SiCT + 2 SiO2(T) = 3 SiO(г) + CO2
; 2000 / 1934
2 SiCT + SiO2(ж) = 3 Siж + 2 CO(г) ; 2353
/ 2257
SiCT + CT + SiO2(Т) = 2 Siж + 2 COг ; 1982 /
1968
SiCT + 2 SiO2(ж) = COг + 3 SiOг ; 1998
/ 1937
SiCT + SiOг = 2 Siж + COг ; 2403
/ 2876
Взаимодействие
карбида кремния и железа по реакции
m Fe + n SiC = FemSin + CT + n C
начинается с 1500
К и интенсивно проходит при 1500-1600 К. Продуктом реакции является
ферросилиций и графит. Расчеты показывают, что изменение энергии Гиббса реакции
разрушения карбида кремния железом в интервале 1100-1700ºС имеет
отрицательное значение, что и объясняет неустойчивость его в присутствии
железа:
Т,
К
|
………..
|
1400
|
1600
|
1800
|
2000
|
2200
|
-
ΔG, Дж
|
………..
|
12
125
|
17
266
|
27
442
|
35
075
|
43
000
|
Рассмотренные
данные позволяют наметить следующую приближенную схему протекания процессов в
активной зоне (тигле) ферросилициевой печи. На глубине ~ 200 мм шихта
претерпевает значительные изменения. Кварцит оплавляется, кокс с поверхности превращается
в карбид кремния, из железной стружки образуются капельки сплава, содержащего
до 20% Si. Насыщение железа кремнием
происходит преимущественно в результате взаимодействий SiO с углеродом и SiC с расплавленным железом, а также за
счет паров кремния. У поверхности газовой полости заканчивается преобразование
материалов в конденсированных фазах. Кварцит полностью расплавляется,
начинается образование нестехиометрического кремнекислородного остатка, кокс
преобразован в карбид кремния, постепенно повышается (по-разному для различных
марок ферросилиция) содержание кремния в сплаве. В тигле, в зоне наиболее
высоких температур появляется SiO,
образующийся в результате взаимодействия кремнекислородной жидкости с углеродом
и карбидом кремния, а в непосредственной близости к плазменному шнуру, где
температура достигает нескольких тысяч градусов, также происходит диссоциация
оксидов кремния. В более холодных зонах тигля образуется кремний в результате
восстановления SiO.
«Дно» тиглей
характеризуется составами, в которых основными фазами являются анортит (CaO · Al2O3 · SiO2), геленит (2 CaO · Al2O3
· SiO2), SiC, силикатное стекло и корольки сплава с переменным
содержанием кремния. Ниже уровня «дна» тиглей формируется шлакокарбидная зона,
основным компонентами которой являются Al2O3, CaO и SiO2 примерно в таком же соотношении, как и в конечных шлаках, и
крупнокристаллический SiC, содержание которого
колеблется в пределах от 30 до 60 %.
В зоне медленного
схода шихты и в боковом гарнисаже активных восстановительных взаимодействий не
происходит и эти зоны играют второстепенную роль в процессах формирования
сплава. Гарнисаж стен в основном состоит из кристобалита, реже – тридимита,
остатков кокса, чаще – псевдоморфозов SiC по коксу. В зоне мед ленного схода
шихты (между электродами) наблюдаются тяжелые ноздреватые конгломераты,
пористая агломератовидная масса из преобразованных шихтовых материалов, по
химическому составу промежуточных между гарнисажем стен и материалом из стен
газовых полостей, шлак и сплав переменного состава. Эти зоны не являются
постоянными, их размеры и форма изменяются в зависимости от периода плавки,
марки выплавляемого сплава, подводимой мощности, частоты вращения ванны печи и
др.
Наряду с
восстановлением кремнезема в электропечи происходит частичное восстановление
примесей кварцита и золы восстановителей: Al2O3, CaO, MgO и др. до элементов или карбидов, которые могут затем разрушаться
железом, кремнием или кремнеземом. Восстановление примесей часто осуществляется
за счет кремния.
Восстановление
окислов железа, содержащихся в шихтовых материалах, протекает практически
полностью. В восстановительных условиях печной плавки значительное количество
фосфора из шихты переходит в сплав. Содержащаяся в ней сера в основном удаляется
в виде летучих соединений с кремнием: SiS и SiS2.
Производство
ферросилиция относится к бесшлаковым процессам, но тем не менее получение
сплава всегда сопровождается получением некоторого количества шлака (на 1т
ФС 45 получается 25-30 кг шлака). Причиной шлакообразования являются
примеси шихтовых материалов, которые по физико-химическим условиям процесса не
могут быть полностью восстановлены (глинозем, оксиды кальция, бария, магния и
т.п.) и которые ошлаковываются кремнеземом. При недостатке восстановителя шлак
обогащается кремнеземом, а также карбидом кремния вследствие разрушения
гарнисажа. Результаты анализа шлаков на ЗФЗ и АЗФ приведены в табл.2.5. В
шлаках обнаружены следующие собственно шлаковые минеральные фазы: геленит – 2 CaO · Al2O3 · SiO2, анортит – CaO · Al2O3· · 2 SiO2, сарколит – 3 CaO · Al2O3, гексаалюминат кальция – CaO · ·6 Al2O3, корунд – Al2O3, шпинель – MgO · Al2O3, диалюминат кальция – CaO · 2 Al2O3, сульфид кальция – CaS и силикатное стекло.
Таблица 2.5 –
Химический состав шлаков на ЗФЗ и АЗФ.
Восстановитель
|
Влага
рабочая,
%
|
Состав
абсолютно
|
|
|
зола
|
S
|
P
|
летучие
|
SiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
P
|
Донбасса
|
5
|
9-10
|
1,8
|
0,015
|
1,6-2
|
34-38
|
18-27
|
18-30
|
2-6
|
1-3
|
0,1-0,2
|
нефтяной
|
3,1
|
0,16
|
0,58
|
0,005
|
3,6
|
12-30
|
6-20
|
7-12
|
2-4
|
4-6
|
0,33
|
Шлаки имеют
высокую температуру плавления (1500-1700 ºС), характеризуются значительной
вязкостью, составляющей 1-5 Па·с, причем их вязкость повышается при повышении
содержания кремнезема и карбида кремния (например, при недостатке восстановителя).
Вследствие
высокой вязкости шлак частично остается в печи и вызывает зарастание ванны, при
этом снижается производительность печи, увеличивается удельный расход
электроэнергии и сокращается продолжительность кампании. В связи с этим
необходимо полностью удалять из печи образовавшийся шлак, что достигается при
глубокой и устойчивой посадке электродов и достаточном количестве
восстановителя в шихте. Полному удалению шлака способствует вращение ванны
печи, обеспечивающее разрушение карбидов и равномерный прогрев подины печи. В
некоторых случаях при скоплении шлака его удаляют при помощи извести,
задаваемой в печь. Однако введение флюсующих приводит к увеличению количества
шлака и повышению удельного расхода электроэнергии. Основные меры борьбы со
шлакообразованием при производстве ферросилиция сводятся к строгому контролю за
введением в печь достаточного количества восстановителя и применению возможно
более чистых материалов.
Производство
ферросплавов сопровождается образованием значительного количества отвальных
шлаков. Кратность шлака (отношение массы шлака к массе металла) при выплавке
ферросилиция составляет 0,05-0,1 (бесшлаковый процесс).
Ферросплавные
шлаки содержат корольки готового сплава и невосстановленные оксиды ведущих
элементов сплавов. К тому же они обладают прочностью, абразивностью,
огнеупорностью. Общий выход ферросплавных шлаков составляет более 5 млн. тонн в
год. Перерабатывают около 45% этих шлаков.
Отвальные шлаки
при производстве ферросилиция содержат до 30-50% готового металла в виде
корольков и до 15% карбида кремния. Эти шлаки успешно используются в составе
раскислительных и рафинирующих смесей в сталеплавильном производстве [3-7].
2.6
Технология выплавки
Для выплавки
ферросилиция марки ФС 45 используют трехфазные печи различной мощности. Печи
выполняют открытыми, закрытыми, герметизированными и с дожиганием газа под
сводом, часто с вращением ванны. Такие печи позволяют снизить расход шихтовых
материалов и электроэнергии и затраты труда, очищать выбросы в атмосферу и использовать
колошниковые газы. Наблюдаемый значительный прирост мощности электропечной
установки вызван тем, что при этом сокращаются капитальные и эксплуатационные
затраты.
В дипломе
рассматривается технология выплавки ферросилиция марки ФС 45 в закрытой
трехфазной печи мощностью 24 МВА непрерывным процессом. Производство
ферросилиция в закрытой печи непрерывным процессом экономически целесообразно,
т.к.:
· снижается расход шихтовых
материалов и электроэнергии;
· уменьшаются затраты труда;
· извлечение ведущего элемента
достигает 85 - 90 % ;
· закрытая печь решает вопрос
защиты окружающей среды от загрязнения и позволяет утилизировать отходящие
газы.
Основные задачи
правильного обслуживания закрытой печи сводятся к:
· поддержанию необходимого
давления под сводом;
· обеспечению равномерного
схода шихты
· предотвращению чрезмерного
выбивания газа через загрузочные воронки и забивания пылью подсводового
пространства и газоходов печи.
Строение ванны
закрытой печи при выплавке ферросилиция практически не отличается от строения
ванны открытой печи, поэтому характер процессов в горне открытой и закрытой
печи одинаков.
Ванны печей для
выплавки ферросилиция выполняются круглыми с угольной футеровкой. Футеровка
печи для выплавки ферросилиция (ФС 45) мощностью 24 МВА.
Для набивки швов угольной кладки
применяют подовую массу.
Высота угольных
стен горна печи обычно составляет 1200 - 1900 мм. Для обкладки днища и стенок
кожуха используют асбестовый лист толщиной 10-15 мм. Подину и стены выполняют
из алюмосиликатного кирпича, подину футеруют насухо (за исключением второго и
третьего рядов, выкладываемых на растворе), а стены – на глинисто-мермельном
растворе. Между кожухом и футеровкой имеется слой засыпки из алюмо-силикатной
крупки (100-150 мм), компенсирующий тепловые расширение кладки и служащий
добавочной теплоизоляцией.
Печь работает на
самоспекающихся электродах Ø1200 мм и Ø1400 мм. Глубина
погружения электродов в шихте ниже загрузочных воронок должна быть не менее
1500 мм для ФС 45.
И.Т. Жердев
отмечает, что в закрытой печи шихта на пути к колошнику прогревается в
воронках до 350-600 ºС и теряет не менее 65% гигроскопической
влаги; выделяется значительная часть летучих; диоксид углерода CO2 при повышении температуры образует монооксид
СО, на что расходуется углерод шихты. Газовую фазу подсводового пространства
характеризует высокое содержание монооксида углерода; при попадании
непросушенной шихты скачками повышается содержание H2. Главными составляющими газовой фазы
в печи являются CO, SiO2 и конденсаты, выпадающие из газовой
смеси, образующиеся в результате или превращения самих составляющих, или их
взаимодействия по следующим реакциям:
SiO + CO2 " CO + SiO2 ; (2.1)
2 CO " C + CO2 ; (2.2)
SiO + CO " C + SiO2 ; (2.3)
3 SiO + CO " SiC + 2 SiO2 ; (2.4)
2 SiO " Si + SiO2 ; (2.5)
Около половины
конденсатов являются продуктами реакции (2.4) и ~ 30% получены по реакции
(2.5). Состав пыли в подсводовом пространстве изменяется в зависимости от марки
выплавляемого сплава. Так, при выплавке ФС 45 в пыли возрастает количество SiC, SiO и продуктов его окисления – лешательерита и кристобалита. Химический
состав пыли при выплавке ФС 45 приведен в табл. 2.17.
Таблица 2.17 –
Химический состав пыли при выплавке ФС 45.
Сплав
|
Массовая
доля, %
|
SiO2
|
Mn
|
CaO
|
MgO
|
Al2O3
|
FeO
|
P
|
C
|
S
|
ФС
45
|
77,8-91,2
|
0,35-0,6
|
0,24-0,8
|
1,52-6,8
|
1,92-2,0
|
3,22-6,48
|
0,05
|
не
опр.
|
2,95-12,35
|
Зарастание
подсводового пространства конденсатами из колошниковых газов, при прочих равных
условиях, является, главным образом, результатом недостатка углерода в ванне
печи. Однако избыток восстановителя также приводит к выходу колошниковых газов
в большом количестве с более высокой температурой и с повышенным содержанием в
них SiO вследствие недостаточного
погружения электродов в шихту. Для обеспечения нормального хода
восстановительного процесса в закрытой печи необходимо при прочих равных условиях
ограничивать поступление в подсводовое пространство газообразных продуктов,
способных образовывать конденсаты. Для уменьшения подсоса воздуха загрузочные
воронки и течки должны быть заполнены шихтой, а печные бункера – заполнены не
менее, чем на половину объема.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
|