Разработка технологии выплавки ферросилиция марки ФС45
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Введение
Уватское месторождение расположено в Нижнеудинском районе Иркутской области. По информации Иркутскнедра, общие запасы железистых кварцито оцениваются в 1,5 млрд т. На их основе могут быть получены высококачественные концентраты с содержанием железа 71 %, пригодные как для доменного процесса, так и для электрометаллургии. Кварциты используются в химической промышленности (производство фосфора и цветной металлургии, производство кремния и карбида кремния). Ранее проводимые испытания на ОАО "Иркутский алюминиевый завод" показали, что кварциты Уватского месторождения удовлетворяют требованиям фосфорного производства. На основе кварцита производят ферросилиций. Ферросилиций главные компоненты, которого железо и кремний. Процесс производства ферросилиция основан на восстановлении кремнезёма. Ферросилиций используют в качестве раскисляющих и легирующих добавок для выплавки электротехнических, рессорно-пружинных, коррозийно- и жаростойких сталей. Повышение содержания кремния в ферросилиции понижает его плотность. Кремний повышает твёрдость стали, сопротивление разрыву, пределы упругости и текучести, увеличивает сопротивление окислению, снижает потери электроэнергии. 45%-й ферросилиций имеет плотность 5,0 г/см³, а 75%-й — З,5 г/см³. Температуры плавления 45 %- и 75% ферросилиция соответственно равны 1330… 1220 и 1300… 1330 °C. Ферросилиций получают в дуговых ферросплавных печах путём восстановления углеродом кокса кремния из кварцита. Рассмотрим производство основных сплавов – ферросилиция. Физико-химические свойства ведущего элемента Уватский проект был создан в 2004 году. Территория деятельности проекта – юг Тюменской области и прилегающие территории (рис.1). Рисунок 1 - Обзорная карта Уватского района по состоянию на 31.12.2004г. На крупнейшем Уватском месторождении кварцитов в Иркутской области добыча кварцитов началася в 2014 году. В компанию «Мечел» входят четыре горнодобывающих предприятия, 13 металлургических, два энергетических и одна энергосбытовая компания. Чистая выручка в 2008 году составила $9,95 млрд. В Иркутской области «Мечел» владеет Коршуновским ГОКом и Братским заводом ферросплавов, который ежегодно выпускает около 84 тыс. т ферросилиция. В производстве последнего используются кварциты. Рисунок 2 - Обзорная карта Уватского района по состоянию на 31.12.2014г. Уватское месторождение расположено в 20 км от города Нижнеудинска, рядом с Транссибирской железнодорожной магистралью и федеральной автодорогой "Байкал". Запасы кварцитов на площади 18 км2 оцениваются в 6,9 млн. тонн, из которых 693 тыс. тонн пригодны для производства кристаллического кремния. Лицензия на освоение кладовой минерального сырья выдается на 25 лет. В Иркутской области добыча кварцитов не ведется, хотя их запасы оцениваются в 1,5 млрд тонн. Между тем, на привозном сырье в городе Шелехове с 1980-х годов действует производство кристаллического кремния, в Братске работает завод ферросплавов, в Усолье-Сибирском налаживается выпуск поликристаллического кремния для солнечных батарей. Таблица 1.1 - Характеристика материала ФС 45 Марка: ФС 45 Классификация: Ферросилиций Дополнение: Показатели пожаровзрывопасности пыли: Температура самовоспламенения - 640 °С; Интенсивность газовыделения увлажненного порошка фракции 0–3 мм составляет 0,094 дм3/кг·ч. Нижний концентрационный предел распространения пламени 1000 г/м3; Применение: Применяется в сталеплавильной и литейной промышленности для раскисления и в качестве легирующей добавки при производстве коррозийно- и жаростойких, электротехнических и рессорно-пружинных сталей. Таблица 1.2 - Химический состав в % материала ФС 45 ГОСТ 1415 - 93 C Si Mn S P Cr Al до 0,2 41 - 47 до 1 до 0,02 до 0,05 до 0,5 до 2 Для выплавки ФС 45 используют наиболее дешевые и в то же время богатые по кремнезему материалы – кварц и кварцит, главной составляющей которых является кварц – широко распространенный минерал, представляющий собой более или менее чистый кремнезем SiO2. Кварц – плотный минерал кристаллического строения с плотностью 2,65 г/см3 и твердостью 7. Кварц имеет относительно высокую стоимость, поэтому его применяют при производстве кристаллического кремния. Кварцитами называют кремнистые песчаники, в которых цементируемое вещество и цемент представлены минералами кремнезема. С увеличением содержания SiO2 в кварците увеличивается извлечение кремния и производительность печи и снижается удельный расход электроэнергии. Для выплавки ферросилиция пригодны не все кварциты, т.к. различные их типы, даже одинакового химического состава, отличаются друг от друга поведением в плавке – в стадии как нагревания, так и восстановления при высоких температурах. Поэтому для выплавки ферросилиция марки ФС 45 используют кварцит марки КФ. Используется кварцит крупностью 25-70 мм. Обычно предварительно его подвергают мойке, дробят и сортируют. Дробление кварцита осуществляется на щековых и конусных дробилках, грохочение – на вибрационных грохотах и во вращающихся барабанах, в которых одновременно осуществляется и мойка. Ниже приведен химический состав кварцита по отраслевому стандарту, а в табл. 1.3 – химический состав кварцита Уватского месторождения. Марка кварцитаКФ Массовое содержание, %: SiO2(не менее)97,0 Al2O3 (не более)1,8 P2O5 (не более)0,02 Засоренность (глина, песок и т.п.) 1,0 Таблица 1.3 – Химический состав кварцита Уватское месторождение Массовое содержание, % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 Na2O 98,73 0,56 0,13 0,01 0,05 0,02 0,20 Массовое содержание, % K2 MnO P2O5 Ba + Cs Sr ND Сумма 0,21 0,01 0,01 0,02 0,002 0,003 99,96 При выплавке ферросилиция ФС 45 основным восстановителем является коксик-орешек. Коксик (полукокс) подвергают грохочению для отсева мелочи и крупной фракции, которую направляют для дробления на валковые дробилки. После дробления коксик вновь подвергают рассеву на вибрационных грохотах. Размеры кусков коксика следует подбирать в зависимости от его физико-химических свойств, мощности и рабочего напряжения печи. По ГОСТу коксовый орешек должен поставляться с содержанием влаги в среднем около 11%, золы - не более 11%, в кусках размером 10-25 мм, причем содержание мелочи (куски размером менее 10 мм) допускается до 10%. Если в коксике много мелочи, то затрудняется выход газов, нарушается ход печи. Наличие крупных кусков нежелательно, т.к. увеличивается электропроводность шихты, электроды поднимаются вверх, снижается производительность печи. Запорожский завод для 45%-ного применяет коксик с рабочей фракцией 5-25 мм. Также при производстве ферросилиция применяют и другие восстановители. Восстановитель должен обладать высокими электрическим сопротивлением и реакционной способностью по отношению к оксиду кремния, иметь низкую (1-3 %) и постоянную влажность. Целесообразно использование кокса, полученного из бурых, длиннопламенных, газовых и слабоспекающихся углей. Ферросилиций применяется для раскисления всех спокойных сортов стали, а также для легирования ряда марок конструкционной и трансформаторной стали (марочник сталей и сплавов тут). Низкокремнистые сорта ферросилиция применяются для предварительного раскисления стали в печи, высококремнистые - для раскисления и легирования стали в печи и в ковше, для раскисления шлака при электроплавке стали, а также при производстве малоуглеродистых ферросплавов. Стандарт на ферросилиции построен по содержанию в сплаве кремния. В последние десятилетия производятся сплавы, содержащие в среднем 18, 20, 25, 45, 65, 69, 75, 90 и 92% Si. Эти средние содержания входят в обозначение марок ферросилиция. Цифры показывают среднее содержание кремния в процентах. Например, ферросилиций ФС45 содержит 41-47% Si или в среднем 45% Si (рис. 3). Рисунок 3 - Кусковой ферросилиций ФС45 Сплавам железа и кремния свойственна значительная склонность к ликвации, которая тем больше, чем толще слиток и больше продолжительность затвердевания. Это объясняется различием плотностей существующих фаз в сплавах кремния с железом. Сплавы, содержащие 50-60% Si, при взаимодействии с влагой воздуха могут рассыпаться в порошок; склонность этих сплавов к рассыпанию усиливается с повышением содержания фосфора. В связи с этим содержание фосфора в высококремнистом ферросилиции допускается только до 0,03-0,05%. Некоторое влияние на рассыпаемость ферросилиция оказывает также повышенное содержание алюминия и кальция. Широкое применение при выплавке ФС 45 нашел ангарский полукокс, обладающий высоким электрическим сопротивлением и благоприятным составом золы, содержащей примерно 76% SiO2. Его использование позволило значительно улучшить технико-экономические показатели производства. Состав различных видов восстановителей приведен в табл. 1.4. Таблица 1.4 – Химический состав кварцита Восстановитель Влага рабочая, % Состав абсолютно сухой массы, % зола S P летучие SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO P Кокс: нефтяной 3,1 0,16 0,58 0,005 3,6 12-30 6-20 7-12 2-4 4-6 0,33 Коксик: полукокс ангарский 9 27 0,8 0,030 5,6 75 11,2 7,8 1,0 2,1 0,01 Запорожский ферросплавный завод применяет в качестве составляющих шихты отходы графитации, образующиеся на электродном заводе, и карборундовые "сростки" с абразивного завода. Состав этих материалов приведен в табл. 1.5. Таблица 1.5 – Состав отходов, содержащих карбид кремния. Наименование Химический состав, % SiC SiO2 FeO Al2O3 Ссвоб. Отходы графитации 20-27 3-35 5-6 1-2 20-28 "сростки" 50-55 20-30 1-1,5 1-1,5 10-16 Применение карборундосодержащих отходов экономически выгодно, т.к. они дешевы и содержат восстановленный в другом агрегате кремний. Основным железосодержащим компонентом шихты при выплавке ферросилиция является стружка высокоуглеродистых сталей. Необходимость включения в состав шихты металлического железа (стружки), а не оксидов (руды, агломерата, окатышей), объясняется тем, что кислородные соединения при сравнительно низких температурах могут легко взаимодействовать с SiO2 с образованием силикатных расплавов. Нельзя допускать использования чугунной стружки и стружки легированных сталей, а также загрязнения стружкой цветных металлов, т.к. фосфор из чугунной стружки, легирующие и цветные металлы переходят в сплав. Желательно использование стружки и отходов кремнистых сталей. Стружку необходимо дробить на стружкоизмельчителе до 50 мм или отсевать от витой стружки. Нецелесообразным является и применение железной руды, т.к. она вносит большое количество шлакообразующих требует дополнительных значительных затрат электроэнергии и восстановителя на восстановление оксидов железа и нагрев шлака. Замена стружки железной рудой при выплавке ФС 45 привела к увеличению расхода электроэнергии до 27828 МДж/т (7730 кВт ·ч/т), т.е. примерно на 10800 МДж/т (3000 кВт ·ч/т). Применение железной руды ухудшает качество сплава вследствие восстановления примесей из нее, а пылеватые руды, кроме того, резко снижают газопроницаемость колошника. В связи с этим при дефиците железной стружки более перспективно использование в качестве железосодержащих материалов отходов из огневой зачистки стали, металлизированных окатышей или железистых кварцитов. Ниже приведен состав шихты при выплавке ферросилиция ФС 45, кг: Кварцит 300 Кокс сухой 138 Стружка стальная 168 Термодинамика восстановления ведущего элемента Ферросилиций получают восстановлением кремнезема, содержащегося в кварците, твердыми углеродистыми восстановителями в присутствии стальной стружки. Восстановление кремнезема твердым углеродом в условиях электрической печи протекает по следующей суммарной реакции: SiO2(ж) + 2 С(Т) = Si(ж) + 2 СO(г) , для которой Δ G º = 666664 – 364,96 Дж/моль (159230 – 87,17·Т кал/моль) и теоретическая температура ее начала равна 1554 ºС. Константа равновесия суммарной реакции может быть написана в следующем виде: Кр = Pω2 · aSi , ac2 · aSiO2 где - парциальное давление СO, ат; aSi, ac2, aSiO2 – соответствующие индексы активности. При чистых исходных материалах кремнезем и углерод находятся в свободном состоянии, тогда aSiO2 и ac равны 1 и Кр=PCO2 · aSi , т.е. протекание реакции восстановления кремния определяется парциальным давлением оксида углерода. В промышленной печи для производства ферросилиция давление на колошнике примерно равно атмосферному, поэтому устанавливающееся в зоне восстановления парциальное давление оксида углерода лишь незначительно превышает атмосферное давление. При постоянном значении Pω2 значение константы для 45%-ного ферросилиция мало. Это означает, что выплавка сплава с меньшим содержанием кремния требует более низких температур. Исследования показали, что кремнезем восстанавливается углеродом и кремнием с образованием промежуточных продуктов – моноокиси кремния и карбида кремния. В печи также могут протекать процессы испарения и диссоциации кремнезема по следующим возможным схемам: SiO SiO2(пар) , SiO(г) C SiO, SiO2 Ci . SiC C Si, SiC ; SiO2(пар) , SiO(г) SiO2(Т) SiO2 Si; C SiO2 SiO2 C, SiC SiO C, Si, SiC Si; Si испарение, диссоциация испарение, диссоциация При высокотемпературном восстановлении, характерном для процесса получения ферросилиция, при атмосферном давлении наиболее вероятным кажется процесс восстановления SiO2 в две стадии: SiO2 конд + SiFe ж = 2 SiO(2) , SiO2 + CT = Si конд + CO2 . Жидкий кремнистый расплав обтекает кусочки шихты и вызывает интенсивное взаимодействие с образованием газообразной окиси кремния. Углерод довосстанавливает окись кремния. Окись кремния реагирует с углеродом как на внешней поверхности кусков коксика, так и в их толще, проникая в поры и трещины. Учитывая, что кремнезем, испаряясь, диссоциирует в основном на оксид кремния и кислород, и то, что в печи находится свободный углерод, следует считать основным кремнийсодержащим продуктом испарения кремнезема оксид кремния. Основными составляющими газовой фазы при относительно высоких температурах можно считать СО и SiO. Такие вещества, как CO2, SiO2 , Si, SiC2, Si2C и т.д. должны присутствовать в газовой фазе лишь в незначительных количествах. Это следует, прежде всего, из расчетов равновесия C + CO2 = 2 CO и результатов термодинамического анализа высокотемпературного испарения кремнезема. Присутствие SiC в выплавках из рабочего пространства или из настылей печей, выплавляющих ферросилиций, подтверждается многочисленными исследованиями. На ход реакции восстановления кремнезема в значительной степени влияет присутствие железа, которое, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, улучшая термодинамические условия ее протекания и снижая потери кремния. Отсутствие в шихте железа приводит к исключению из приходной части теплового баланса процесса тепла растворения кремния в железе, составляющего 2,5-3% прихода тепла. Присутствие железа значительно снижает температуру начала процесса восстановления кремнезема.
Расчет материального баланса плавки ферросилиция марки ФС
Расчет ведем 100 кг кварцита для плавки ферросилиция в закрытой рудотермической печи. Расчет количества восстановителя Результаты расчета количества углерода, необходимого для восстановления компонентов кварцита, приведены в таблице 5. Расчет ведем 1...
Открыть главуЗаключение
Причиной образования шлака при выплавке ферросилиция является использование шихтовых материалов загрязненных посторонними примесями. Основной вредной примесью являются: глинозем (А12О3), который вносит в ферросилиций алюминий, являющийся вредной примесью в готовой продукции.. Часть глинозема переходит в шлак, для формирования которого необходимо затратить дополнительно кремнезем (SiO2) и оксид кальция (СаО). Количество образующегося шлака относительно невелико и колеблется в зависимости от чистоты шихтовых материалов от 2 до 6 % веса сплава, причем большее количество шлака образуется при выплавке высококремнистых сплавов. Точный учет количества шлака, получающегося при выплавке ферросилиция, весьма затруднен, так как его удельный вес близок к удельному весу сплава, что приводит к запутыванию шлака в сплаве при выпуске из печи. С учетом запутавшегося сплава выход шлако металлической смеси составляет около 9 % от годового производства ферросилиция
Список литературы
Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. Общая металлургия. [Текст] : учебник для вузов / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев. – 6-изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 768 с. Нохрина О. И., Рожихина И. Д., Романенко Ю. Е. Расчет шихт для выплавки электроферросплавов [Текст] : учеб. пособие / О. И. Нохрина [и др.]. – Юргинский технологический институт. – Томск: изд-во Томского политехнического университета, 2014. – 241 с. Поволоцкий Д. Я., Рощин В. Е., Мальков Н. В. Электрометаллургия стали и ферросплавов. [Текст] : учебник для вузов / Д. Я. Поволоцкий, В. Е. Рощин, Н. В. Мальков. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1995. – 592 с. Рожихина И. Д. Основы теории и технологии производства ферросплавов. [Текст] : учеб. пособие / И. Д. Рожихина, О. И. Нохрина; СибГИУ. – Новокузнецк, 2016. – 357 с.
