Файл: Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов.pdf

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