих марок. Расход ферросилиция (в пересчете на ФС 45) составляет ~ 0,65% от выпуска стали. Обычно в сталях содержится 0,12-0,35% Si, в высоколегированных кремнистых сталях его содержание достигает 2-3% и более. Введение в конструкционную сталь до 2% Si повышает ее твердость, прочность, пределы упругости и текучести, способствует образованию волокнистой структуры, кремний улучшает свойства рессор и пружин. В шарикоподшипниковой стали (ШХ15СГ, Si - 0,4-0,65%) кремний уменьшает критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке. В электротехнической стали (Si 0,8-4,5%) кремний является единственным элементом, который улучшает электротехнические свойства железа. Наличие кремния увеличивает магнитную проницаемость и электросопротивление стали, понижает коэрцитивную силу, уменьшая тем самым потери и на перемагничивание, и на вихревые токи. В трансформаторной стали (Si - 3-4,5%) кремний снижает потери на гистерезис. В сочетании с другими элементами, особенно с хромом, кремний добавляют в инструментальные, коррозионно- и жаростойкие, рессорно-пружинные и другие стали.

Ферросилиций также широко используют в качестве восстановителя в металлотермических процессах для приготовления термитных смесей и взрывчатых веществ, при получении кремнийорганических соединений, для изготовления сварочных электродов и в ряде других областей промышленности [3-5, 13].

1.3 Выбор типа печи

Все цехи ферросплавного завода по назначению делятся на две группы: основные плавильные цеха, предназначенные для получения готовой продукции завода - ферросплавов, и вспомогательные цехи, обеспечивающие нормальную работу основных цехов. В свою очередь, плавильные цехи можно классифицировать по способу выплавки получаемых в них ферросплавов.

Ферросплавы производят двумя основным способами: электропечным и металлотермическим. Основное количество ферросплавов (96 % от общего объема производства) получают электропечным способом. Электропечные способы производства ферросплавов разделяют на непрерывные и периодические.

Характер процесса производства ферросплавов (непрерывный или периодический) определяет тип применяемого плавильного агрегата, систему дозировки шихты, способ разливки сплавов и тем самым проектные решения ферросплавных цехов. Таким образом, все действующие и проектируемые цехи по характеру применяемого процесса производства ферросплавов можно разделить на две группы: цехи для непрерывных процессов и цехи для периодических.

В зависимости от периода постройки и мощности установленных электропечей можно выделить четыре типа ферросплавных цехов по производству ферросилиция (ФС 45) для непрерывных процессов: с печами малой мощности, с печами средней мощности, с прямоугольными печами большой мощности.

В дипломе рассматривается технология производства ферросилиция марки ФС 45.

ФС 45 выплавляют в закрытой рудовосстановительной печи среднем мощности (печь типа РК3-24) непрерывным процессом.

Цехи по производству ферросилиция (ФС 45) с печами средней мощности, построенные в 60-70 гг. , оборудованы закрытыми рудовосстановительными печами мощностью 16,5-27 МВ·А. В дипломе рассматривается печь типа РК3-24. На печи установлена система улавливания и очистки отходящих газов. Металл разливается с применением конвейерных машин. Цех состоит только из двух пролетов одинаковой высоты: печного и разливочного.

Печь снабжается шихтой из отделения шихтоподготовки, расположенного в отдельном здании. Дозировка шихты осуществляется непрерывно, шихтоподача автоматизирована.

Цехи этого типа отличаются лучшими условиями труда и более высокой степенью механизации вспомогательных и ремонтных работ.

Выбор способа производства сплава зависит от типа применяемого плавильного агрегата. Так, производство ферросилиция марки ФС 45 углеродотермическим способом (УТП) осуществляется в рудовосстановительной электропечи.

При выборе мощности ферросплавной электропечи следует исходить из максимального ее значения. Практика показывает, что увеличение мощности электропечи позволяет улучшить все основные технико-экономические показатели производства (производительность труда, удельный расход электроэнергии, капитальные и эксплуатационные затраты).

Увеличение единичной мощности ферросплавной электропечи сопровождается одновременным укрытием и герметизацией подсводового пространства. Применение закрытой печи обеспечивает утилизацию физического и химического тепла колошникового газа, охрану окружающей среды, улучшение санитарно-гигиенических условий труда и эксплуатации оборудования [7].

1.4 Определение основных параметров печи, диаметра электродов и их распада

Ферросплавную печь характеризуют следующие параметры:

1) номинальная мощность (мощность трансформатора) P_T, кВ·А ;

2) производительность, G, т/сут ;

3) интервал вторичных напряжений, В;

4) максимальная сила тока в электроде, кА ;

5) удельный расход электроэнергии w, МДж (кВт·ч)/т ;

6) коэффициент мощности печи cos ц ;

7) электрический к.п.д., з_э ;

8) диаметр электрода, d_э , мм ;

9) внутренний диаметр ванны, d_в , мм ;

10) диаметр распада электродов, d_р ;

11) глубина ванны, h, мм ;

12) диаметр кожуха печи, d_к , мм ;

13) высота кожуха печи, H, мм ;

В настоящей дипломной работе рассматривается круглая трехфазная печь типа РК3-24. В круглой печи, электроды которой расположены по треугольнику, тепло концентрируется достаточно хорошо для того, чтобы образующиеся под каждым электродом плавильные тигли соединились между собой. Это позволяет работать с одним выпускным отверстием. У такой печи минимальна по величине теплоотдающая поверхность и у нее лучше используется тепло. При рациональной конструкции короткой сети и наличии установки искусственной компенсации реактивной мощности такая печь может работать с высоким коэффициентом мощности, достигающим 0,95 , и минимально выраженным явлением «мертвой» и «дикой» фаз.

Длина рабочего конца электродов у закрытой печи несколько больше, чем у открытой, что сказывается на увеличении потерь электроэнергии. Но в то же время в закрытой печи резко снижается индуктивное сопротивление короткой сети, т.к. шихтованный пакет шин доводится почти до центра свода печи.

Параметры ванны ферросплавной печи и, в частности, внутренний диаметр ванны d_в выбирают исходя из диаметра электрода d_э , диаметра распада электродов d_р , являющегося, в свою очередь, функцией диаметра электрода и рода выплавляемого сплава, и допустимой величины зазора а между и футеровкой.

Т.к. для определения параметров ферросплавной печи еще не создана научно обоснованная методика, их выбирают исходя из условия подобия размеров проектируемых и хорошо работающих печей. Основные параметры печи типа РК3-24 приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1 - Основные параметры печи типа РК3-24.

Ферросплав	Электропечь	Ртр , МВ·А	Ра , МВт	Uн.с., В	Imax , кА	Размеры ванны, м*	H, м	Dэ , м	dр , м
ФС 45	РК3-24	24,0	22,0	127-240	86	8,9/7,2	2,6	1,4	3

Примечание:

Р_а - активная мощность электропечи;

U_н.с - напряжение на низкой стороне;

I_max - максимальная сила тока на электроде;

H, - глубина ванны;

D_э - диаметр электрода;

d_р - диаметр распада электрода.

Как правило, диаметр электрода выбирают, исходя из допустимой плотности тока на 1 см² поперечного сечения электрода, величину которой снижают с увеличением диаметра электрода.

Допустимая плотность тока в электроде зависит от его материала и диаметра и составляет для самоспекающихся электродов 6-8 А/см².

При выборе параметров печи важно правильно определить диаметр распада электродов. Слишком малый диаметр распада электродов приводит к наложению реакционных зон и, следовательно, к очень большой концентрации мощности. В результате температура в этой зоне резко повышается и понижается полезное сопротивление шихты, что приводит к высокой посадке электродов и к повышенным потерям в улет восстановленных элементов и тепла, особенно марганца, кальция, кремния. Выбор завышенного диаметра распада электродов приводит к дополнительным потерям тепла из-за слишком больших размеров ванны печи и к холодному ходу печи, к образованию под электродами отдельных, не связанных между собой реакционных тиглей и к затруднениям с выпуском сплава. В большинстве работ рекомендуется принимать диаметр распада электродов из условия d_р > 2,5·d_{э .}

Для печей с вращающейся ванной диаметр d_р может быть уменьшен до девяти десятых диаметра распада электрода печи аналогичной производительности, но со стационарной ванной. Это возможно, поскольку глубокая посадка электродов обеспечивается охлаждением реакционной зоны надвигающейся шихтой, разрушением хорошо электропроводного карборунда, уменьшением размеров тигля и изменением его формы, а также ввиду уменьшения вязкого и хорошо электропроводного слоя вокруг газовой полости тигля.

Отмеченные выше факторы и постоянное перемещение очагов высокой температуры относительно пода и стен печи облегчают службу футеровки печей с вращающейся ванной и позволяют снизить величину расстояния а от электрода до футеровки печи на 30% против принятой для стационарных печей до (0,8-1,0) d_э применительно к бесшлаковым процессам (выплавка ферросилиция ФС 45).

Для выбора диаметра ванны рекомендуются следующие соотношения:

1. Для стационарных печей при бесшлаковом процессе

d_в = d_р + d_э + 2а = d_р + 2,7d_э .

2. Для печей с вращающейся ванной (печь типа РК3-24) при выплавке 45%-ного ферросилиция (бесшлаковый процесс)

d_в ? 0,9d_р + 2,5d_э .

Отечественная практика и зарубежные данные показывают, что диаметр ванн для закрытых печей (РК3-24) обычно увеличивают на величину до 1,0·d_э сравнительно с аналогичными открытыми печами.

Наружный диаметр печи выбирают равным d_в плюс двойная толщина футеровки, которая определяется мощностью печи и технологическими особенностями процесса.

Глубину h ванны определяют в зависимости от диаметра электрода и плотности тока в нем, рода выплавляемого сплава и мощности печи. Обычно для закрытых печей (печь типа РК3-24) высоту h определяют по условиям обеспечения надлежащего подсводового пространства, что приводит к ее увеличению примерно до 2,5-2,7 d_э [5, 6, 14,15].

1.5 Футеровка печи, система охлаждения, газоочистка

Конструкция и качество футеровки печи во многом определяют технико-экономические показатели производства ферросплавов. Выбор огнеупорных материалов для футеровки печи определяется технологией выплавки сплава, составами шлака и сплава. Так, горн печи, выплавляющей ферросилиций (ФС 45), выкладывают из угольных блоков.

Рабочим слоем футеровки печи служит так называемый гарнисаж, т.е. настыль, образованная из проплавляемой руды и сплава. Характерная особенность футеровки рудовосстановительной ферросплавной печи - относительно большая толщина подины. Большая толщина футеровки обеспечивает большую тепловую инерцию; аккумулированное тепло облегчает сохранение устойчивой температуры в плавильной зоне печи при кратковременных простоях ее. Общая толщина футеровки подины достигает 1,8 м (1,2 м - угольные блоки и 0,6 м - теплоизоляция).

Запорожский ферросплавный завод выполняет футеровку следующим образом. На кожух настилают слой асбеста толщиной 10 мм, насыпают слой шамотной крупки толщиной 60 мм и слегка утрамбовывают. выше кладут 8-11 рядов шамотного кирпича на плашку. Толщина шамотной подушки зависит от глубины ванны. Нижние 5-8 рядов кирпича кладут всухую с засыпкой швов шамотным порошком, а верхние 3 ряда - на растворе. Одновременно с кладкой подины выкладывают стены. Кожух обклеивают асбестовым листом. Между асбестом и шамотным слоем толщиной 230 мм оставляют зазор 80 мм для засыпки шамотной крупкой.

На шамотную кладку подины наносят 10-мм слой смеси графита с жидким стеклом и устанавливают вперевязку угольные блоки 400х400х1400 мм. Горизонтальные швы между рядами блоков стремятся сделать минимальными; вертикальные швы допускаются шириной 50 мм. Швы утрамбовывают нагретой подовой массой (электродная масса, содержащая не более 6-7 % летучих) с помощью нагретых трамбовок. Шамотную кладку стен выполняют на растворе. Стены выкладывают угольными блоками на высоту около 1300 мм. Выше угольных блоков стены выкладывают из шамотного кирпича (доменного). Высота этой кладки не менее 650 мм. Для выхода газов при разогреве печи в шамотной кладке стен оставляют по всей высоте 10-12 вертикальных каналов, которые после сушки засыпают шамотной крупкой.

По окончании кладки ванны угольные блоки облицовывают шамотным кирпичом (65 мм) для защиты от окисления во время разогрева.

Для контроля за разогревом в середину шамотной кладки подины закладывают термопару.

Выпускную летку и желоб выкладывают из угольных блоков. Для облегчения схода металла при выпуске устраивают небольшой наклон подины в сторону выпускной летки.

Разогрев новой печи ведут в течение 1,5-2 суток дровами, а затем в течение 3,5 суток на коксе под током, постепенно повышая мощность. На разогрев печи расходуется приблизительно 150 тыс. кВт-ч электроэнергии. За это время температура в середине шамотной кладки подины поднимается до 300 єС.

Срок службы подины 3-4 года и более [2, 4, 6, 12].

Система охлаждения.

Температура в зоне работы электродержателя на печи достигает 400єС, а в случае образования свищей может подниматься до 1000єС.

Поэтому для нормальной работы электродержателя и токоподвода его необходимо охлаждать.

Cхема водоохлаждения шестищекового электродержателя.

Контактные щеки охлаждаются последовательно попарно, т.е. вода из токоведущей трубы поступает через латунную трубу в одну щеку, а по выходе из нее - в во вторую щеку и через токоведущую трубу - в водосборник. Также последовательно в целях лучшего использования теплоемкости воды охлаждаются и другие детали.

На закрытой печи дополнительно устраивают цепи водяного охлаждения свода, загрузочных воронок и труботечек, водяного затвора и газоотвода. В отдельных случаях применяют охлаждение кожуха печи и абразуры летки.

На каждую цепь водяного охлаждения вода подается из распределительной колонки и каждая питающая ветвь снабжена вентилем, позволяющим регулировать подачу воды. На участках гибких шин вода подается и отводится по резиновым шлангам, защищенным изоляцией из асбестового шнура.

Во избежание отложения накипи на стенках охлаждаемых деталей и трубопроводов температура отходящей охлаждающей воды не должна превышать 50єС. Охлаждающую воду желательно химически обрабатывать, вводя в нее стабилизирующие добавки. Давление воды в питающих ветвях должно составлять не менее 300 кПа (3 ат) [2].

Газоочистка.

Ферросплавные электропечи - крупные источники пылегазовых выделений. Наибольшее количество пылегазовых выделений приходится на углеродотермические процессы (табл.1.2, 1.3).

Горячие газы, выходящие из закрытой электропечи (РК3-24), имеют температуру 300-600 єС; они ядовиты из-за высокого содержания оксида углерода (70-90%), смесь газа с воздухом является взрывоопасной, газ содержит большое количество мелкодисперсной пыли. Поэтому, прежде чем подвести газ к месту потребления, необходимо предварительно охладить его и очистить от пыли.

Таблица 1.2 - Характеристика колошникового газа, образу-ющегося при выплавке ФС 45 в рудовосстановительной печи закрытого типа.

Ферросплав	Выход газа на 1т сплава, м3	Температура газа на выходе из печи, єС	Средний химический состав газа, % (об.)	Начальное содержание пыли, г/м3
			CО	CО2	О2	Н2	CН2	N2
Ферросилиций ФС 45	800	600	85	3	1	4	0,5	5	20

Таблица 1.3 - Химический состав пыли при выплавке ферросилиция марки ФС 45.

Сплав	Массовая доля, %
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	Cr2O3	MnO	SO3
ФС 45	72,8-91,35	0,24-6,8	1,52-6,8	1,92-4,0	3-13	--	--	1,5-6

Для очистки технологических газов в цехах по производству ферросилиция (ФС 45) применяются мокрые и сухие системы газоочистки. На закрытых печах работают, как правило, мокрые газоочистки, оснащенные трубами Вентури

При этом способе пыль от газа отделяется в трубах Вентури. Запыленный газ отсасывается из печи с помощью центробежной газодувки через водоохлаждаемый газосборник в своде. Затем через орошаемый наклонный газоход он подается в шламоуловитель и трубу-распылитель Вентури. После каплеуловителя чистый газ поступает к потребителю.

Применяемые системы мокрой газоочистки обеспечивают конечную запыленность газа 10-15 мг/м³ при расходе воды 40-50 м³/ч. преимущество мокрой газоочистки состоит в том, что колошниковый газ в контакте с водой сразу же охлаждается. Однако в дальнейшем воду необходимо очищать от твердых частиц и растворенных веществ, чтобы обеспечить работу газоочистки с оборотным водным циклом.

По мере прохождения газа через элементы газоочистки и соприкосновения его с распыляемой форсунками водой, он охлаждается до 60-70єС и очищается.

Колошниковые газы печей, выплавляющих ферросилиций, предполагается очищать мокрым способом с обильным охлаждением в начальной стадии.

В отходящей воде от газоочисток содержится до 2500 мг/л взвешенных веществ, после очистки - не более 350 мг/л. Концентрация пыли в отходящих газах закрытых печей до 30 г/м³, в очищенном газе ~ 30 мг/м³, т.е. эффективность пылеулавливания > 99% .

Стоимость мокрой системы газоочистки закрытых печей составляет около 10% от затрат на всю печную установку, а стоимость системы сухой газоочистки открытых печей - 30%. Тем не менее проблема очистки газов ферросплавных печей сухим способом является весьма актуальной.

Очищенный колошниковый газ закрытых ферросплавных печей является высококалорийным топливом с теплотворной способностью 9250-10500 кДж/м³. Он используется при отоплении котлов, в печах обжига извести, а также в трубчатых печах для предварительного нагрева шихты. Использование тепла отходящих печных газов дает возможность компенсировать ~ 20% электрической энергии, подводимой к печи [3, 4, 7, 16, 17].

1.6 Состав оборудования и общая характеристика основных ферро-сплавных цехов по производству ферросилиция (ФС 45)

Производственный процесс в цехе по производству ферросилиция включает три последовательные стадии: подготовки шихтовых материалов, плавки подготовленной шихты в электропечи и разделки готового сплава. В соответствии с этим ферросплавный цех состоит из отделения шихтоподготовки, плавильного корпуса и склада готовой продукции.

1.6.1 Отделение шихтоподготовки

Отделение шихтоподготовки феросплавного цеха по производству ФС 45 предназначено для хранения, подготовки и дозирования шихтовых материалов.

На отечественных ферросплавных заводах используют два различных варианта проектных решений шихтового хозяйства. На старых заводах каждый цех имеет собственный закрытый склад шихты, на открытом заводском складе обычно хранятся лишь те материалы, которые необходимы для работы нескольких цехов. Новые заводы отличаются централизованным хранением, подготовкой и распределением материалов по цехам.

Шихтовое хозяйство ферросплавного цеха по производству ферросилиция, оборудованного рудовосстановительными печами с централизованным обеспечением шихтой, включает напольный открытый склад сырых материалов (ССМ), корпус вагоноопрокидывателей (ВО), закрытый склад, корпус подготовки материалов (КПМ), корпус шихтовых бункеров (КШБ) с подготовленными материалами, дозировочные отделения (ДО) или дозировочные пункты (ДП), которые могут быть сов-мещены с КПМ или КШБ.

Напольный открытый склад сырых материалов служит для создания на заводе необходимого запаса сырых материалов, поставляемых из отдаленных районов, а также ведущих рудных материалов, суточный расход которых значителен. Материалы на этом складе хранятся в штабелях, разгружаются из вагонов козловыми грейферными кранами и в дальнейшем подаются железнодорожным транспортом через корпус ВО или по конвейерным галереям в ССМ.

При проектировании цеха по производству ферросилиция для хранения шихтовых материалов предусматривается три типа складов: закрытый грейферный с железнодорожной колеей, проходящей посередине склада; закрытый бескрановый ангарного типа с конвейерной подачей и выдачей сырых материалов; открытый с конвейерной подачей сырых материалов и мостовым грейферным перегружателем, который принимает, штабелирует и выдает материалы на подготовку.

В дипломной работе для хранения шихтовых материалов используется склад.

Корпус ВО представляет собой здание ангарного типа с двумя сквозными железнодорожными путями, на каждом из которых установлен роторный стационарный ВО. С помощью ВО материал из вагона выгружается в подземные бункера, оборудованные тарельчатыми питателями, и далее конвейерами большой производительности направляется на ССМ.

В корпусе ССМ обычно не имеется железнодорожного въезда, а склад оборудован грейферными кранами, с которых материал подается в КПМ.

В КПМ установлено сушильное, дробильное и классифицирующее оборудование, тип и количество которого определяются видами применяемых шихтовых материалов. Для дробления кокса используют четырехвалковые дробилки 13Д 900/700 с диаметром валков 900 мм, разгрузочной щелью до 50 мм, производительностью 35 т/ч; кварцита - конусные дробилки ККД-500 с разгрузочной щелью 75 мм, производительностью 150 м³/ч; стружки - стружкодробилки СМ-2 с разгрузочной щелью 25 мм, производительностью 1,5-5 т/ч. Для сортировки кокса применяют вибрационный грохот ГВР-1 производительностью 300 т/ч. Транспортные пути восстановителя и рудного материала во избежания их преждевременного перемешивания из-за просыпи во время разрыва ленты не должны пересекаться.

На ферросплавных заводах применяется порционное и непрерывное дозирование шихты. В настоящей дипломной работе дозировка шихты осуществляется непрерывно.

При непрерывном дозировании составляющие шихты выдаются ленточными автоматическими дозаторами непрерывного действия, работающими с заданной производительностью. Для непрерывного дозирования используют дозаторы типа ДН-23 производительностью 65 т/ч (для кокса), 100 т/ч (для кварцита), 125 т/ч (для стружки). При одновременном дозировании заданное соотношение производительностей всех работающих дозаторов, соответствующее требуемому соотношению навесок компонентов в калоше шихты, соблюдается постоянным с помощью электронного регулятора соотношения.

Расчет шихты на определенную навеску ведущего компонента производит решающее устройство, в которое вводят требуемую величину соотношения компонентов шихты.

Регулятор соотношения управляет группой работающих дозаторов по выходному сигналу ведущего дозатора. При любом мгновенном отклонении производительности ведущего дозатора регулятор соотношения пропорционально изменяет производительность остальных дозаторов. Все компоненты шихты выдаются на движущуюся конвейерную ленту и направляются в приемные бункера печей. На ленте компоненты шихты, дозируемые одновременно в заданном соотношении, располагаются в виде слоя смешанных материалов. В приемных бункерах печей шихта представляет собой достаточно однородную смесь с требуемым соотношением компонентов шихты.

В случае небольших и средних грузопотоков шихты все печи плавильного корпуса обслуживаются одной линией шихтоподачи; при больших грузопотоках такая линия обеспечивает шихтой каждые две печи. Применяются три варианта подачи сдозированной шихты в печные бункера: кольцевой, линейный, скиповый. При кольцевой и скиповой подачах шихты отделение шихтоподготовки расположено параллельно плавильному корпусу, а при линейной - в одну линию с плавильным корпусом.

В дипломе применяется скиповая шихтоподача. При скиповой подаче компоненты шихты дозируются в отделение шихтоподготовки, а шихта в плавильный корпус передается скиповым подъемником. При этом обеспечивается автоматическая подача шихты в печные карманы. Каждая печь обслуживается отдельной группой бункеров готовой шихты.

Себестоимость хранения, подготовки, дозировки и транспортировке шихтовых материалов в печные карманы при скиповой подаче меньше, чем при конвейерной. При движении шихты по конвейерному тракту за счет истирания образуется дополнительно 3-10 % коксовой мелочи фракции меньше 5 мм. За счет налипания на ленту промасленной стружки и кокса их потери увеличиваются на 4,5% и 3% соответственно.

Применение скиповой подачи сыпучих материалов позволяет приблизить склад шихты и дозировочное отделение к плавильному корпусу.

1.6.2 Плавильный корпус

Плавильный корпус представляет собой основную часть ферросплавного цеха и предназначен для размещения и обслуживания электропечей, а также для приема и разливки готового сплава и удаления шлака. В общем случае плавильный корпус ферросплавного цеха состоит из следующих пролетов: печного, разливочного, трансформаторного, шихтового и остывочного. С ростом мощности ферросплавных печей объемно-планировочные решения здания плавильного корпуса совершенствовались по пути сокращения числа пролетов за счет выноса шихтового и разливочного пролетов за пределы здания и ликвидации остывочного пролета.

Плавильный корпус ферросплавного цеха по производству ферросилиция (ФС 45) с закрытыми рудовосстановительными печами средней мощности 16,5-27 МВ·А (в дипломе используется печь типа РК3-24) имеет два пролета одинаковой высоты: печного и разливочного (см. рис.1.3).

Печной пролет служит для размещения и обслуживания плавильных электропечей. Последние располагаются обычно вдоль цеха в линию. В зависимости от типа и мощности установленных печей ширина печного пролета принимается равной 15, 18, 24 и 30 м. Он всегда выполняется многоэтажным. В дипломе ширина печного пролета принимается равной 18 м.

На нулевой отметке пролета расположены фундаменты плавильных печей (для вращающихся печей они заглублены), механизмы выкатки металловозных и шлаковозных тележек, оборудование и механизмы газоочисток, подсобные помещения.

Для обслуживания летки устанавливается сплошное перекрытие или местная горновая площадка. Здесь расположены устройства для открывания и закрывания летки, узлы для приготовления леточной массы, системы шламосборников, бытовые помещения для отдыха плавильной бригады. В зависимости от мощности печи площадка располагается на высоте 2,5-6,6 м. В дипломной работе площадка располагается на высоте 4,5 м.

Рабочая площадка, предназначенная для обслуживания печи, наблюдения за технологическим и электрическим режимами, представляет собой сплошное перекрытие и располагается на уровне 7,5 м. На ней установлены пульты управления печами (обычно одно помещение на две печи), наклонные газоходы для отвода газа из-под свода, зонт для удаления газов, выбивающихся из печи, загрузочные труботечки с приемными воронками, помещения для инженерно-технического и дежурного персонала, тельфера для производства ремонтных работ.

Для обслуживания механизмов перемещения и перепуска электродов служит электродная площадка, представляющая собой сплошное перекрытие, расположенное на высоте 16,5 м. В новых цехах с печами, оборудованными гидравлической системой перемещения и перепуска электродов, устанавливаются местные площадки.

Перекрытие на отметке 24 м служит для крепления печных карманов, размещения системы конвейеров подачи шихты в них, монтажа вентиляционных установок, наращивания электродных кожухов и загрузки электродной массы с помощью мостового крана. Все перекрытия имеют сквозные проемы по торцам цеха для обеспечения печей электродной массой. Над каждой печью расположены также проемы для выполнения различных транспортных операций при ремонтах.

Разливочный пролет предназначен для приема из печного пролета металла и шлака, их первичной обработки, разливки сплава и передачи его на склад готовой продукции, подготовки и подачи к печам разливочной посуды, текущего ремонта посуды, приема необходимых материалов и сменного оборудования для нормальной эксплуатации оборудования плавильного корпуса.

Ширина разливочного пролета принимается равной 27 м. Ширина пролета зависит от насыщенности оборудования, числа технологических операций со сплавом и шлаком, количества и объема разливочной посуды.

В цехах для разливки ферросплавов используются конвейерные разливочные машины (рис.1.10). При этом значительно повышается механизация и производительность труда, улучшаются его условия в разливочном пролете, поскольку сплав разливают не с помощью крана, а специальными гидравлическими кантователями, которые помещены в герметизированные камеры. Существенным недостатком машины конвейерного типа является переменная высота падения сплава при разливке, что вызывает сильное его разбрызгивание.

Машина состоит из следующих основных узлов: кантовального устройства 1 с ковшом 2 и желобом 8; цепи конвейера 3 с опорными роликами 4; приводной станции 5; течки 6; натяжной станции 7; опрыскивателя, с помощью которого покрывают внутреннюю поверхность изложниц известковым раствором; устройства для охлаждения слитков и отсоса газов. Кантовальное устройство машины расположено в разливочном пролете, а головка машины с приводной станцией - на складе готовой продукции, где остывшие слитки по течке сбрасываются в короба. Скорость остывания слитков зависит от марки сплава, поэтому конвейеры разливочных машин имеют три-четыре скорости

Максимальная производительность такой машины обеспечивается при толщине слитка 70-80 мм и составляет для ФС 45 ~ 80 т/сут. Температура сплава перед разливкой должна составлять ~ 1400єС. Потери при разливке на машине достигают 3%, к тому же товарный вид получаемых слитков значительно ухудшается из-за опрыскивания мульд известковым молоком. В ферросплавных цехах по производству ферросилиция (ФС 45) установлены конвейерные машины длиной 40 и 70 м с одной или двумя лентами. Техническая характеристика этих машин представлена в табл.1.4.

Таблица 1.4 - Техническая характеристика разливочных машин конвейерного типа.

Показатель	Длина машин
	40	70
Скорость движения конвейерной ленты, м/с Масса слитка одной изложницы, кг при разливке: 45%-ного ферросилиция Производительность, т/ч при разливке: 45%-ного ферросилиция Расход воды на охлаждение мульд, м3/ч Число изложниц в цепи Мощность двигателей, кВт Масса машины с чугунными изложницами, т	0,083; 0,041; 0,031; 0,02 45 32,6 / - 130 2 х 210 85/12; 11/8; 14/6; 18/4 207,8	0,054; 0,083; 0,18 - - / 23 162 / - 726 18,9; 26,6; 32,4; 79,1 504

Примечание. Числитель - данные для двухленточной машины, знаменатель - для одноленточной. В дипломе используются двухленточные машины длиной 40 м.

Для приема готового сплава при выпуске из печи на ферросплавных заводах используют ковши различной вместимости. Вместимость самого большого ковша достигает 20м³. Ферросилиций (ФС 45) выпускают в ковш, футерованный шамотным кирпичом или графитовой плиткой.

Кирпичная кладка различных ковшей в ферросплавных цехах имеет ряд недостатков. К ним относятся: интенсивное размывание швов кладки, необходимость в труде высококвалифицированных каменщиков, трудоемкость чистки от настылей, высокая стоимость.

С целью механизации работ пор замене футеровки, ее удешевления и повышения стойкости используют наливную футеровку из самотвердеющих смесей. В состав жидких самотвердеющих смесей входят наполнитель (смесь кварцевого песка и кварцитовых отсевов), связка (жидкое стекло) и отвердитель (кремнефтористый натрий или шлак производства рафинированного феррохрома). Наливная футеровка выполняется при помощи шаблона, вставленного в кожух. Период затвердевания массы составляет 40-60 мин. Наливная футеровка при разливке 45%-ного ферросилиция выдерживает 95 плавок.

Чаще всего для приемки сплава и шлака используют ковш и чаши, отлитые из стали 35 Л. Ковши и чаши подаются к печам самоходными тележками по рельсовому пути. Для стационарных печей рельсовый путь выполняется прямым, для вращающихся печей - круглым. Тележки, подаваемые под летку для каскадного выпуска сплава и шлака, вмещают от одного до трех ковшей.

Склад готовой продукции

Склад готовой продукции обычно представляет собой однопролетное здание, располагающееся параллельно плавильному корпусу и соединяющееся с ним галереями разливочных машин. Склад оборудован мостовыми кранами грузоподъемностью 20/5 т и устройствами для приема, дробления, сортировки и упаковки готового сплава. Слитки металла с разливочных машин подают в короба, установленные на самоходных тележках. Каждая разливочная машина оснащена двумя-тремя тележками для обеспечения непрерывного приема металла. Готовая продукция цеха хранится в приемных бункерах. Дробление и сортировка сплава производятся с помощью бутобоя, щековых дробилок, грохотов. Склад обычно оборудуется одними приемными весами, обслуживающими две разливочные машины, и платформенными весами для взвешивания отправляемой в вагонах продукции [3, 7].

2 Специальная часть

2.1 Сортамент ферросилиция

В ферросплавной промышленности (ОАО «Запорожский завод ферросплавов») выплавляют ферросилиций различных марок ФС 20, ФС 25, ФС 45, ФС 65, ФС 70.

Химический состав ферросилиция различных марок приведен в табл.2.1.

Таблица 2.1 - Химический состав ферросилиция различных марок

Марка	Si, %	Массовое содержание, % (не более)
		C	S	P	Al	Mn	Cr
ФС 20	23-25	1,0	0,02	0,1	1,0	1,0	--
ФС 25	23-27	0,6	0,02	0,06	1,0	0,8	1,0
ФС 45	41-47	--	0,02	0,05	2,0	0,6	0,5
ФС 65	63-68	--	0,02	0,05	2,5	0,4	0,4
ФС 70	68-74	--	0,02	0,05	2,0	0,4	0,4

В данной дипломной работе рассматривается технология производства ферросилиция марки ФС 45.

2.2 Характеристика сырья, стандарты, технические условия на сырье

Для выплавки ФС 45 используют наиболее дешевые и в то же время богатые по кремнезему материалы - кварц и кварцит, главной составляющей которых является кварц - широко распространенный минерал, представляющий собой более или менее чистый кремнезем SiO₂.

Кварц - плотный минерал кристаллического строения с плотностью 2,65 г/см³ и твердостью 7. Кварц имеет относительно высокую стоимость, поэтому его применяют при производстве кристаллического кремния.

Кварцитами называют кремнистые песчаники, в которых цементируемое вещество и цемент представлены минералами кремнезема. С увеличением содержания SiO₂ в кварците увеличивается извлечение кремния и производительность печи и снижается удельный расход электроэнергии.

Для выплавки ферросилиция пригодны не все кварциты, т.к. различные их типы, даже одинакового химического состава, отличаются друг от друга поведением в плавке - в стадии как нагревания, так и восстановления при высоких температурах. Поэтому для выплавки ферросилиция марки ФС 45 используют кварцит марки КФ. Запорожский ферросплавный завод использует кварцит крупностью 25-70 мм. Обычно предварительно его подвергают мойке, дробят и сортируют. Дробление кварцита осуществляется на щековых и конусных дробилках, грохочение - на вибрационных грохотах и во вращающихся барабанах, в которых одновременно осуществляется и мойка.

Ниже приведен химический состав кварцита по отраслевому стандарту (ОСТ 14-49-80), действующему с 01.01.81, а в табл. 2.2 - химический состав кварцита Овручского месторождения.

Марка кварцита КФ

Массовое содержание, %:

SiO₂ (не менее) 97,0

Al₂O₃ (не более) 1,8

P₂O₅ (не более) 0,02

Засоренность (глина, песок и т.п.) 1,0

Таблица 2.2 - Химический состав кварцита Овручского месторождения.

Месторождение	Массовое содержание, %
	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO	TiO2	P2O5
Овручское	97,34	0,55	1,44	0,29	0,36	0,08	--

При выплавке ферросилиция ФС 45 основным восстановителем является коксик-орешек. Коксик (полукокс) подвергают грохочению для отсева мелочи и крупной фракции, которую направляют для дробления на валковые дробилки. После дробления коксик вновь подвергают рассеву на вибрационных грохотах. Размеры кусков коксика следует подбирать в зависимости от его физико-химических свойств, мощности и рабочего напряжения печи.

По ГОСТу коксовый орешек должен поставляться с содержанием влаги в среднем около 11%, золы - не более 11%, в кусках размером 10-25 мм, причем содержание мелочи (куски размером менее 10 мм) допускается до 10%.

Если в коксике много мелочи, то затрудняется выход газов, нарушается ход печи. Наличие крупных кусков нежелательно, т.к. увеличивается электропроводность шихты, электроды поднимаются вверх, снижается производительность печи. Запорожский завод для 45%-ного применяет коксик с рабочей фракцией 5-25 мм.

Также при производстве ферросилиция применяют и другие восстановители. Восстановитель должен обладать высокими электрическим сопротивлением и реакционной способностью по отношению к оксиду кремния, иметь низкую (1-3 %) и постоянную влажность.

Целесообразно использование кокса, полученного из бурых, длиннопламенных, газовых и слабоспекающихся углей.

Широкое применение при выплавке ФС 45 нашел ангарский полукокс, обладающий высоким электрическим сопротивлением и благоприятным составом золы, содержащей примерно 76% SiO₂. Его использование позволило значительно улучшить технико-экономические показатели производства.

Состав различных видов восстановителей приведен в табл. 2.3.

Таблица 2.3 - Химический состав кварцита Овручского месторождения.

Восстановитель	Влага рабочая, %	Состав абсолютно сухой массы, %
		зола	S	P	лету-чие	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	P
Кокс:
Донбасса	5	9-10	1,8	0,015	1,6-2	34-38	18-27	18-30	2-6	1-3	0,1-0,2
нефтяной	3,1	0,16	0,58	0,005	3,6	12-30	6-20	7-12	2-4	4-6	0,33
Коксик:
Запорожский	19	11	2,4	0,020	1,8	38	28	25	4-5	3	0,6
полукокс ангарский	9	27	0,8	0,030	5,6	75	11,2	7,8	1,0	2,1	0,01

Запорожский ферросплавный завод применяет в качестве составляющих шихты отходы графитации, образующиеся на электродном заводе, и карборундовые "сростки" с абразивного завода. Состав этих материалов приведен в табл. 2.4.

Таблица 2.4 - Состав отходов, содержащих карбид кремния.

Наименование	Химический состав, %
	SiC	SiO2	FeO	Al2O3	Ссвоб.
Отходы графитации	20-27	3-35	5-6	1-2	20-28
"сростки"	50-55	20-30	1-1,5	1-1,5	10-16

Применение карборундосодержащих отходов экономически выгодно, т.к. они дешевы и содержат восстановленный в другом агрегате кремний.

Основным железосодержащим компонентом шихты при выплавке ферросилиция является стружка высокоуглеродистых сталей.

Необходимость включения в состав шихты металлического железа (стружки), а не оксидов (руды, агломерата, окатышей), объясняется тем, что кислородные соединения при сравнительно низких температурах могут легко взаимодействовать с SiO₂ с образованием силикатных расплавов.

Нельзя допускать использования чугунной стружки и стружки легированных сталей, а также загрязнения стружкой цветных металлов, т.к. фосфор из чугунной стружки, легирующие и цветные металлы переходят в сплав. Желательно использование стружки и отходов кремнистых сталей.

Стружку необходимо дробить на стружкоизмельчителе до 50 мм или отсевать от витой стружки.

Нецелесообразным является и применение железной руды, т.к. она вносит большое количество шлакообразующих требует дополнительных значительных затрат электроэнергии и восстановителя на восстановление оксидов железа и нагрев шлака. Замена стружки железной рудой при выплавке ФС 45 привела к увеличению расхода электроэнергии до 27828 МДж/т (7730 кВт ·ч/т), т.е. примерно на 10800 МДж/т (3000 кВт ·ч/т). Применение железной руды ухудшает качество сплава вследствие восстановления примесей из нее, а пылеватые руды, кроме того, резко снижают газопроницаемость колошника. В связи с этим при дефиците железной стружки более перспективно использование в качестве железосодержащих материалов отходов из огневой зачистки стали, металлизированных окатышей или железистых кварцитов.

Ниже приведен состав шихты при выплавке ферросилиция ФС 45, кг:

Кварцит 300

Кокс сухой 138

Стружка стальная 168

[2-5].

2.3 Физико-химические основы получения ферросилиция ФС 45

Ферросилиций получают восстановлением кремнезема, содержащегося в кварците, твердыми углеродистыми восстановителями в присутствии стальной стружки.

Восстановление кремнезема твердым углеродом в условиях электрической печи протекает по следующей суммарной реакции:

SiO_2(ж) + 2 С_(Т) = Si_(ж) + 2 СO_(г) ,

для которой Д G є = 666664 - 364,96 Дж/моль (159230 - 87,17·Т кал/моль) и теоретическая температура ее начала равна 1554 єС.