ЗАСТОСУВАННЯ ВІДНОВНИКІВ У ФЕРОСПЛАВНИХ ПРОЦЕСАХ

Від виду відновника залежать не лише фізико-хімічні процеси, що визначають суть технології отримання різних феросплавів, а й практичні прийоми ведення процесу, тип пічного агрегату, хімічний склад сплаву, який виплавлять, та його використання. За цією ознакою процеси виробництва феросплавів класифікують на вуглецевотермічні (ВТП), силікотермічні (СТП) і алюмінотермічні (АТП).

Вуглець як відновник. У вуглецевотермічних процесах відновником оксидів є твердий вуглець. У загальному вигляді сумарні реакції можна записати так:

(4.6)

(4.7)

Головна особливість цього процесу полягає в тому, що одним із продуктів відновлення є оксид карбону (II), видалення якого з ванни забезпечує необоротність реакції. Вуглецем можуть бути відновлені всі елементи із їхніх оксидів за високих температур процесу, оскільки хімічна спорідненість вуглецю до кисню з підвищенням температури збільшується. Вуглець має невисоку вартість, крім того, можливе використання вуглецевих матеріалів різної якості.

До недоліків вуглецю як відновника належать такі фактори: під час відновлення оксидів утворюються карбіди елементів, тому за невеликої концентрації силіцію сплави містять підвищену кількість вуглецю; реакції відновлення оксидів відбуваються з поглинанням великої кількості теплоти, тому потрібне застосування електричних дугових печей великої потужності.

Силіцій як відновник. Силікотермічне відновлення оксидів металів відбувається за реакцією

(4.8)

Зазвичай для відновлення оксидів силіцієм останній використовують не в «чистому» вигляді, а у вигляді так званих «переробних» комплексних феросплавів типу Me—Fe—Si, де Me — це Mn, Cr. У силікотермічних процесах силіцій як відновник використовують у вигляді силікомангану, феросиліцію, феросилікохрому, які заздалегідь отримують відновленням кремнезему вуглецем, тобто вуглецевотермічним процесом. Отже, технологічна схема виробництва низьковуглецевих феросплавів включає попередню стадію виплавки переробних сплавів — силікомангану і феросилікохрому. У деяких випадках як відновник у силікотермічному процесі застосовують феросиліцій марок ФС75 або ФС65 (виплавка феровольфраму, феромолібдену, ферованадію та ін.). Унаслідок відновлення оксидів силіцієм шлак збагачується кремнеземом. Без зменшення активності не можна досягти високого ступеня відновлення ведучого елемента, тому плавку потрібно проводити флюсовим способом.

Силіцій як відновник можна використовуватися і для відновлення оксидів елементів, що характеризуються вищою хімічною спорідненістю до кисню. При цьому задовільне вилучення ведучого елемента досягається введенням у шихту надлишкової кількості силіцію, утворення металевих розчинів системи Si—Me—Fe; після чого одеримують кінцевий продукт з високою концентрацією силіцію (силікотермічний силікокальцій та ін.).

Силіцій, якому притаманна досить висока хімічна спорідненість до кисню, може бути відновником різних оксидів ( MnО, та ін.). Відновлення оксидів силіцієм супроводжується виділенням теплоти, але цієї теплоти недостатньо для ведення позапічного силікотермічного процесу, тому застосовують електропечі невеликої потужності (2,5—7 МВА).

Силіцій як відновник має такі недоліки: внаслідок утворення кремнезему збільшується кількість шлаку, при цьому зростає активність і утворюються міцні силікати нижчих оксидів ведучого елемента; подальше відновлення можливе після введення у шлак (шихту) оксидів з оснόвними властивостями (CaО); за температур виплавки феросплавів силіцій утворює з металами розчини, які мають негативні відхилення від властивостей ідеальних розчинів, що свідчить про міцність зв’язку Me—Si і ускладнює отримання сплавів з низькою концентрацією силіцію; висока вартість силіцію та потреба додаткового отримання переробного сплаву, що містить силіцій.

Алюміній як відновник. Алюмінотермічне відновлення оксидів металів відбувається за реакцією

(4.9)

і супроводжується значною зміною енергії Гіббса, тому перебіг процесу здійснюється з високим корисним вилученням ведучого елемента.

До особливостей алюмінотермічного процесу належать: виділення значної кількості теплоти завдяки перебігу реакції відновлення і можливість проведення процесів без підведення електричної енергії поза піччю. При цьому досягають дуже високої температури (2100—2500 °С), що забезпечує отримання шлаку й металу з температурою, що перевищує початок кристалізації, оптимальний поділ металевої і шлакової фаз, високу швидкість відновного процесу.

Основною умовою проведення алюмінотермічної плавки без підведення теплоти ззовні є рівність або перевищення теплового ефекту відновлення над кількістю теплоти яку потрібно для розплавлення продуктів реакції і нагрівання розплаву до температури, що забезпечує досить повний поділ металевої і шлакової фаз, а також для компенсації теплових втрат тобто

Залежно від кількості теплоти що виділяється внаслідок екзотермічних реакцій відновлення, алюмінотермічні процеси поділяють на три групи:

1) реакції, які відбуваються мимовільно

2) реакції, які потребують компенсації теплових втрат

3) реакції, які потребують введення значної кількості теплоти ззовні

Алюмінотермічний (позапічний) процес першої групи можна вести двома способами — у горні (шахті, ковші) із верхнім або із нижнім запалюванням шихти.

Позапічна плавка в горні (шахті) або ковші з верхнім запалюванням шихти найпростіша щодо апаратурного оформлення, спостерігається незначне винесення шихтових матеріалів, оскільки процес плавки починається у верхній частині горна, а тверда і порошкоподібна шихта знаходяться під шаром розплаву.

Позапічна плавка із нижнім запалюванням шихти характеризується початком процесу з утворенням розплаву на подині горна. Шихту подають на розплав із певною інтенсивністю. Метал утворюється у нижній частині горна відразу, і втрати його з корольками зменшуються на 2—5 %. Крім того, зменшуються втрати теплоти, завдяки тому, що розплав постійно закритий шаром шихти. Плавку можна проводити не лише «на блок», тобто з кристалізацією та охолодженням зливка в горні, а й з випусканням шлаку або шлаку й металу, що дає змогу відразу використовувати горн для наступної плавки.

До переваг алюмінотермічних процесів належать такі: можливість відновлення широкої гами елементів з хімічною спорідненістю до кисню менше, ніж алюміній; відновлення оксидів та отримання сплавів і технічно чистих металів з низькою концентрацією вуглецю і домішок кольорових металів; простота апаратурного оформлення процесу та невеликі капітальні витрати; ведення процесу в горні, що нахиляється, з випусканням шлаку й металу; можливість попереднього розплавлення оксидів і флюсів в електропечі, що дає змогу значно його інтенсифікувати та зменшити витрати алюмінію; використання високоглиноземистих шлаків для отримання синтетичних шлаків, а також клінкеру високоглиноземистого цементу; можливість використання у шихті значної кількості металевих відходів металів і сплавів (металотермічний переплав); простота отримання, збереження і застосування алюмінієвого порошку порівняно із порошками кальцію або магнію.

До недоліків алюмінію як відновника належать: висока вартість і дефіцитність алюмінію; можливість утворення нижчих оксидів ведучих металів, зменшення термодинамічної ймовірності відновлення оксидів та вилучення металів із шихти; утворення високоглиноземистого шлаку з високою в’язкістю, що зумовлює втрати відновленого металу у вигляді корольків.

Поиск по сайту: