ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА ФЕРОСИЛІЦІЮ

Феросиліцій використовують для розкиснення і легування сталі як відновник під час виробництва деяких феросплавів. В електричних печах виплавляють феросиліцій різних марок із вмістом силіцію 18—50 і 60—95 %. За вмісту силіцію в сплаві 50—60 % та наявності домішків фосфору й алюмінію, сплав розсипається в порошок із виділенням отруйних летких сполук. Тому сплав такого складу заводи не випускають. Нижче наведено вимоги до хімічного складу основних марок феросиліцію, %:

Марка Si C S P Al Mn Cr

ФС90 > 89 — < 0,02 < 0,03 3,5 0,2 0,2

ФС75 74—80 — < 0,02 < 0,05 — 0,4 0,4

ФС65 63—68 — < 0,02 < 0,05 2,5 0,4 0,4

ФС45 41—47 — < 0,02 < 0,05 2,0 0,6 0,5

ФС25 23—27 0,6 < 0,02 < 0,06 1,0 0,8 1,0

Сировинні матеріали. Рудною складовою шихти є кварцити, що містять 95 % <0,02 % за обмеженої кількості шлакоутворювальних домішок (глинозему). Кварцит подрібнюють до шматків розміром 25—80 мм і відмивають від глини.

Як відновник для виплавки 45- і 75 %-го феросиліцію застосовують металургійний коксик із розміром шматків 10—25 мм. Основні вимоги, які ставляться до відновника, — низькі зольність та вміст летких речовин, міцність шматків у процесі нагрівання, високий електроопір. Деревне вугілля, нафтовий і пековий коксик містять мінімальну кількість золи. Для отримання потрібної концентрації силіцію у сплаві до складу шихти входить подрібнена стружка вуглецевих сталей, оскільки, як уже зазначалося, за наявності заліза полегшується перебіг цього процесу. Чавунну стружку не застосовують, оскільки вона містить багато фосфору.

Феросиліцій марок ФС45 і ФС75 виплавляють у печах потужністю 10,5—33 МВ × А за напруги 145—175 В. Зазвичай для цього застосовують печі закритого типу, стаціонарні або з ванною, що обертається.

Подину і нижню частину стін печей викладають вуглецевими блоками, а верхню частину стін — шамотною цеглою. В печі роблять дві льотки для випускання сплаву — робочу і резервну.

Повільне (реверсивне) обертання ванни на 40—50° в обидва боки полегшує хід плавки завдяки розпушенню шихти та знищенню настилі.

Термодинаміка відновлення силіцію вуглецем. Відновлення кремнезему твердим вуглецем відбувається за сумарною реакцією:

(4.19)

Константу рівноваги цієї реакції можна записати так:

(4.20)

Оскільки кремнезем, вуглець і силіцій перебувають у вільному стані, то їхні активності дорівнюють одиниці, а константа рівноваги тобто перебіг реакції відновлення силіцію залежить від парціального тиску оксиду карбону (II)

Зміна енергії Гіббса і константа рівноваги для реакції (4.19) мають такі значення:

[Дж/моль];

(4.21)

Реакція (4.19) є типовою ендотермічною. Реакції цього типу характеризуються зменшенням енергії Гіббса з підвищенням температури та збільшенням константи рівноваги, тому реакція (4.19) може відбуватися лише за температури понад 1942 °С.

Фактично відновлення кремнезему вуглецем відбувається не за реакцією (4.19), а з утворенням проміжних продуктів, і SіС згідно з реакціями (4.22) і (4.23):

(4.22)

[Дж/моль];

(4.23)

[Дж/моль];

Утворені нові конденсовані та газоподібні речовини взаємодіють як із вихідними речовинами, так і між собою. Тому на умови відновлення силіцію за реакцією (4.19) впливають не лише реакції (4.22) і (4.23), а й багато інших реакцій, наприклад поряд з відновленням ведучих елементів відбувається відновлення оксидів феруму, які містяться в мінеральній сировині й золі коксу. Дуже часто залізо вводять у шихту для отримання сплавів потрібного хімічного складу.

На перебіг реакції відновлення кремнезему вуглецем значною мірою впливає наявність заліза, яке розчиняє силіцій, виводячи його із зони реакції, і поліпшує термодинамічні умови її перебігу. У системі карбід силіцію в умовах рівноваги може існувати за вмісту силіцію, що перевищує його концентрацію в силіциді У сплавах, які містять понад 23,1 % Si, карбід руйнується залізом:

(4.24)

Отже, існування SiС залежить від температури, складу газової фази, концентрації та активності силіцію в системі

Наявність у системі заліза істотно знижує температуру відновлення кремнезему, що ілюструється такими даними:

Вміст силіцію у сплаві, %: 10 20 45 75 90 100

Температура початку відновлення кремнезему, °С 1225 1257 1400 1510 1530 1579

Зміна енергії Гіббса для реакції відновлення кремнезему вуглецем за наявності заліза описується рівнянням (4.25):

(4.25)

[Дж/моль].

Умова для реакції (4.25) виконується за температури 1500 °С, що набагато нижча, ніж для реакції (4.19), де заліза немає.

У процесі виробництва сплавів силіцію утворюється шлак у кількості 2—4 % маси металу. Шлак залежно від марки сплаву має такий хімічний склад, %: — 30—50 %, — 10—25 %, СаО — 8—45 %, МgО — 2—5%, SіС — 10—20 %. Крім того, він містить до 10—40 % корольків відновленого металу.

Технологія плавки. Плавку ведуть безперервно. Електроди мають бути занурені в шихту глибоко — на 800—1500 мм. Відстань від кінців електродів до подини становить 300—600 мм. У разі завантаження перемішаних шихтових матеріалів у печі прагнуть створити й підтримувати навколо електродів шихту у вигляді конусів.

Гази, що утворюються в зоні реакцій, прагнуть піднятися нагору по поверхні електродів. Призначення конусів шихти навколо електродів — утруднити у цих місцях вихід газам та зменшити втрати теплоти і силіцію. Що ширший конус шихти, то далі від електрода виділяються язики полум’я (згоряння оксиду карбону (II) в ), активніша зона печі та краще осідає шихта і вища продуктивність.

У зоні дуг у шихті утворюється порожнина («тигель») з дуже високою температурою. Стінки тигля постійно оплавляються, кремнезем відновлюється, силіцій розчиняється в рідкому залізі, рідкий сплав опускається на подину, а нові порції шихти — у зону реакцій. Нормальний хід печі характеризується повільним опусканням електродів у міру їхнього згоряння і рівномірним осіданням шихти навколо електродів.

Сплав випускають 12—15 разів на добу у ківш і розливають у плоскі чавунні виливниці або в зливки на машині для розливання. Товщина зливка не має перевищувати 100—120 мм, щоб уникнути ліквації силіцію.

Техніко-економічні показники. У собівартості 75 %-го феросиліцію витрати на технологічну електроенергію перевищують 45 % усіх витрат. Витрати матеріалів і енергії на 1 т феросиліцію:

ФС 45 ФС 75

Кварцит, кг 820 1820

Коксик, кг 630 810

Залізна стружка, кг 600 213

Електроенергія, кВт × ч 4360 8520

Поиск по сайту: