При углеродотермическом производстве кремния, кремнистых ферросплавов и карбида восстановителем является свободный углерод. Источником кремния при таком производстве является чистый кварц или кварцит с высоким содержанием кремнезема (> 97 %). В связи с тем, что растворимость углерода в кремнии невелика, а кремний нерастворим в кремнеземе, восстановление SiO₂, в этих условиях описывается реакцией

SiO_{2 (т, ж)} + 2С = Si _(ж) + 2СО. (1)

Эта реакция была подробно изучена, в результате чего твердо установлено, что применительно к кремнистым ферросплавам реакция (1) описывает только стехиометрию процесса. Восстановление же кремния углеродом протекает по сложной схеме с образованием промежуточных газообразных и конденсированных соединений.

Константа реакции (1) в соответствии с законом действующих масс может быть описана уравнением

.

Она для температур ферросплавного производства с использованием известного выражения - RTlnK_p = G и уравнений энергии Гиббса

?G = 709870 - 365,44Т;

?G = 683470 - 352,42Т;

Из уравнений энергии Гиббса и константы следует, что реакция (1) - типичная эндотермическая реакция. Для таких реакций характерны уменьшение энергии Гиббса с повышением температуры и увеличение константы. Реакция (1) в сторону восстановления кремния будет термодинамически возможной после того, как энергия Гиббса станет отрицательной (G < 0), а константа К_{р (4.30)} = 1,0. В связи с тем, что в реакции (1) участвуют чистые вещества, а кремний как со вторым проду2ктом реакции, так и с исходными веществами (SiO₂, С) растворов не образует, , a_С = 1, К_{р (4.30)} = Р. В этих условиях восстановление возможно лишь тогда, когда будет превышать внешнее давление. Из уравнений энергии Гиббса, константы реакции несложно найти температуру, выше которой реакция (1) может протекать в сторону получения кремния. Для этого необходимо принять соответственно G = 0, К_{р (1)} = 1, Р_СО = 101,325 кПа.

Решая уравнения, получим, что реакция (1) становится термодинамически возможной при Т > 1942 К. Эту температуру ферросплавщики обычно называют теоретической температурой начала реакции.

При этой температуре равновесное для реакции (1) давление становится равным атмосферному, а при более высоких температурах превышает его. Последнее убедительно следует из результатов расчетов, приведенных ниже:

Видно, что при температуре на 50 - 100 К выше теоретической температуры начала реакции давление выделения будет в 1,9 - 3 раза превышать атмосферное. Следовательно, реакция (1) термодинамически возможна при нагревании исходных веществ более 1942 К, а при температурах на 50 - 100 К выше ее должна протекать с большой скоростью. Однако исследование продуктов взаимодействия SiO₂ с углеродом, а также изучение скорости реакции (1) показали, что даже при температуре, на 100 К превышающей теоретическую температуру ее начала, последняя протекает крайне медленно, а в ее продуктах кремний не обнаруживается.

Вероятно получить кремний по реакции (1) при температурах на 50 - 100 К выше теоретической температуры ее начала (1942 К) не удается по причинам, связанным как со свойствами исходных и получаемых веществ, так и с особенностями процессов, протекающих при восстановлении. Часто в качестве таких факторов приводят то, что кремнезем даже при температурах на 200 К выше его Т_пл имеет исключительно высокую вязкость (~ 10⁴ Па·с). При высокой вязкости жидкого SiO₂ скорость его прямого взаимодействия с углеродом по реакции (1) невелика. Она лимитируется скоростью диффузии веществ к поверхности восстановителя и скоростью отвода из зоны реакции одного из продуктов - кремния.

Действительно, восстановление кремния значительно облегчается, если оно осуществляется в присутствии растворителя, удаляющего его из зоны реакции, например, железа, как известно кремний образует с железом силициды: Fe₂Si, FeSi, Fe₂Si₅, Fe₅Si₃ и FeSi₂ - с выделением значительного количества тепла. Так, энтальпия образования из элементов моносилицида и дисилицида настолько значительна, что выделяющегося тепла достаточно для их нагрева на 1000 - 1200 К. В результате этого восстановление кремния становится возможным при более низких, чем реакция 4.30, температурах. Образование силицидов, так же как и растворение кремния, сопровождается понижением его активности.

Однако эксперименты показывают, что в лабораторных условиях получить не только кремний, но и сплавы с содержанием 50 - 60 % Si не удается. Чтобы выяснить причины этого, а также правильно оценить факторы, влияющие на восстановление кремния и его механизм, необходимо в комплексе рассмотреть все процессы, протекающие при восстановлении. Как показали многочисленные исследования, восстановление кремнезема углеродом может происходить наряду с реакцией (1) также по реакциям

SiO_{2 (т, ж)} + 3С _(т) = SiС _(т) + 2СО, (2)

?G = 587270 - 326,92Т; lg К_р = - 30670/Т + 17,07.

SiO_{2 (т, ж)} + С _(т) = SiО _(г) + СО, (3)

?G = 660050 - 324,59Т; lg К_р = - 34470/Т + 16,95.

Продуктами взаимодействия реакции (2) являются твердый карбид и газообразный оксид углерода. Реакция (2) как и (1) - типичная эндотермическая. Ее энергия Гиббса уменьшается с повышением температуры, а величина константы, наоборот, растет. В ходе реакции (3) образуются два газообразных продукта (SiО и СО). Эта реакция - реакция газификации. Она является типичной эндотермической. Ее энергия Гиббса с повышением температуры уменьшается, а при 2034 К меняет знак на обратный. Константа К_р, наоборот, растет, а при 2034 К равна единице. Реакции (1), (2) и (3) считаются основными реакциями при восстановлении кремния. В ходе2 восстановления по данным реакциям образуются новые конденсированные и газообразные вещества, которые могут вступать во взаимодействие как с исходными веществами, так и между собой. Поэтому на условия восстановления кремния по реакции (1) могут влиять не только реакции (2) и (3), но и целая группа сопутствующих реакций. Чтобы найти все возможные сопутствующие реакции, необходимо попарно рассмотреть взаимодействие продуктов реакций (1), (2), (3) между собой и с исходными веществами - кремнеземом и углеродом.

Следовательно, при рассмотрении равновесия трех основных реакций необходимо дополнительно учитывать следующие сопутствующие реакции

2SiO_{2 (т, ж)} + SiС _(т) = 3SiО _(г) + СО (4)

?G = 1398300 - 649,95Т; lg К_р = - 73020/Т + 33,94;

2?G = 1360620 - 631,86Т; lg К_р = - 71050/Т + 32,95;

SiO_{2 (т, ж)} + Si _(ж) = 2SiО _(г), (5)

?G = 615650 - 286,92Т; lg К_р = - 32150/Т + 14,98;

?G = 596810 - 277,50Т; lg К_р = - 31165/Т + 14,49;

Si2O _(г) + 2С _(т) = SiС _(т) + СО, (6)

?G = - 78200 + 0,72Т; lg К_р = 4080/Т + 0,040;

SiO _(г) + С _(т) = Si _(ж) + СО, (7)

?G = 44400 - 37,67Т; lg К_р = - 2320/Т + 1,97;

SiO_г + SiС _(т) = 2Si _(ж) + СО, (8)

?G = 167000 - 76,06Т; lg К_р = - 8720/Т + 3,97;

SiO_{2 (т, ж)} + 2SiС _(т) = 3Si _(ж) + 2СО, (9)

?G = 949650 - 439,04Т; lg К_р = - 49520/Т + 22,926;

?G = 930810 - 429,62Т; lg К_р = 48610/Т + 22,43;

Si _(ж) + С _(т) = SiС _(т), (10)

?G = - 122600 + 38,39Т; lg К_р = 6420/Т - 2,006.

Таким образом, при восстановлении SiO₂ углеродом происходит сложный комплекс реакций, протекающих как в конденсированных, так и в газовых фазах. Большинство реакций, наблюдающихся при восстановлении кремния, являются реакциями эндотермическими и протекают тем полнее, чем выше температура. Условия равновесия как основных, так и сопутствующих восстановлению кремния реакций в значительной мере определяются характером и составом газовой фазы, состоящей в основном из SiO и СО. Состав образующихся в атмосфере печи в ходе углетермического восстановления кремнезема газовых фаз непрерывно изменяется. Он зависит от температуры процесса и состава конденсированных фаз.

1.2.1 Термодинамика фазовых равновесий в системе Fe - Si - O - C

Рассматриваем данную диаграмму, так как в сплаве присутствует железо.

Задача термодинамического анализа процессов восстановления кремнезема углеродом в присутствии железа сводится к рассмотрению фазовых равновесий в системе Fe - Si - O - C с учетом процессов растворения кремния в железе. Состав газовой фазы при этом ограничивается наличием SiO и СО.

Для анализа фазовых равновесий в системе Fe - Si - O - C учитывают шесть реакций, но вместо чистого кремния учитывают раствор кремния в железе, а в константе равновесия активность кремния в железе.

Характеристики минимального количества простых реакций приведены ниже.

1. Восстановление SiO₂ углеродом до SiO_газ:

SiO_2к + С_r = SiO_г + CO; .

2. Восстановление SiO₂ с карбидом кремния до SiO_газ:

2Si2O₂ + SiС = 3SiО_г + СО; .

3. Взаимодействие SiO₂ и [Si] _Fe с образованием SiО_г:

SiO_2к + [Si] _Fe = 2SiO_г; lgK₄ = lg.

4. Восстановление SiО_г углеродом до SiС:

SiO_г + 2С_т = SiC_r + CO_r; lgK₃ = lg.

5. Восстановление Si из SiO_r углеродом с получением кремния, растворенного в железе:

SiO_г + С_т = [Si] _Fe + CO_r; lgK₆ = lg.

6. Взаимодействие SiO_г с SiC_г с получением Si, растворенного в железе:

SiO_г + SiС_т = 2 [Si] _Fe + CO_r; lgK₅ = lg.

Комплекс простых реакций 1 - 6 для анализа фазовых равновесий в системе Fe - Si - O - C отличается наличием раствора кремния в железе, насыщенного углеродом. Таким образом, для анализа системы Fe - Si - O - C с учетом широкой концентрационной области растворов кремния в железе необходимо использовать данные об изменении активности кремния в сплавах системы Fe - Si - O - C. Таким образом, равновесный для сосуществующих конденсированных фаз состав газов в системе Fe - Si - O - C зависит не только от температуры и Р_вн., но и от активности кремния. Реакции (5), (7) и (8), которые на диаграмме Fe - Si - O - C определяют область стабильного равновесия с газовой фазой растворов кремния в железе.

Диаграмма системы Fe - Si - O - C для сплава ФС 70 приведена на рисунке 4

В системе Fe - Si - C_нас. Карбид кремния в равновесных условиях может существовать только при содержании кремния, превышающем его концентрацию в силициде Fe₅Si₃ (23,18 % Si); в сплаве, содержащем менее 23,18 % Si, карбид кремния разрушается по реакции

SiC_т + Fe_ж = [Si] _Fe + C_т.

Рисунок 4 - Диаграмма фазовых и химических равновесий системы Fe - Si - O - C при Р_вн. = 101,3 кПа

Таким образом, область существования SiC зависит от температуры и состава газовой фазы (т.е. окислительного потенциала P_SiO/P_CO), от концентрации кремния в сплавах системы Fe - Si - C_нас.

Из анализа термодинамических расчетов и данных, представленных на рисунке 4, следует, что, с увеличением содержания кремния в сплаве повышается температура, при которой в равновесии с карбидом кремния существует сплав различного состава, а также увеличивается парциальное давление оксида кремния. Это положение хорошо проиллюстрировано Н.В. Толстогузовым данными, представленными на рисунке 5.

1 - SiO _(г) и Т, К в условиях равновесия SiC - [Si] _Fe; 2 - SiO _(г) и Т, К в условиях метастабильного равновесия C - [Si] _Fe;

3 - "теоретическая" температура начала реакции (4.43) (P_CO = 1)

Рисунок 5 - Влияние содержания кремния на минимальную температуру его устойчивости и равновесное SiO в газовой фазе

Для достижения того же содержания кремния в сплаве в равновесии с углеродом (не с SiC) требуются более низкие значения температуры и содержания SiO в газовой фазе. Таким образом, при повышении температуры следует ожидать последовательного протекания следующих стадий восстановления: SiO₂ SiO SiC Si.

При плавке ферросилиция карбид с поверхности кусков кокса "смывается" каплями ненасыщенного кремнием металла. Все это позволяет заключить, что восстановление SiO₂ при плавке сплавов Fe - Si происходит в основном по схеме, представленной на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема восстановления SiO₂ при плавке сплавов Fe-Si

В соответствии с этой схемой образование ферросилиция происходит на последней стадии процесса в результате взаимодействия SiC либо с SiO в присутствии железа, либо с железом

SiC + SiO + Fe = FeSi₂ + CO,

SiC + Fe = FeSi + C_граф.

Из этих реакций следует, что железо растворяет восстановленный кремний, при этом железо разрушает карбиды кремния, что способствует сдвигу реакций в сторону образования кремния.

2. Специальная часть

2.1 Разработка технологии выплавки ферросилиция марки ФС 70

2.1.1 Шихтовые материалы для производства ферросилиция

Плавка ферросилиция процесс бесшлаковый. Он возможен только при применении чистого сырья. Основным видом кремнийсодержащего сырья для получения ферросилиция являются кварциты. Качество кварцита определяется не только химическим составом, но и физическими свойствами. Крупность кварцита вводимого в колошу, составляет 20-80 мм. Обычно предварительно его подвергают мойке, дробят и сортируют. Химический состав кварцита Бакальского месторождения приведен в таблице 1

Таблица 1 - Химический состав, %, кварцита

Возможность использования того или иного восстановителя определяется как экономическими соображениями, так и требованиями технологии. Наиболее важными требованиями к восстановителю, предъявляемыми технологией, являются:

высокое электрическое сопротивление;

высокая реакционная способность;

минимальное содержание золы;

минимальное содержание серы и фосфора в золе.

Значительное влияние на показатели производства кремния и особенно его сплавов с железом оказывает и содержание в нем влаги.

Восстановитель является основной токопроводящей составляющей шихты, поэтому электрическое сопротивление восстановителя определяет электрическое сопротивление ванны печи, глубину посадки электродов в шихте и рабочее напряжение, на котором осуществляется плавка кремния или ферросилиция.

Для плавки ферросилиция марки ФС 70 применяют кокс и полукокс крупностью 5 - 15 мм. При подобных размерах кусков кокса обеспечиваются и глубокая посадка электродов, и развитая его поверхность, способствующая улавливанию отходящего из горна печи оксида кремния. Значительное влияние реакционной способности, размеров поверхности восстановителя и его кусковатости на показатели процесса наряду с закономерным изменением его химического состава по мере схода в горн печи является прямым доказательством развития процессов восстановления кремнезема через газовую фазу. При плавки ферросилиция марки ФС 70 в качестве второго восстановителя был использован полукокс (Ангарский валовый), его реакционная способность намного выше чем у кокса, однако и зольность то же выше. Поэтому пропорция кокс - полукокс составляет 65/35 %. В таблице 2 приведен состав и свойства углеродистых восстановителей.

Таблица 2 - Характеристика углеродистых восстановителей

В качестве железосодержащего компонента при выплавке ферросилиция применяют стружку углеродистых сталей, размеры витка до 50 мм.

2.1.2 Технология выплавки и разливки ферросилиция марки ФС 70

Ферросилиций выплавляют в закрытой рудовосстановительной печи мощностью 63МВА, с угольной футеровкой. Плавка осуществляется в дуговом режиме что наилучшим образом обеспечивается при использовании высоких рабочих напряжений. Для плавки обычно используют рабочие напряжения, изменяющиеся в зависимости от мощности электропечи в пределах 160 - 225 В.

Нормальный ход процесса в закрытой печи характеризуется устойчивой, глубокой посадкой электродов и равномерной электрической нагрузкой на них, систематическим выходом из печи при выпуске жидкоподвижных сплава и шлака, стабильной переработкой одного и того же количества шихты при постоянном удельном расходе электроэнергии, равномерностью схода шихты в загрузочных воронках и труботечках, наличием небольшого избыточного давления, о чем свидетельствует невысокое пламя сгорающего газа над загрузочными воронками, отсутствием забивания конденсатами и пылью подсводового пространства и газоходов печи. Глубина погружения электродов в шихту должна составлять 1300 - 2700 мм. При этом обеспечиваются минимальные тепловые потери и улет кремния и максимально большое количество проплавляемой шихты.

Загрузка шихты производится из печных карманов в воронки вокруг электродов через труботечки на печах с частичным улавливанием отходящих газов. Дозирование шихты непрерывное.

В работе закрытых печей наиболее часто наблюдаются отклонения от нормального хода, характеризующиеся следующими признаками:

1. Зависание шихты в воронках характеризуется повышением температуры газа подводом, на данном участке колошника и воды в воронках, а также слабым выделением газа на участке, где зависала шихта.

2. При недостатке восстановителя повышаются температура и запыленность газов под сводом (содержание осадка в воде после газоочистки более 30 см³/л).

Забивание пылью стакана и наклонного газохода вызвано недостатком восстановителя в печи и подсосом воздуха в подсводовое пространство, или засорением отверстий в форсунках, или понижением давления воды, орошающей наклонный газоход.

Значительный перепад давления между точками замеров под сводом (более 2 Па) свидетельствует о забивании подсводового пространства или об образовании перегородок в нем.

Повышение температуры подсводового пространства может быть вызвано появлением разрежения в какой-либо его части подсводового пространства и проплавлением колошника печи, что вызвано зависанием шихты в воронках.

6. Увеличение содержания водорода в подсводовом пространстве свидетельствует о повышении влажности шихты или о наличии течи воды из воронок или секций свода.

При выплавке ферросилиция в закрытых печах, когда под сводом поддерживается небольшое избыточное давление 1 - 5 Па, часть колошникового газа проходит через шихту в загрузочных воронках и сгорает, создавая для службы электрододержателей и токоподводов сложные условия. Длительные испытания технологии выплавки ферросилиция в печах с разряжением под сводом 3 - 5 Па (иногда менее 7 Па) показали целесообразность такого режима плавки. Поступление воздуха в поверхностный слой шихты способствует снижению температуры подсводового пространства, хотя при недостаточной влажности шихты и увеличении разрежения под сводом возможно повышение температуры.

Система газоотвода и газоочистки состоит из двух параллельных ниток, работающих попеременно. Газ из стакана на своде поступает в наклонный орошаемый водой газоход и в скруббер, где происходит предварительная очистка его от пыли. Затем газ направляется в трубу Вентури (тонкая очистка газа) и последовательно в каплеотделитель для отделения влаги.

Чистый газ поступает потребителю. Необходимое разрежение в системе создается турбогазодувкой. Шлам, выделяющийся в системе, идет в шламонакопитель. Давление под сводом составляет 2,0 - 5,0 Па, а температура газа 773 - 873 К. Газ закрытых печей содержит 0,01 - 0,01 кг/м³ пыли. После очистки количество пыли в нем уменьшается до 0,01 - 0,03 г/м³.

Пыль ферросилиция, уловленная в системе газоочистки, может быть использована в виде брикетов или окатышей для выплавки сплавов кремния, а также в других отраслях техники. Пыль содержит, %: SiO₂ 79,6 - 86,9; SiC 0,4 - 2,24; С_обш 3,3 - 5,4; Fе_обш 1,23 - 3,08; А1₂О₃ 0,25 - 0,84; СаО 0,25 - 0,84; MgO 0,4 - 1,05; S_общ 0,3 - 2,1. Запыленность чистого газа составляет менее 0,03 г/м³.

Выпуск ферросилиция из печи производится периодически по мере его накопления. Слишком частые выпуски сплава приводят к большим потерям тепла и понижению температуры в районе выпускного отверстия, что затрудняет выход сплава и шлака, а также к увеличению потерь сплава при выпуске и разливке его. При слишком редких выпусках замедляется процесс восстановления кремнезёма, уменьшается глубина посадки электродов в шихте и увеличиваются потери кремния в улет. При выплавке ФС70 производят четыре - пять выпусков в смену через равные промежутки времени. Вскрытие летки производится прожигом электрической дугой или кислородом, пробиванием железным прутом или при помощи бура. Продолжительность операции выпуска составляет 20 мин. Летка должна быть открыта широко и периодически прошуровываться железным прутом для того, чтобы обеспечить полный выход шлака из печи. По окончании выпуска окно летки закрывают возможно глубже конической пробкой из смеси электродной массы и песка или из смеси огнеупорной глины, коксика и мелкой электродной массы вручную или пушкой. Мелко закрытая летка вызывает разогрев гарнисажа передней стенки печи, что приводит к нарушению нормальной работы летки и разъеданию футеровки печи в районе летки. Ферросилиций выпускают в ковш, футерованный шамотным кирпичом или графитовой плиткой, и затем разливают в слитки, в чугунные изложницы или в чушки на разливочной машине конвейерного типа. Изложницы и мульды разливочной машины обрызгивают известковым молоком.

Температура сплава перед разливкой должна составлять 1673 К. Потери при разливке на машине достигают 3 %. Слитки (чушки) сплава передают в остывочное отделение, где после остывания и проверки химического состава их дробят (при необходимости), и сплав упаковывают в металлическую тару. Отделения подготовки ферросплавов должны быть оборудованы установками для дробления и грохочения сплавов, чтобы обеспечить выполнение заказов на ферросилиций в куске заданных размеров и массы.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет шихты для выплавки ферросилиция марки ФС70

3.1.1 Исходные данные

Состав сплава в соответствии с ГОСТ 1415-93 приведен в таблице 3.

Таблица 3 - Химический состав ферросилиция марки ФС 70

Расчетное содержание кремния в сплаве 44 %. Содержание углерода в сплаве определяется содержанием кремния. На рисунке 2 приведена зависимость содержания углерода в сплавах системы Fe - Si от концентрации кремния. Расчетное содержание углерода в рассматриваемом сплаве - 0,05%. Шихтовыми материалами служат кварцит, кокс-орешек, полукокс и стальная стружка.

Состав шихтовых материалов приведен в таблице 4.

Сумма компонентов шихтовых материалов должна быть равно 100 %. Принимаем, что из стальной стружки марганец, кремний, сера и фосфор полностью переходят в готовый металл, а углерод частично переходит в готовый металл, частично - расходуется на восстановление компонентов шихты.

Коэффициенты распределения восстановленных в процессе плавки элементов между продуктами плавки ферросилиция марки ФС 70 приведены в таблице 5. При этом принимается, что кремний улетучивается в виде монооксида, магний - в виде оксида магния. Остальные элементы улетучиваются в элементарном виде.

3.1.2 Расчет количества восстановителя

Результаты расчета количества углерода, необходимого для восстановления компонентов кварцита приведены в таблице 6.

Таблица 4 - Химический состав сырых материалов [2,6]

Таблица 5 - Распределение компонентов кварцита и восстановителей между продуктами плавки

Из практики отечественных ферросплавных заводов известно, что использование в качестве восстановителя одного полукокса связано с технологическими затруднениями, обусловленными непостоянными количеством и составом золы в этом материале. С учетом этого обстоятельства, принимаем, что 70 % необходимого углерода вносится в шихту полукоксом, а 30 % - коксом.

Результаты расчетов активной концентрации углерода в коксе-орешке и полукоксе приведены в таблицах 7, 8.

Расчет ведем для плавки ферросилиция в закрытой рудотермической печи.

Расчет ведется на 100 кг кварцита.

Расход электродной массы может быть принят, согласно данным таблицы 9, равным 2,4 кг на 100 кг кварцита. Примем, что 40 % материала электродов окисляется за счет воздуха и компонентов собственной золы, а 60 % - расходуется на восстановление компонентов кварцита. С учетом этого, поступает на восстановление компонентов кварцита углерода из электродной массы:

кг.

Таблица 6 - Расчет количества углерода, необходимого для восстановления компонентов кварцита

Таблица 7 - Расчет "активной" концентрации углерода в коксе

Таблица 8 - Расчет "активной" концентрации углерода в полукоксе

Таблица 9 - Расход электродной массы, кг на 100 кг кварцита

Углеродистыми восстановителями должно быть внесено в шихту углерода:

37,283-1,2=36,083 кг.

Содержащиеся в шихте углеродистые материалы частично окисляются кислородом воздуха на поверхности засыпи в обечайках закрытой печи (на колошнике открытой печи). В закрытых печах угар углерода восстановителей обычно составляет 1 - 4% исходного количества, а в открытых печах 7 - 12 %. Примем в расчет угар углерода кокса - орешка - 2%, полукокса - 4%.

Необходимо ввести в шихту кокса-орешка:

кг.

Необходимо ввести в шихту полукокса:

кг.

3.1.3 Расчет количества стальной стружки

Результаты расчета количества компонентов металла, поступающих в процессе плавки из кварцита, кокса-орешка, полукокса и электродов, приведены в таблице 10.

Таблица 10 Расчет поступления компонентов металла из кварцита, кокса-орешка, полукокса и электродов

Суммарное количество кремния в металле, с учетом данных таблицы 10, кг:

,

где G_ст - количество стальной стружки на 100 кг кварцита.

С учетом расчетной концентрации кремния в ферросилиции, количество готового металла, кг:

, кг

Металл содержит углерода, кг:

Для получения металла заданного состава необходимо внести в шихту железа, кг:

Некоторое количество железа поступает в металл их кожухов электродов и прутьев для прожига летки. Удельный расход для ферросилиция марки ФС 70 составляет 0,68 кг на 100 кг кварцита. С учетом этого, необходимая добавка в шихту стальной стружки составит:

Стружка вносит углерода, расходуемого на восстановление компонентов кварцита:

Соответственно навеска кокса в шихте должна быть уменьшена на величину:

кг

Навеска кокса в шихте после корректировки составит величину:

кг

Поступает в металл попутно с железом из стальной стружки, кожухов электродов и прутьев для прожига летки:

3.1.4 Состав металла

Результаты расчета материального баланса приведены в таблице 15.

Таблица 15 Результаты расчета материального баланса

3.1.9 Расходные показатели плавки

Удельный расход материалов при плавке ферросилиция марки ФС 70, кг/т:

Полученные показатели сравниваются с производственными показателями или литературными для сплава данными для сплава ФС70.

3.2 Расчет теплового баланса плавки ФС 70

Количество тепла, вносимой электроэнергией Q₂ подлежит определению из теплового баланса.

3.2.1.3 Тепло экзотермических реакций

а) образование FeSi по реакции Fe+Si=FeSi,

б) Образование силикатов алюминия, кальция и магния по реакциям:

Приход тепла от экзотермических реакций равен:

3.2.2.1 Тепло шихтовых материалов

Для расчета примем, что материалы поступают в печь при температуре 298 К. В этом случае тепло шихтовых материалов Q₄ = 0. Итого приход тепла составит:

3.2.2 Статьи расхода тепла

3.2.2.1 Тепло металла

Энтальпия металла при температуре Т может быть подсчитана по уравнению:

(1)

где G_мет - масса металла;

средняя молекулярная масса металла;

M_i - атомный вес i-ого компонента сплава;

Х_i - атомная доля i-ого компонента сплава;

- относительная интегральная молярная энтальпия сплава Fe-Si (теплота, смешение компонентов при образовании 1 моля сплава);

Н_i - изменение энтальпии при нагревании i-ого компонента сплава от стандартной температуры до температуры выпуска сплава из печи,

Значения Н_i приведены в приложении А [2,6].

При расчете энтальпии металла можно использовать данные приложения А.

Состав металла в атомных долях по данным таблицы 14 рассчитывается по формуле:

(2)

где G_i - масса i-ого компонента сплава;

к - количество компонентов сплава.

Состав металла в атомных долях приведен в таблице 16.

Таблица 16 - Состав металла в атомных долях

Температура выпускаемого из печи ферросилиция марки ФС 70 равна Т=2200К.

С учетом этой величины, данных приложений А и Б и из уравнения (1) получим:

3.2.3.2 Тепло шлака

Температура шлака в печи может быть приравнена температуре металла. Энтальпия жидкого шлака может быть рассчитана по уравнению

(3)

где G_шл - вес шлака;

средний молекулярный вес шлака;

M_i - молекулярный вес i-ого компонента шлака;

Х_i - мольная доля i-ого компонента шлака;

Н_i - теплосодержание i-ого компонента шлака, причем, если t_шл t_пл i-ого компонента, нужно учитывать теплоту плавления компонента, т.е. .

Так как в литературе отсутствуют сведения о концентрационной зависимости относительных интегральных молярных энтальпий в шлаковых расплавах, примем в расчет Н^м = 0.

Значения приведены в приложении А.

Состав шлака в мольных долях по данным таблицы 12 приведен в таблице 18.

Таблица 18 - Состав шлака в мольных долях

Подобные документы

• Производство ферросплавов

  Назначение ферросплавов и способы их производства, рост требований к его качеству на современном этапе. Шихтовые материалы для выплавки ферросилиция. Характеристика рудовосстановительных электропечей, выплавляющих ферросилиций, источники примесей.
  
  контрольная работа [30,8 K], добавлен 17.12.2010
  

• Разработка технологии производства черного карбида кремния в условиях ОАО "Запорожский абразивный комбинат"

  Характеристика черного карбида кремния и область его применения. Физико-химические и технологические исследования процесса производства карбида кремния в электропечах сопротивления. Расчет шихтовых материалов. Расчет экономической эффективности проекта.
  
  курсовая работа [2,8 M], добавлен 24.10.2011
  

• Зонная плавка германия и кремния

  Сущность метода зонной плавки. Физико-химические свойства германия. Применение германия в полупроводниковых приборах. Получение технического кремния восстановления природного диоксида SiO2 (кремнезем) в электрической дуге между графитовыми электродами.
  
  реферат [125,4 K], добавлен 25.01.2010
  

• Технология производства ферробора

  Требования к рудам и их выбор. Восстановители, железосодержащие материалы и флюсы. Способы подготовки сырых материалов к плавке. Применение и сортамент сплавов. Физико-химические свойства бора и его соединений. Технология производства сплавов бора.
  
  реферат [1,8 M], добавлен 25.10.2014
  

• Построение физико-химической модели получения кремния

  Сырье и углеродистые восстановители, применяемые при производстве кремния. Перерасчет компонентов на золу каменного угля, нефтяного кокса, древесного угля, древесной щепы. Химический состав кремниевого расплава, полученного в результате моделирования.
  
  курсовая работа [175,4 K], добавлен 07.06.2014
  

• Использование ферросплавов для легирования стали

  Гранулометрический и химический состав сырых шихтовых материалов. Дозирование и физико-химические основы процесса. Введение плавки. Нарушения хода печи: повышенное содержание кремния, оксида хрома и углерода, срыв подины, загрязнение слитков шлаком.
  
  курсовая работа [78,4 K], добавлен 20.09.2013
  

• Термическое окисление кремния

  Оборудование для термического окисления: модель Дила-Гроува, зависимость толщины окисла от времени окисления, особенности роста тонких и толстых плёнок двуокиси кремния, их свойства и применение в микроэлектронике. Реакторы биполярного окисления.
  
  реферат [106,3 K], добавлен 10.06.2009
  

• Композиционные материалы на основе кремнийорганических смол

  Получение полиорганосилоксановых смол в результате гидролиза и последующей поликонденсации мономерных соединений кремния. Основные физические и химические свойства полиорганосилаксановых смол, их производство и применение. Цели добавления модификаторов.
  
  реферат [189,2 K], добавлен 07.05.2016
  

• Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии

  Требования, предъявляемые к защитным диэлектрическим пленкам. Кинетика термического окисления кремния: в сухом и влажном кислороде, в парах воды. Особенности методов осаждения оксидных пленок кремния. Оценка толщины и пористости осаждаемых пленок.
  
  реферат [1,2 M], добавлен 24.09.2009
  

• Полимерные слоистые нанокомпозиты

  Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов и на основе монтмориллонита. Анализ методов синтеза полимерных нанокомпозитов. Перспективы производства полимерных нанокомпозитов. Свойства нанокомпозитов кремния. Структура слоистого силиката.
  
  курсовая работа [847,7 K], добавлен 12.12.2013
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам