ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ, МАРГАНЦА, ХРОМА

Производство ферросилиция

Ферросилиций применяют для раскисления и легирования стали и в качестве восстановителя при производстве некоторых ферросплавов. В электрических печах выплавляют ферросилиций различных марок с содержанием кремния от 19—23 % (сплав ФС20) до 92—95% (сплав ФС92). При содержании кремния в сплаве в пределах 50—60 % и при загрязнении его фосфором и алюминием сплав рассыпается в порошок с выделением ядовитых летучих соединений. Поэтому сплав такого состава заводы не выпускают. Помимо кремния ферросилиций содержит железо и ряд примесей. В сплавах, содержащих 41—47 % кремния и более, имеется до 0, 1—0, 2 % С, до 0, 2— 0, 6% Mn, до 0, 05% Р, до 0, 02% S и до 1, 5-2, 5% А1. В малокремнистых сплавах(19— 27 % Si) содержание углерода достигает 0, 6—1, 0 %. Следует отметить, что ферросилиций содержит мало углерода, несмотря на применение углеродистого восстановителя и угольной футеровки печи. Объясняется это тем, что в присутствии кремния растворимость углерода в сплаве уменьшается. Чем больше в сплаве кремния, тем меньше сплав содержит углерода. Наиболее распространены сплавы ФС45 и ФС75, содержащие кремния соответственно около 45 и 75 %.

Плотность ферросилиция зависит от содержания в нем Si:

Марка ферросилиция	ФС20	ФС25	ФС45	ФС65	ФС75	ФС90
Содержание Si, %	19-23	23-29	41-47	63-68	74-80	≥ 90
Плотность, г/см³	6, 7	5, 2-6, 5	4, 9-5, 4	3, 1-3, 5	2, 8-3, 1	2, 4-2, 5

Шихтовые материалы

Рудной составляющей шихты являются кварциты, содержащие не менее 95 % SiО₂, не более 0, 02 % Р₂О₅, и возможно меньше шлакообразующих примесей (глинозема). Кварцит дробят до кусков размером 25—80 мм и отмывают от глины.

Для получения заданного содержания кремния в сплаве в шихту вводят рассчитанное количество железа в виде измельченной стружки углеродистой стали; железо, кроме того, облегчает восстановление кремния.

В качестве восстановителя при выплавке ферросилиция применяют металлургический коксик кусками размером 10—25 мм (отсев доменного кокса). Иногда для замены части кокса применяют более дешевые материалы: полукокс— продукт коксования углей при 700 °С и материалы, содержащие карборунд SiC (отходы электродного и абразивного производств).

Выплавка ферросилиция

Ферросилиций выплавляют в круглых печах различной конструкции — вращающихся и стационарных, открытых и закрытых мощностью 16, 5—115 МВ*А при рабочем напряжении 130— 250 в. Рабочий слой футеровки выполняют из углеродистых блоков. Печь имеет две летки, одну рабочую и другую резервную.

Шихту составляют исходя из того, что Si0₂ кварцита восстанавливается на 98 % и все железо стружки переходит в сплав. Шихтовые материалы смешивают в примерно следующей пропорции:

Марка сплава ФС25 ФС45 ФС75

Количество материала, кг

Кварцита 150 30 300

коксика 70-75 135-140 140-145

железной стружки 200-220 180-190 30/35

Плавку ведут непрерывным процессом. На колошник печи сверху непрерывно загружают шихту, а сплав периодически выпускают черезлетку. Глубина погружения электродов в шихту должна быть большой (от 800 мм на малых печах до 2700 мм на больших). Расстояние от концов электродов до подины должно составлять 300—600 мм. При загрузке перемешанных шихтовых материалов в печь стремятся создать и поддерживать вокруг электродов шихту в виде возвышающихся конусов, которые затрудняют выход газов здесь и уменьшают вследствие этого потери тепла и кремния.

1 — шамот, 2 — жидкий сплав, 3 — гарнисаж, 4 — область медленного схода шихты, 5 — электрод, 6 — область быстрого схода шихты, 7 - " тигель", 8-угольная футеровка

Рисунок 138. Разрез печи для выплавки ферросилиции

Процесс плавки происходит главным образом у электродов, под которыми горят электрические дуги. Здесь в зоне дуг в шихте образуется (рис. 138) полость (" тигель" ) с очень высокой температурой. Стенки тигля непрерывно оплавляются, кремнезем восстанавливается, кремний растворяется в жидком железе, жидкий сплав опускается на подину, а новые порции шихты— в зону реакций.

Кремний восстанавливается твердым углеродом по реакции

SiО₂ + 2С = Si + 2СО (166)

идущей с большой затратой тепла 635096 Дж, на 1с-ст Si. Теоретическая температура ее начала равна 1854 °С. В присутствии железа восстановление кремния облегчается и идет при более низких температурах, поскольку железо, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, что сдвигает равновесие этой реакции вправо, в сторону восстановления кремния. Чем больше железа в шихте, тем при более низкой температуре происходит восстановление кремния и образование ферросилиция.

Температура начала восстановления кремния при формировании ферросилиция различных марок имеет следующие значения:

Марки ферросилиция	ФС20	ФС45	ФС75	ФС90
Т нач.вост.Si, ⁰C

Железо облегчает ход процесса также тем, что разрушает карбид кремния SiC. Последний образуется при избытке восстановителя (SiО₂ + 2С = SiC + 2СО) и, являясь тугоплавким (Т_пл> 2700 °С), накапливается внизу печи, загромождает ее, снижая производительность.

В зоне высоких температур идет частичное восстановление алюминия и кальция из содержащихся в кварците и золе кокса А1₂О₃и СаО, поэтому ферросилиций содержит до 2, 5 % А1 и до 1, 5 % Са. В восстановительных условиях плавки более 60 % фосфора из шихтовых материалов переходит в сплав. Сера целиком улетучивается.

Из невосстановившихся оксидов шихты формируется шлак, его количество равно 2—6 % от массы сплава. Типичный состав шлака, %: 25-40 SiО₂, 20-40 А1₂О₃, 10-25 СаО, 2-10 SiC, 3—8 ВаО, менее 2 MgO и FeO. Шлаки имеют высокую температуру плавления (1500—1700 °С) и вязкость. Шлак выходит из печи через летку вместе со сплавом. При повышенной вязкости часть шлака остается в печи, что может вести к зарастанию ванны.

Образующийся в высокотемпературных зонах восстановления газ СО поднимается вверх, нагревая шихту, причем он стремится двигаться вверх над зонами восстановления у электродов. Чтобы повысить степень использования тепла газов, шихту загружают у электродов, создавая здесь более высокий слой располагающихся конусом материалов. Высокий слой шихты у электродов препятствует подъему здесь газов и они выделяются дальше от электродов, нагревая большее количество шихты. При вращении ванны неподвижные электроды разрыхляют шихту, поднимающиеся газы более равномерно распределяются по сечению ванны. Плохо прогретые у стен печи материалы спекаются в плотный монолит (гарнисаж). Нормальный ход печи характеризуется медленным опусканием электродов по мере их сгорания и равномерным оседанием шихты вокруг этих электродов.

Формируемый ферросплав имеет следующую температуру плавления:

Марки ферросилиция	ФС20	ФС45	ФС65	ФС75
Т пл. C⁰	1190-1250	1190-1320	1210-1300	1210-1315

Сплав выпускают 12—20 раз в сутки. Вскрытие летки производят прожиганием электрической дугой или кислородом, пробиванием железным прутом или при помощи бура. По окончании выпуска летку закрывают конической пробкой из смеси электродной массы и песка или огнеупорной глины и коксика. Сплав при Т=1650-1750 ⁰С выпускают в ковш, футерованный шамотным кирпичом или графитовой плиткой, и затем разливают в плоские изложницы или в чушки на разливочной машине конвейерного типа.

Расход материалов и электроэнергии при выплавке ферросилиция некоторых марок:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒