книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

ские системы дозирования и подачи шихты с использованием элек­ тронно-вычислительных машин (ЭВМ), автоматизированные системы перепуска электродов и т. д.

Сейчас важнейшей задачей является создание автоматических систем управления как технологическим процессом, так и всем про­ цессом производства с помощью ЭВМ. Для этого усиленно ведутся работы по созданию различных датчиков, уровнемеров, автоматиче­ ских анализаторов, автоматических весовых устройств и на их базе локальных автоматических систем, которые затем будут объединены в единую автоматическую систему управления производством (АСУП).

Ферросплавная промышленность Советского Союза получит даль­ нейшее развитие как по объему производства, гак и по сортаменту и качеству выплавляемых сплавов, что диктуется развитием каче­ ственной металлургии, увеличением производства специальных ста­ лей и сплавов.

Г Л А В А XV

ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ

1. ФЕРРОСИЛИЦИЙ

Кремний и его сплавы очень широко используются для раскис­ ления и легирования стали и в качестве восстановителей при получе­ нии металлов и сплавов методом силикотермии, а также при произ­ водстве кремнийорганических соединений. Состав сплавов кремния приведен в табл. 13.

Сырые материалы и их подготовка к плавке. Кремний после кисло­ рода — наиболее распространенный элемент в природе и составляет 15% от массы земной коры.

Для выплавки кремния и его сплавов используют кварц и квар­ цит, главной составляющей которых является кварц — широко рас­ пространенный минерал. Кварц, представляющий собой более или менее чистый кремнезем S i02, относительно дорог и используется только при производстве кристаллического кремния.

Кварцит представляет собой горную породу, состоящую из зерен кварца, сцементированных кремнеземистой связкой. Кварцит, ис­ пользуемый при производстве сплавов кремния, должен содержать >>97% кремнезема при минимальном содержании вредных и шлако­ образующих примесей — окислов кальция и магния, а также глино­ зема и фосфора (<0,02%). Кварцит должен давать минимальное ко­ личество мелочи при дроблении и нагревании.

Очень хорошим восстановителем при производстве ферросили­ ция является древесный уголь, который уменьшает спекание шихты, что особенно важно при выплавке сплавов кремния с высоким содер­ жанием последнего и при работе на закрытых печах. Однако из-за высокой стоимости древесный уголь применяют, как правило, лишь при плавке кристаллического кремния и 90%-ного ферросилиция. Применение древесных отходов как заменителя древесного угля уменьшает спекаемость шихты, обеспечивает хорошую газопрони­ цаемость его и, повышая электрическое сопротивление шихты, спо­ собствует увеличению глубины посадки электродов в_ней, улучшению технико-экономических показателей производства.

Нефтяной и пековый коксы почти не содержат золы, но обладают склонностью графитизироваться при температурах плавки, причем ухудшается их реакционная способность и снижается электросопро­ тивление. Этот недостаток, а также высокая стоимость ограничивают применение этих коксов только выплавкой кристаллического крем­ ния. Из каменных углей пригодны для плавки ферросилиция в элек­ тропечах лишь сорта с малым содержанием золы и летучих —■антра­ циты. Весьма перспективны как восстановители формованный кокс из газовых и слабоспекающихся углей, коксы из бурого угля, полу­ коксы и т. п., обладающие высокими реакционной способностью и электросопротивлением.

Основным восстановителем на отечественных заводах при вы­ плавке ферросилиция является орешек металлургического кокса, представляющий собой отсев доменного кокса. В последние годы широко применяют ангарский полукокс.

При выплавке ферросилиция в отечественной практике частично используют карборундосодержащие отходы электродного и абразив­ ного производств, содержащие 20—-50% SiC. Применение этих отхо­ дов особо эффективно при производстве сплавов кремния с низким содержанием последнего, так как SiC легко разлагается железом с об­ разованием силицида железа.

Железосодержащим компонентом шихты при выплавке ферроси­ лиция является стружка углеродистых сталей. Подготовка шихтовых

162

материалов к плавке сводится к дроблению и сортировке их в целях получения заданного однородного гранулометрического состава: кварцита в пределах 25—60 мм (при производстве 18—45%-ного фер­ росилиция), кокса 5—20 мм. При необходимости дополнительно про­ водят обогащение, окомкование и сушку материалов.

Рис. 58. Диаграмма состояния системы Fe—Si:

Ж «я жидкость; а, V, 'П, I — твердые растворы и химические соединения с различным отношением Fe/Si

Физико-химические свойства кремния и его соединений. Кремний является металлоидом стального или черного цвета со следующими свойствами:

С кислородом кремний образует кремнезем S i0 2 и моноокись SiO. Моноокись кремния летуча и при температурах ниже 1500° С распадается на кремний и кремнезем.

Суглеродом кремний образует карбид кремния (карборунд). Плотность карборунда 3,2 г/см3, температура плавления (испарения) 2700° С.

Сжелезом кремний сплавляется в любых соотношениях (рис. 58)

иобразует ряд силицидов, из которых наиболее прочным является FeSi с температурой плавления 1410° С.

Физико-химические условия процесса производства кремнистых

сплавов.

Результаты многочисленных исследований показали, что при вы­ плавке ферросилиция протекают сложные процессы, включающие образование моноокиси и карбида кремния и сопровождающиеся испарением и диссоциацией кремнезема.

Суммарная реакция восстановления кремнезема углеродом опи­ шется уравнением

Очень большое влияние на ход реакции восстановления кремне­ зема оказывает присутствие железа, которое, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, улучшая тем самым термодинамические условия ее протекания и сокращая потери кремния, достигающие 25—30% при производстве кристаллического кремния.

Присутствие железа в сплаве Fe—Si значительно снижает темпе­ ратуру начала процесса восстановления:

Благотворное влияние железа также определяется тем, что оно легко разрушает карбид кремния по реакции mFe -f- nSiC = = FemSi„ + nC и способствует тем самым сдвигу реакции восстанов­ ления в сторону образования кремния. Эта реакция начинается при 1500° С и интенсивно проходит в интервале 1500— 1600° С.

Наряду с восстановлением кремнезема в электропечи происходит частичное восстановление примесей кварцита и золы восстановителей (А120 3, CaO, MgO и т. д.) до элементов или карбидов.

Примеси, которые по физико-химическим условиям процесса не могут быть полностью восстановлены (глинозем, окись кальция, окись бария, окись магния и т. п.), ошлаковываются кремнеземом. При недостатке восстановителя за счет разрушения гарниссажа шлак обогащается карборундом. Обычно на 1 т 45%-ного ферросилиция образуется 25—40 кг шлака и на 1 т 75%-ного ферросилиция 35—60 кг шлака. Примерный состав шлака следующий: 30—45% S i0 2; 2— 10% SiC; 20—30% А120 3; 12—25% СаО; 0,2—20% ВаО; 0,3—2,0% MgO.

Заметной разницы в составе шлака при выплавке ФС18, ФС25, ФС45, ФС65, ФС75 и ФС90 не наблюдается. Шлаки имеют весьма вы­

164

сокую температуру плавления (1500—1700° С) и вязкость, состав­ ляющую 1 -т-5 Па-с (10—50 П) даже при температуре 1700° С.

Вследствие высокой вязкости шлак частично остается в печи и служит причиной зарастания ванны, что снижает производительность печи, увеличивает удельный расход электроэнергии и сокращает продолжительность кампании печи. Поэтому следует использовать чистые материалы и добиваться полного удаления из печи образовав­ шегося шлака, что достигается глубокой и устойчивой посадкой электродов, достаточным количеством восстановителя в шихте, враще­ нием ванны печи и в отдельных случаях присадкой флюса: извести или плавикового шпата.

Технология производства ферросилиция в открытых печах. Для выплавки ферросилиция строят круглые печи с вращающейся ванной, в последнее время — закрытые печи мощностью 16,5—39 и даже 75 MBA, работающие, как правило, на самоспекающихся электродах. Для производства кристаллического кремния чаще используют одно­ фазные овальные двухэлектродные печи мощностью 5,5 MBA или круглые трехфазиые печи с вращающейся ванной мощностью 10— 36 MBA.

Электрический режим работы печи в процессе плавки поддержи­ вается стабильным, рабочее напряжение составляет обычно 130— 210В (более высокое для более мощных печей) при силе тока порядка 35 000—70 000 А; обычно при отношении силы тока к рабочему на­ пряжению —300. Необходимо работать на максимально высоком рабочем напряжении, так как при этом растет cos ф, а следовательно, и полезная мощность печи. Технологическая схема производства ферросилиция в открытых и закрытых печах в цехе с непрерывной схемой дозирования шихты приведена на рис. 59.

Расчет шихты для производства ферросилиция ведется из услозия распределения окислов и восстановленных элементов в процессе плавки (табл. 14). Предполагается, что сера и фосфор из стружки переходят в сплав, а сера коксика улетучивается. Примерный состав колош шихты приведен в табл. 15. Плавку ферросилиция ведут не­ прерывным процессом.

165

Для загрузки шихты в открытые печи на отечественных заводах применяют завалочные машины системы П. С. Плюйко. Машина смон­ тирована на самоходной тележке и передвигается вокруг печи по

Кварцит Стружка

ство разливочной машины; 34 — шламы; 35 — газоочистка; 36 — короб; 37 — бак для гра­ нуляции сплава

рельсам. Бункер машины загружается из печного кармана шихтой, которая по мере необходимости с помощью толкателя подается в со­ вок. При загрузке шихты в печь совок получает сильный толчок от

Т А Б Л И Ц А 15

СОСТАВ КОЛОШИ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ФЕРРОСИЛИЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК, кг

166

механизма метания, й шихта забрасывается в необходимое место. Бросок порции шихты ведется прицельно благодаря вращению машины вокруг оси и возможности изменения угла наклона. При пере­ ходе к печам большой мощности с вращающейся ванной, видимо, целесообразнее будет завалка по трубам, проведенным из печных кар­ манов.

Нормальный ход технологического процесса характеризуется равномерным газовыделением по всей поверхности колошника, от­ сутствием потемневших спекшихся участков и местных сильных вы­ делений газа — свищей, равномерным сходом шихты у электродов, устойчивой, глубокой посадкой электродов в шихте, регулярным выходом при каждом выпуске сплава небольшого количества жидко­ подвижного шлака.

Процесс плавки в печи происходит главным образом у электродов, где в этой наиболее горячей зоне печи образуются своеобразные газо­ вые полости —■тигли. При горячем ходе печи нижние части тиглей 'соединяются, образуя общий тигель печи.

В случае нарушения шихтовки печи или неправильного ведения технологического процесса могут иметь место следующие основные виды расстройства хода печи:

1. Недостаток восстановителя—■закварцевание печи — ведет к неустойчивой посадке электродов и колебаниям нагрузки, тигли сужаются, происходит сильное спекание шихты, на колошнике на­ блюдаются частые свищи, летка сильно газит. Шлак густой, рабочие концы электродов сильно утоньшаются и быстро укорачиваются. Температура в печи на глубине 500—600 мм от поверхности колош­ ника при выплавке ФС45 поднимается в этом случае до 1800—2000° С, что приводит к усиленному испарению и потерям не только моно­ окиси кремния, но и восстановленного кремния.

В случае длительной работы печи с недостатком восстановителя наблюдается расстройство работы летки — прекращается выход шлака, летка закрывается с трудом или вообще не закрывается, на­ блюдается просачивание металла в районе летки и даже прорыв футе­ ровки печи сплавом. Это является следствием размягчения гарниссажа у передней стенки из-за разрушения карбидов кислым шлаком.

2.Избыток восстановителя, при котором посадка электрода ста­ новится высокой; из-под самых электродов бьют свищи, тигли су­ жаются, слышна работа дуг, шихта круто обваливается у электродов, нагрузка на электродах спокойная, из печи прекращается выход шлака, сплава сходит мало и он идет холодный.

Длительная работа с избытком восстановителя на печи, выплав­ ляющей кристаллический кремний, очень опасна, так как приводит

кзарастанию ванны карбидом кремния и к аварийной остановке печи для чистки ванны.

3.Работа на коротких электродах как по внешним признакам,

так и по результатам, подобна работе с избытком восстановителя. 4. Работа с чрезмерно длинными электродами при высокой по­ садке их ведет к увеличению потерь электроэнергии в самих электро­ дах, а при глубокой посадке электродов часто приводит к тому, что

167

они садятся в шлак, теряется дуговой режим работы печи и беспо­ лезно расходуется электроэнергия.

При обнаружении отклонений хода печи от нормального важней­ шая задача персонала — своевременно определить причину наруше­ ния процесса и принять соответствующие меры, например повысить или снизить навеску восстановителя для исправления положения.

Глубину погружения электродов в шихту регулируют изменением электрического сопротивления печи или, что более желательно, изменением рабочего напряжения. Для изменения электрического сопротивления печи, выплавляющей сплавы кремния, увеличивают или уменьшают проводимость шихтовых материалов путем изменения состава шихтовой смеси или размеров кусков шихты. Увеличение в шихтовой смеси количества углеродистого восстановителя или уве­ личение его крупности повышает проводимость шихты, а замена части рядового коксика коксиком с повышенным электросопротивле­ нием, древесным углем или добавка древесных отходов снижают ее проводимость.

Выплавка кремния и его сплавов в печах с вращающейся ванной имеет ряд технологических особенностей. В этом случае объем газо­ вой полости под электродами уменьшается в три—четыре раза по сравнению с объемом при работе с неподвижной ванной. Газовая полость формируется в основном с набегающей стороны электрода, а со сбегающей стороны или совсем отсутствует, или развита весьма слабо.

При вращении ванны печи шихта как бы «вспахивается» неподвиж­ ными электродами, спекшиеся участки практически отсутствуют, что обеспечивает увеличение активной зоны более чем в два раза. Шихту примерно на 65% надо заваливать с набегающей стороны электрода.

Важнейшее значение имеет правильный выбор режима вращения ванны печи. Чрезмерная скорость вращения ванны приводит к ухуд­ шению работы колошника, неустойчивой посадке электродов, затруд­ нениям в работе летки и, как следствие, снижению технико-экономи­ ческих показателей производства. При уменьшении скорости враще­ ния ванны ниже оптимальной соответственно теряется эффект от вра­ щения ванны.

Оптимальная скорость вращения ванны печи составляет один оборот за 50— 100 ч (более высокая скорость нужна для выплавки низкопроцентных сплавов). Вращение ванны печи, выплавляющей кремний и его сплавы, должно быть реверсивным в секторе 80— 120°, что обеспечивает разрушение карбидов и разрыхление шихты на колошнике по всему сечению ванны, устойчивую работу летки и нор­ мальный выпуск сплава и шлака значительно улучшает условия службы электродов.

Технология производства ферросилиция в закрытых печах. В за­ крытых печах освоена выплавка ФС.18, ФС25, ФС45, ФС65 и осваи­ вается выплавка ФС75. Дополнительные трудности при выплавке высокопроцентных сплавов кремния в закрытых печах связаны с по­ вышенным спеканием шихты и значительно более высоким улетом кремния.

168

Правильное обслуживание закрытой печи заключается в поддер­ жании необходимой величины давления под сводом печи, обеспечении равномерного схода шихты в воронках и предупреждении забивания подсводового пространства и газоходов печи. Для обеспечения нор­ мальной работы закрытой печи необходимо всемерно ограничивать поступление в подсводовое пространство газообразных продуктов, способных при конденсации образовывать настыли из S i02, SiC, Si. Зарастание подсводового пространства является главным образом результатом недостатка углерода в ванне печи. Однако избыток восстановителя, ведущий к мелкой посадке электродов в шихте, также приводит к выходу колошниковых газов в большом количестве с более высокой температурой и с повышенным содержанием SiO.

Нормальный ход закрытой печи характеризуется равномерным выделением вокруг электродов невысокого и неяркого пламени и равномерным сходом рыхлой шихты во всех воронках и вокруг каж­ дого электрода, устойчивой глубокой (1500— 1700 мм) посадкой элек­ тродов в шихте, полной электрической нагрузкой, регулярным выхо­ дом жидкоподвижного шлака при каждом выпуске и появлением в конце его небольшого языка неяркого пламени. Давление под сво­ дом печи должно составлять 0—5 Н/м2 (0—0,5 мм вод. ст.), темпера­ тура газа под сводом 500—600 и в газоходе 200° С. Выход отходящих

стого газа 80—90% СО и в чистом газе менее 0,9% 0 2.

При выплавке ФС18 навеска восстановителя должна быть выше на 10— 15 кг на колошу, чем при выплавке ФС45, что объясняется повышенным содержанием углерода в сплаве (до 1,5%). Нормальный ход печи дополнительно характеризуется выходом графитовой спели. Обильный выход шлака при отсутствии графитовой спели является признаком подкварцевания печи.

Наиболее часто встречающиеся ненормальности в работе печи связаны с забиванием тракта газохода и подсводового пространства пылью из-за работы с недостатком восстановителя или на коротких электродах, подсоса воздуха в подсводовое пространство или наруше­ ниями в подаче воды на орошение газохода.

Зависание шихты в воронках может привести к раскрытию ко­ лошника, прогару свода и воронок и т. д. Повышение давления под сводом и большой перепад его в различных точках свидетельствует о забивании подсводового пространства, образовании в нем перегоро­ док и скоплении пыли в устье газохода. Повышение температуры подсводового пространства может быть вызвано появлением разре­ жения в какой-либо части подсводового пространства, а также про­ плавлением колошника печи, вызванным зависанием шихты в во­ ронках. Повышение содержания водорода в подсводовом простран­ стве свидетельствует о повышении влажности шихты или о наличии течи воды из воронок или секций свода, причем в случае течи воды содержание водорода в газе резко повышается (20% и более).

Выпуск ферросилиция из печи производится периодически по мере его накопления. При выплавке ФС18 и ФС25 производят 6—7

169

выпусков и при выплавке ФС45, ФС65, ФС75 и ФС90 — 4—5 выпусков-, в смену. Слишком частые выпуски сплава приводят к большим поте­ рям тепла и понижению температуры в районе выпускного отверстия,, что затрудняет выход сплава и шлака, а также увеличивает потери: при выпуске и разливке его. При слишком редких выпусках замед­ ляется процесс восстановления кремнезема, ухудшается посадка электродов и увеличиваются потери кремния в улет.

Выпуск следует производить через равные промежутки времени,, продолжительность его составляет 15—20 мин. Летка при этом: должна быть открыта широко для обеспечения полного выпуска спла­ ва и шлака. С этой целью целесообразно производить шуровку летки: железными прутьями. По окончании выпуска летку закрывают воз­ можно глубже конической пробкой из смеси электродной массы и пека, или смеси огнеупорной глины и коксика.

Ферросилиций выпускают в ковш, футерованный шамотным кир­ пичом или графитовой плиткой и затем разливают в слитки в чугун­ ные изложницы или в чушки на разливочной машине конвейерноготипа. Для получения порошков и гранул применяется водная гра­ нуляция ферросилиция на специальной установке. Кристалли­ ческий кремний выпускают в цельнолитую чугунную изложницу,, подкатываемую под летку или в ковш.

Технико-экономические показатели процесса. Основным показате­ лем, характеризующим степень совершенства технологии и обору­ дования, квалификацию обслуживающего персонала при производ­ стве кремния и его сплавов, является удельный расход электроэнер­ гии. Советские ферросплавщики добились хороших результатов по

Расход сырья и вспомогательных материалов при выплавке спла­ вов кремния приведен в табл. 17. Резервы повышения технико-эконо­ мических показателей производства имеются в улучшении методов подготовки шихты, использовании специальных восстановителей, применении закрытых печей, повышении точности дозирования шихты и повышении квалификации персонала.

Простои печи приводят к нарушению установившегося теплового и электрического режима, требуют затрат электроэнергии на после­

170