Произврдство в доменой печи и сплавы

1 Общая часть

1.1  Свойства ведущего элемента, область применения

Кремний занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Это второй элемент IV главной группы, серо-стального или черного цвета с металлическим блеском, твердый и хрупкий. Электронная структура его 1S²2S²2p⁶3S²3p². Элементарный кристалл кремния представляет собой куб с ребром длиной 0,5417 нм. В соединениях с неметаллами кремний проявляет преимущественно положительные валентности 4 и 2. Кремний образует соединения почти со всеми металлами и проявляет отрицательную валентность 4.

Кремний имеет следующие основные физико-химические свойства:

· атомную массу 28,08;

· плотность 2,33 г/см3;

· температуру плавления 1683 К;

· температуру кипения 2953 К;

Упругость пара над жидким кремнием описывается уравнением, Па:

lg P_si = 9,017 – 16260 / Т

По электрическим свойствам кремний относится к полу­проводникам.

С кислородом кремний образует кремнезем SiO₂, температура плавления которого 1710ºС. Кремнезем имеет несколько модификаций: кварц α и β, кристобаллит α и β, тридимит α, β и γ и кремнеземистое стекло.

Теплота образования одного моля SiO₂:

по реакции Si_(T) + O_2(г)= SiO_{2(α-кварц)};

Δ H º = - 872,1 кДж

и для этой реакции

Δ G º₂₉₈ - 1690·К = - 883500 – 12,5·Т·Lg(Т) + 218,7 Дж/моль

Кремний с кислородом может образовывать также моноокись SiO₂.

Теплота образования газообразного оксида SiO₂ составляет

(- 89,45) - (- 91,96) кДж/моль,

а энтропия равна S º₂₉₈ = 211,5 Дж/(моль·К).

Зависимость изменения свободной энергии образования газообразного оксида SiO₂ от температуры имеет вид для реакции

Si_ж + 0,5 О₂ = SiO₂;

Δ G º_Т = - 163217 - 42,62·Т Дж/моль

С углеродом кремний образует карбид SiC, температура плавления которого выше 2700ºС. Теплота образования карбида составляет 62,8 кДж/моль. Энтропия SiC составляет 16,5 Дж/(к·моль) (2, 3, 6).

1.2  Свойства и назначение сплава

Ферросилиций – сплав кремния с железом и применяется как раскислитель и легирующая добавка при выплавке стали. Поэтому с железом кремний сплавляется в любых соотношениях (рис. 2.1) и образует ряд силицидов – Fe₂Si₃,FeSi,FeSi₂,Fe₃Si₂ и др., из которых наиболее прочным является FeSi, его температура плавления 1410ºС и Δ H º₂₇₃ = - 80,38 кДж/моль.

Система Fe–Si. Принятая диаграмма Fe–Si представлена

Кремний относится к ферритообразующим элементам и поэтому сужает область γ–Fe. Максимальная растворимость кремния в γ–Fe составляет 1,63%Si. Двухфазная область (a+γ) простирается до 1,94%Si. В системе существуют три эвтектики: первая, соответствующая содержанию 20%Si и температуре плавления 1195ºС, вторая- 51%Si и 1212ºС и третья – 59%Si и 1207ºС. В системе Fe–Si существует ряд силицидов: Fe₃Si (14,28%Si), Fe₂Si (20%Si), Fe₅Si₃ (23,18%Si), FeSi (33,46%Si) и FeSi₂ (50,15%Si).

Устойчивы до температуры плавления силициды FeSi и FeSi₂. Моносилицид FeSi (ε-фаза) имеет область гомогенности (33,2-34,2 % Si), кристаллизуется в кубической системе (а = 0,44898 нм). На рис. 1.2 отмечена область гомогенности силицида FeSi_2,3 (ξ-фаза).

Анализ частной диаграммы FeSi–Si

подтверждает, что при 1220ºС образуется высокотемпературная модификация FeSi_2,3 (ξ-фаза), называемая лебоитом, которая при 940ºС эвтектоидно распадается на кремний и низкотемпературную модификацию сисилицида FeSi₂. Эта же модификация образуется при 982ºС по перитектоидной реакции:

FeSi + FeSi_2,3 D FeSi₂ .

В частной системе FeSi–Si имеются две эвтектики: FeSi + FeSi_2,3 + FeSi_2,3 + Si  при 1206ºС и 1202ºС соответственно. Механизм образования FeSi₂ (β - FeSi₂) при затвердевании эвтектики FeSi_2,3 (α-Fe₂Si₅) + (ε-FeSi) зависит от температуры. Выше 865ºС  β-FeSi₂ образуется по перитектической реакции: α-Fe₂Si₅ + ε-FeSi " β-FeSi₂. Скорость образования β-FeSi₂ снижается при повышении температуры и выше 950ºС фаза β-FeSi₂ не образуется даже после выдержки 200 ч, ниже 860ºС β-FeSi₂ образуется  в  результате  диспропорционирования   α-Fe₂Si₅ " β-FeSi₂ + Si. При 800ºС α-Fe₂Si₅  полностью переходит в  β-FeSi₂  через 4ч.

Кривая ликвидус сплавов системы Fe-Si имеет сложный характер и это следует учитывать при разработке технологии выплавки и разливки ферросилиция. При увеличении атомной доли кремния до 20% температура ликвидус снижается с 1539ºС для чистого железа до эвтектической 1195ºС, а затем повышается и достигает максимального значения 1410ºС для эквиатомного состава, соответствующего моносилициду FeSi. В интервале концентраций кремния частной диаграммы FeSi-FeSi_2,3 температура снижается до эвтектической 1206ºС. Силицид FeSi_2,3 плавится при 1220ºС. В частной системе FeSi_2,3 - Si температура повышается от температуры эвтектики 1202ºС до температуры плавления чистого кремния 1415ºС.

Микроструктура  ферросилиция.

Сплав марки ФС 45 промышленной выплавки после травления аншлифов (1 часть HF + 10 частей HNO₃ + 10 частей ледяной уксусной кислоты) представлен светлой эвтектической фазой, в которой сконцентрирован Al, и крупными серыми дендритами ε-фазы (FeSi), содержащий в сравнительно больших количествах Cr и Mn (в марке ФС 45 допускается 0,6% Mn и 0,5% Cr). Последние изоморфно замещают атомы железа в моносилициде ((Fe, Mn, Cr) Si).

В сплаве ФС 45 соотношение плотностей ε- и лебоитной фазы составляет 1 : 0,78. В зависимости от содержания кремния в сплаве и скорости кристаллизации слитка лебоит может обогащать верхнюю или нижнюю части слитков.

Вследствие значительного различия плотностей железа и кремния существует обратная зависимость между плотностью ферросилиция и содержанием в нем кремния. Ниже приведены температура плавления и плотность ферросилиция марки ФС 45:

Марка ферросилиция..................................................... ФС 45

Массовое содержание кремния, %............................... 41 – 47

Температура плавления ºС, ..................................... 1210 – 1300

Кажущаяся плотность, г/см......................................... 4,9 – 5,4

Кремний является хорошим раскислителем, поэтому его сплавы используют при производстве сталей многих марок. Расход ферросилиция (в пересчете на ФС 45) составляет ~ 0,65% от выпуска стали. Обычно в сталях содержится 0,12-0,35% Si, в высоколегированных кремнистых сталях его содержание достигает 2-3% и более. Введение в конструкционную сталь до 2% Si повышает ее твердость, прочность, пределы упругости и текучести, способствует образованию волокнистой структуры, кремний улучшает свойства рессор и пружин. В шарикоподшипниковой стали (ШХ15СГ, Si – 0,4-0,65%) кремний уменьшает критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке. В электротехнической стали (Si 0,8-4,5%) кремний является единственным элементом, который улучшает электротехнические свойства железа. Наличие кремния увеличивает магнитную проницаемость и электросопротивление стали, понижает коэрцитивную силу, уменьшая тем самым потери и на перемагничивание, и на вихревые токи. В трансформаторной стали (Si – 3-4,5%) кремний снижает потери на гистерезис. В сочетании с другими элементами, особенно с хромом, кремний добавляют в инструментальные, коррозионно- и жаростойкие, рессорно-пружинные и другие стали.

Ферросилиций также широко используют в качестве восстановителя в металлотермических процессах для приготовления термитных смесей и взрывчатых веществ, при получении кремнийорганических соединений, для изготовления сварочных электродов и в ряде других областей промышленности (3-5, 13).

1.3  Выбор типа печи

Все цехи ферросплавного завода по назначению делятся на две группы: основные плавильные цеха, предназначенные для получения готовой продукции завода – ферросплавов, и вспомогательные цехи, обеспечивающие нормальную работу основных цехов. В свою очередь, плавильные цехи можно классифицировать по способу выплавки получаемых в них ферросплавов.

Ферросплавы производят двумя основным способами: электропечным и металлотермическим. Основное количество ферросплавов (96 % от общего объема производства) получают электропечным способом. Электропечные способы производства ферросплавов разделяют на непрерывные и периодические.

Характер процесса производства ферросплавов (непрерывный или периодический) определяет тип применяемого плавильного агрегата, систему дозировки  шихты, способ разливки  сплавов и тем самым проектные решения ферросплавных цехов. Таким образом, все действующие и проектируемые цехи по характеру применяемого процесса производства ферросплавов можно разделить на две группы: цехи для непрерывных процессов и цехи для периодических.

В зависимости от периода постройки и мощности установленных электропечей можно выделить четыре типа ферросплавных цехов по производству ферросилиция (ФС 45) для непрерывных процессов: с печами малой мощности, с печами средней мощности, с прямоугольными печами большой мощности.

В дипломе рассматривается технология производства ферросилиция марки ФС 45.

ФС 45 выплавляют в закрытой рудовосстановительной печи среднем мощности (печь типа РК3-24) непрерывным процессом.

Цехи по производству ферросилиция (ФС 45) с печами средней мощности, построенные в 60-70 гг. ,  оборудованы закрытыми рудовосстановительными печами мощностью 16,5-27 МВ·А. В дипломе рассматривается печь типа РК3-24. На печи установлена система улавливания и очистки отходящих газов. Металл разливается с применением конвейерных машин. Цех состоит только из двух пролетов одинаковой высоты: печного и разливочного.

Печь снабжается шихтой из отделения шихтоподготовки, расположенного в отдельном здании. Дозировка шихты осуществляется непрерывно, шихтоподача автоматизирована.

Цехи этого типа отличаются лучшими условиями труда и более высокой степенью механизации вспомогательных и ремонтных работ.

Выбор способа производства сплава зависит от типа применяемого плавильного агрегата. Так, производство ферросилиция марки ФС 45 углеродотермическим способом (УТП) осуществляется в рудовосстановительной электропечи.

При выборе мощности ферросплавной электропечи следует исходить из максимального ее значения. Практика показывает, что увеличение мощности электропечи позволяет улучшить все основные технико-экономические показатели производства (производительность труда, удельный расход электроэнергии, капитальные и эксплуатационные затраты).

Увеличение единичной мощности ферросплавной электропечи сопровождается одновременным укрытием и герметизацией подсводового пространства. Применение закрытой печи обеспечивает утилизацию физического и химического тепла колошникового газа, охрану окружающей среды, улучшение санитарно-гигиенических условий труда и эксплуатации оборудования (7).

1.4     Определение основных параметров печи, диаметра электродов и их распада

Ферросплавную печь характеризуют следующие параметры:

 1) номинальная мощность (мощность трансформатора) P_T, кВ·А ;

 2) производительность, G, т/сут ;

 3) интервал вторичных напряжений, В;

 4) максимальная сила тока в электроде, кА ;

 5) удельный расход электроэнергии w, МДж (кВт·ч)/т ;

 6) коэффициент мощности печи cos φ ;

 7) электрический к.п.д., η_э ;

 8) диаметр электрода, d_э , мм;

 9) внутренний диаметр ванны, d_в , мм;

10) диаметр распада электродов, d_р ;

11) глубина ванны, h, мм;

12) диаметр кожуха печи, d_к , мм;

13) высота кожуха печи, H, мм;

В настоящей дипломной работе рассматривается круглая трехфазная печь типа РК3-24. В круглой печи, электроды которой расположены по треугольнику, тепло концентрируется достаточно хорошо для того, чтобы образующиеся под каждым электродом плавильные тигли соединились между собой. Это позволяет работать с одним выпускным отверстием. У такой печи минимальна по величине теплоотдающая поверхность и у нее лучше используется тепло. При рациональной конструкции короткой сети и наличии установки искусственной компенсации реактивной мощности такая печь может работать с высоким коэффициентом мощности, достигающим 0,95 , и минимально выраженным явлением «мертвой» и «дикой» фаз.

Длина рабочего конца электродов у закрытой печи несколько больше, чем у открытой, что сказывается на увеличении потерь электроэнергии. Но в то же время в закрытой печи резко снижается индуктивное сопротивление короткой сети, т.к. шихтованный пакет шин доводится почти до центра свода печи.

Параметры ванны ферросплавной печи и, в частности, внутренний диаметр ванны d_в выбирают исходя из диаметра электрода d_э , диаметра распада электродов d_р , являющегося, в свою очередь, функцией диаметра электрода и рода выплавляемого сплава, и допустимой величины зазора а между и футеровкой.

Т.к. для определения параметров ферросплавной печи еще не создана научно обоснованная методика, их выбирают исходя из условия подобия размеров проектируемых и хорошо работающих печей. Основные параметры печи типа РК3-24 приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1 – Основные параметры печи типа РК3-24.