Произврдство в доменой печи и сплавы (166486)

Посмотреть архив целиком

24

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 Psi = 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) + O2(г)= SiO2(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


Siж + 0,5 О2 = SiO2;


Δ G ºТ = - 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 FeSi. Принятая диаграмма FeSi представлена

Кремний относится к ферритообразующим элементам и поэтому сужает область γ–Fe. Максимальная растворимость кремния в γ–Fe составляет 1,63%Si. Двухфазная область () 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 FeSi 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-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 FeSi2,3-фаза).

Анализ частной диаграммы FeSiSi

подтверждает, что при 1220ºС образуется высокотемпературная модификация FeSi2,3-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 + FeSi2,3  FeSi2 .


В частной системе FeSiSi имеются две эвтектики: FeSi + FeSi2,3 + FeSi2,3 + Si при 1206ºС и 1202ºС соответственно. Механизм образования FeSi2 (β - FeSi2) при затвердевании эвтектики FeSi2,3 (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-FeSi2,3 температура снижается до эвтектической 1206ºС. Силицид FeSi2,3 плавится при 1220ºС. В частной системе FeSi2,3 - 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) PT, 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., ηэ ;

8) диаметр электрода, dэ , мм ;

9) внутренний диаметр ванны, dв , мм ;

10) диаметр распада электродов, dр ;

11) глубина ванны, h, мм ;

12) диаметр кожуха печи, dк , 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 dв выбирают исходя из диаметра электрода dэ , диаметра распада электродов dр , 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.

Ферросплав

Электропечь

Ртр , МВ·А

Ра , МВт

Uн.с.,

В

Imax , кА

Размеры

ванны, м*

H, м

Dэ , м

dр , м

ФС 45

РК3-24

24,0

22,0

127-240

86

8,9/7,2

2,6

1,4

3


Примечание:


Ра - активная мощность электропечи;

Uн.с - напряжение на низкой стороне;

Imax - максимальная сила тока на электроде;

H, - глубина ванны;

Dэ - диаметр электрода;

dр - диаметр распада электрода.


Как правило, диаметр электрода выбирают, исходя из допустимой плотности тока на 1 см2 поперечного сечения электрода, величину которой снижают с увеличением диаметра электрода.

Допустимая плотность тока в электроде зависит от его материала и диаметра и составляет для самоспекающихся электродов 6-8 А/см2.

При выборе параметров печи важно правильно определить диаметр распада электродов. Слишком малый диаметр распада электродов приводит к наложению реакционных зон и, следовательно, к очень большой концентрации мощности. В результате температура в этой зоне резко повышается и понижается полезное сопротивление шихты, что приводит к высокой посадке электродов и к повышенным потерям в улет восстановленных элементов и тепла, особенно марганца, кальция, кремния. Выбор завышенного диаметра распада электродов приводит к дополнительным потерям тепла из-за слишком больших размеров ванны печи и к холодному ходу печи, к образованию под электродами отдельных, не связанных между собой реакционных тиглей и к затруднениям с выпуском сплава. В большинстве работ рекомендуется принимать диаметр распада электродов из условия dр > 2,5·dэ .

Для печей с вращающейся ванной диаметр dр может быть уменьшен до девяти десятых диаметра распада электрода печи аналогичной производительности, но со стационарной ванной. Это возможно, поскольку глубокая посадка электродов обеспечивается охлаждением реакционной зоны надвигающейся шихтой, разрушением хорошо электропроводного карборунда, уменьшением размеров тигля и изменением его формы, а также ввиду уменьшения вязкого и хорошо электропроводного слоя вокруг газовой полости тигля.

Отмеченные выше факторы и постоянное перемещение очагов высокой температуры относительно пода и стен печи облегчают службу футеровки печей с вращающейся ванной и позволяют снизить величину расстояния а от электрода до футеровки печи на 30% против принятой для стационарных печей до (0,8-1,0) dэ применительно к бесшлаковым процессам (выплавка ферросилиция ФС 45).

Для выбора диаметра ванны рекомендуются следующие соотношения:

  1. Для стационарных печей при бесшлаковом процессе


dв = dр + dэ + 2а = dр + 2,7dэ .


2. Для печей с вращающейся ванной (печь типа РК3-24) при выплавке 45%-ного ферросилиция (бесшлаковый процесс)


dв 0,9dр + 2,5dэ .


Отечественная практика и зарубежные данные показывают, что диаметр ванн для закрытых печей (РК3-24) обычно увеличивают на величину до 1,0·dэ сравнительно с аналогичными открытыми печами.

Наружный диаметр печи выбирают равным dв плюс двойная толщина футеровки, которая определяется мощностью печи и технологическими особенностями процесса.

Глубину h ванны определяют в зависимости от диаметра электрода и плотности тока в нем, рода выплавляемого сплава и мощности печи. Обычно для закрытых печей (печь типа РК3-24) высоту h определяют по условиям обеспечения надлежащего подсводового пространства, что приводит к ее увеличению примерно до 2,5-2,7 dэ [5, 6, 14,15].


1.5 Футеровка печи, система охлаждения, газоочистка


Конструкция и качество футеровки печи во многом определяют технико-экономические показатели производства ферросплавов. Выбор огнеупорных материалов для футеровки печи определяется технологией выплавки сплава, составами шлака и сплава. Так, горн печи, выплавляющей ферросилиций (ФС 45), выкладывают из угольных блоков.

Рабочим слоем футеровки печи служит так называемый гарнисаж, т.е. настыль, образованная из проплавляемой руды и сплава. Характерная особенность футеровки рудовосстановительной ферросплавной печи – относительно большая толщина подины. Большая толщина футеровки обеспечивает большую тепловую инерцию; аккумулированное тепло облегчает сохранение устойчивой температуры в плавильной зоне печи при кратковременных простоях ее. Общая толщина футеровки подины достигает 1,8 м (1,2 м – угольные блоки и 0,6 м – теплоизоляция).

Запорожский ферросплавный завод выполняет футеровку следующим образом. На кожух настилают слой асбеста толщиной 10 мм, насыпают слой шамотной крупки толщиной 60 мм и слегка утрамбовывают. выше кладут 8-11 рядов шамотного кирпича на плашку. Толщина шамотной подушки зависит от глубины ванны. Нижние 5-8 рядов кирпича кладут всухую с засыпкой швов шамотным порошком, а верхние 3 ряда – на растворе. Одновременно с кладкой подины выкладывают стены. Кожух обклеивают асбестовым листом. Между асбестом и шамотным слоем толщиной 230 мм оставляют зазор 80 мм для засыпки шамотной крупкой.

На шамотную кладку подины наносят 10-мм слой смеси графита с жидким стеклом и устанавливают вперевязку угольные блоки 400х400х1400 мм. Горизонтальные швы между рядами блоков стремятся сделать минимальными; вертикальные швы допускаются шириной 50 мм. Швы утрамбовывают нагретой подовой массой (электродная масса, содержащая не более 6-7 % летучих) с помощью нагретых трамбовок. Шамотную кладку стен выполняют на растворе. Стены выкладывают угольными блоками на высоту около 1300 мм. Выше угольных блоков стены выкладывают из шамотного кирпича (доменного). Высота этой кладки не менее 650 мм. Для выхода газов при разогреве печи в шамотной кладке стен оставляют по всей высоте 10-12 вертикальных каналов, которые после сушки засыпают шамотной крупкой.

По окончании кладки ванны угольные блоки облицовывают шамотным кирпичом (65 мм) для защиты от окисления во время разогрева.

Для контроля за разогревом в середину шамотной кладки подины закладывают термопару.

Выпускную летку и желоб выкладывают из угольных блоков. Для облегчения схода металла при выпуске устраивают небольшой наклон подины в сторону выпускной летки.

Разогрев новой печи ведут в течение 1,5-2 суток дровами, а затем в течение 3,5 суток на коксе под током, постепенно повышая мощность. На разогрев печи расходуется приблизительно 150 тыс. кВт-ч электроэнергии. За это время температура в середине шамотной кладки подины поднимается до 300 ºС.

Срок службы подины 3-4 года и более [2, 4, 6, 12].

Система охлаждения.

Температура в зоне работы электродержателя на печи достигает 400ºС, а в случае образования свищей может подниматься до 1000ºС.

Поэтому для нормальной работы электродержателя и токоподвода его необходимо охлаждать.

Cхема водоохлаждения шестищекового электродержателя.

Контактные щеки охлаждаются последовательно попарно, т.е. вода из токоведущей трубы поступает через латунную трубу в одну щеку, а по выходе из нее – в во вторую щеку и через токоведущую трубу – в водосборник. Также последовательно в целях лучшего использования теплоемкости воды охлаждаются и другие детали.

На закрытой печи дополнительно устраивают цепи водяного охлаждения свода, загрузочных воронок и труботечек, водяного затвора и газоотвода. В отдельных случаях применяют охлаждение кожуха печи и абразуры летки.

На каждую цепь водяного охлаждения вода подается из распределительной колонки и каждая питающая ветвь снабжена вентилем, позволяющим регулировать подачу воды. На участках гибких шин вода подается и отводится по резиновым шлангам, защищенным изоляцией из асбестового шнура.

Во избежание отложения накипи на стенках охлаждаемых деталей и трубопроводов температура отходящей охлаждающей воды не должна превышать 50ºС. Охлаждающую воду желательно химически обрабатывать, вводя в нее стабилизирующие добавки. Давление воды в питающих ветвях должно составлять не менее 300 кПа (3 ат) [2].

Газоочистка.

Ферросплавные электропечи – крупные источники пылегазовых выделений. Наибольшее количество пылегазовых выделений приходится на углеродотермические процессы (табл.1.2, 1.3).

Горячие газы, выходящие из закрытой электропечи (РК3-24), имеют температуру 300-600 ºС; они ядовиты из-за высокого содержания оксида углерода (70-90%), смесь газа с воздухом является взрывоопасной, газ содержит большое количество мелкодисперсной пыли. Поэтому, прежде чем подвести газ к месту потребления, необходимо предварительно охладить его и очистить от пыли.


Таблица 1.2 – Характеристика колошникового газа, образу­ющегося при выплавке ФС 45 в рудовосстановительной печи закрытого типа.

Ферросплав

Выход

газа на

1т сплава,

м3

Температура газа на выходе из печи, ºС

Средний химический состав газа,

% (об.)

Начальное

содержание

пыли,

г/м3

CО

CО2

О2

Н2

CН2

N2


Ферросилиций

ФС 45

800

600

85

3

1

4

0,5

5

20


Таблица 1.3 – Химический состав пыли при выплавке ферросилиция марки ФС 45.

Сплав

Массовая доля, %

SiO2

CaO

MgO

Al2O3

Fe2O3

Cr2O3

MnO

SO3

ФС 45

72,8-91,35

0,24-6,8

1,52-6,8

1,92-4,0

3-13

--

--

1,5-6


Для очистки технологических газов в цехах по производству ферросилиция (ФС 45) применяются мокрые и сухие системы газоочистки. На закрытых печах работают, как правило, мокрые газоочистки, оснащенные трубами Вентури

При этом способе пыль от газа отделяется в трубах Вентури. Запыленный газ отсасывается из печи с помощью центробежной газодувки через водоохлаждаемый газосборник в своде. Затем через орошаемый наклонный газоход он подается в шламоуловитель и трубу-распылитель Вентури. После каплеуловителя чистый газ поступает к потребителю.

Применяемые системы мокрой газоочистки обеспечивают конечную запыленность газа 10-15 мг/м3 при расходе воды 40-50 м3/ч. преимущество мокрой газоочистки состоит в том, что колошниковый газ в контакте с водой сразу же охлаждается. Однако в дальнейшем воду необходимо очищать от твердых частиц и растворенных веществ, чтобы обеспечить работу газоочистки с оборотным водным циклом.

По мере прохождения газа через элементы газоочистки и соприкосновения его с распыляемой форсунками водой, он охлаждается до 60-70ºС и очищается.


Случайные файлы

Файл
162293.rtf
д.з. 1 вар.doc
102130.rtf
20415-1.rtf
34088.rtf