Расчет и описание технологии выплавки ФС75

 

ВСТУП

В структурі гірничо-металургійного комплексу України важливе науково-технічне і соціально-економічне значення має  промисловий електрометалургійний потенціал з виробництва феросплавів, який представлений Запорізьким (ЗФЗ), Стаханівським (СФЗ) і Нікопольським (НЗФ) феросплавними заводами. Електропічні потужності на цих заводах складають 1500 МВА, тобто 45-48% від потужності всіх десяти феросплавних заводів колишнього СРСР. Основними видами феросплавів, які виробляються на вітчизняних заводах України, є феросиліцій з вмістом кремнію від 20% до 90% (ДСТУ 1415-78), феросилікомарганець від 15 до 20% Si (ДСТУ 3548-97) феромарганець (ДСТУ 3547-97).

Феросплавне виробництво  України має експортно-орієнтований характер. З всього широкого марочного  складу феросиліцію, переважно виплавляється  конкурентоздатний феросиліцій  марок ФС65, ФС70 і ФС75, який містить  відповідно 65; 70 та 75% Sі.

Світове виробництво феросиліцію, а отже його ринок, значною мірою  визначаються об’ємом виплавки сталі.

Зміцнення позицій вітчизняного феросиліцію в умовах жорстокої  конкуренції на європейському, американському та азіатському ринках феросплавів, може бути досягнуто подальшим ростом його конкурентоздатності шляхом підвищення якості сплаву за вмістом домішкових елементів, регламентованим фракційним складом та зниження собівартості за рахунок зменшення питомої витрати шихтових матеріалів, залученням в виробництво більш дешевих кварцитів і вуглецевих відновників та зменшення питомої витрати електроенергії.

Високо оцінюючи багатоплановість та глибину теоретичних розробок, опублікованих в журнальних статтях, збірниках наукових праць вітчизняних і закордонних авторів, все-таки слід зазначити, що ряд принципово важливих для теорії і технології задач залишився не тільки невирішеним, але і не позначеним в достатній мірі. Це відноситься, насамперед, до розробки термодинамічної моделі розрахунку рівноваги фаз в системах Si-0-С і Fе-Sі- О-С з урахуванням наявності водню в реакційному просторі ванни печі, ідентифікації складу надлишкових фаз виділення в структурах злитків феросиліцію, які призводить до їхнього розсипання з виділенням отруйних газів РН₃(АsН₃) та крихкості сплавів; вивчення пічних гетерогенних шлаків; визначення природної радіоактивності вихідних матеріалів, продуктів плавки та використання цих даних для контролю за процесами; узагальнення геометричних параметрів ванн та електричних режимів роботи феросплавних печей; обґрунтування нових видів вуглецевих відновників для виплавки феросплавів замість частини дорогого та дефіцитного коксу-горішка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Призначення феросиліцію, області використання та вимоги до нього

Феросиліцій - сплав заліза і кремнію, який використовують як розкислювач  і легуюча добавки для виплавки електротехнічних, ресорно- пружинних, корозійно-і жаростійких сталей, а також конструкційних і інструментальних сталей, легування і модифікування чавуну.

Цей феросплав надає стійкість  металів до високих температур і  корозії сталі, підвищує її пружність. Феросиліцій отримують в процесі  відновлення кварциту в дугових, руднотермічних печах.

Феросиліцій має широку сферу  застосування, тому він затребуваний на ринку сировини і користується попитом. Він відноситься до групи великих сплавів і широко використовується в промисловості. Транспортується цей феросплав в спеціальних контейнерах або у вигляді дроблених частинок.

На поверхні шматків феросиліцію  не повинно бути різко виражених

шлакових включень, піску  та інших чужорідних матеріалів. Допускаються сліди противопригарних матеріалів (вапна, піску тощо), шлакової плівки і виділення графіту. На 10% шматків феросиліцію від маси партії допускаються жужільна плівка і поодинокі шлакові включення. У загальній масі феросиліцій не повинен містити сторонніх матеріалів.

 

2. Вплив кремнію на якість та властивості сталі

Легування сталі кремнієм супроводжується підвищенням показників міцності при одночасному незначному зниженні відносного стиснення і збереженні відносного подовження приблизно на одному і тому ж рівні. Ударна в'язкість при вмісті в сталі кремнію 1,5% і більше різко знижується.

Загальний характер дії кремнію  на механічні властивості поліпшеної сталі має деякі риси подібності з впливом його на властивості  фериту. Дійсно, і в тому і в іншому випадку під впливом кремнію зростає міцність і знижується в'язкість металу. Таке явище цілком закономірно, оскільки кремній, як елемент, не утворює карбідів, головним чином впливає на феритну основу сорбіту поліпшеної сталі. До цього слід додати, що кремній сильно уповільнює процес укрупнення карбідів при відпустці і тому збільшує стійкість сталі проти відпустки, сприяючи досягненню при однаковій температурі відпустки більш високих показників міцності. Сукупність дії кремнію в зазначених напрямках призводить до того, що у відпущеної при однаковій температурі нагріву сталі з підвищенням вмісту кремнію зростає міцність, але знижується в'язкість.

Вплив кремнію на ударну в'язкість і температурний запас  в'язкості не є однозначним; при середньому вмісті цього елемента (приблизно 1,5%) його дія може оцінюватися швидше як позитивне; при високому вмісті (3,0%) - як явно негативне. Таким чином, слід вважати, що кремній в кількості приблизно до 1,5% надає швидше позитивний вплив на властивості поліпшеної сталі; кремнисті сталі, що містять до 1,5% 8і, при обробці на однакову твердість з нелегованими мають дещо більш високий запас в'язкості, а при рівній температурі відпустки перевершують нелеговану сталь за показниками міцності, поступаючись їй, проте, у в'язкості. Разом з тим введення в сталь значної кількості кремнію (більше 2% 8і) супроводжується погіршенням її в'язкості і температурного запасу в'язкості.

 

3. Фізико-хімічні властивості кремнію та його сполук

Кремній - хімічний елемент IV групи періодичної системи елементів  Д.І. Менделєєва. Його порядковий номер - 14, атомна вага - 28,08, атомний об'єм -12,04 • 10^-6 м³/моль. Кремній - металоїд, належить до підгрупи вуглецю. Атом кремнію має електронну конфігурацію 1s²2s²2р⁶3s²3р² і може виявляти валентність за киснем +2 та +4. За поширеністю в природі кремній поступається тільки кисню. При кімнатній температурі кремній хімічно досить інертний. Він активно реагує з фтором, утворюючи летюча з'єднання SiF₄, тоді як кислоти на кремній зазвичай не діють. Винятком є азотна кислота в суміші з фтористоводородній. Суміш цих кислот перетворює кремній в SiF₄. Для кремнію характерна дуже висока стійкість його зв'язки з киснем. Основні структурні одиниці кисневих сполук кремнію - SіО тетраедри, поєднуючись різним чином, утворюють все різноманіття природних кисневих сполук кремнію і найважливіших синтетичних матеріалів, в тому числі і неорганічних полімерів. Кремній здатний давати з'єднання з металами - силіциди. Найбільш важливими з них є силіциди заліза, марганцю, хрому, молібдену, цирконію. Це властивість кремнію широко використовується в технології виробництва низьковуглецевих феросплавів, а також при відновленні лужно-земельних і важковідновлювальних металів (Са, Мg, Zг, Аl та ін.) Сплави кремнію з залізом вивчені П.В. Гельд і його школою, особливу увагу було звернено на частину системи Fе - Sі, що відноситься до сплавів з його високим вмістом кремнію. Це пов'язано з тим, що, як видно з діаграми Fе - Sі в сплавах цього складу відбувається цілий ряд перетворень, значно впливають на якість феросиліцію різних марок. Так, дисіліцида FеSі₂ стабільний тільки при низьких температурах менше 1213-менш 1255 К. При високих температурах стійка його високотемпературна модифікація - Лебоіт. Вміст кремнію в цій фазі коливається в межах 53 - 56%. Надалі Лебоіт будемо позначати хімічною формулою Fе₂Sі₅, що практично відповідає максимальній концентрації кремнію в Лебоіт.

Массовая доля Sі, %

Рис. 1. Діаграма стану системи Fе – Sі

 

Термодинамічні властивості сплавів Fе-Sі (теплота змішання, активність, розчинність вуглецю) вивчені досить докладно. Відомості про розчинності вуглецю сплавах Fе-Sі наведені на рис. 1.

Рис. 2. Розчинність вуглецю  в сплавах Fе-Sі

1. - 1973 К; 2, 7 - 1873 К; 3 - 1773 К; 4 - 1673 К; 5 - 1573 К; 6 - насичення С,

7 - рівновага з SіС

 

Система Si-O. Діаграма стану системи - представлена на рис. 2.

Рис. 3. Диаграмма состояния  системи Sі-0

Знання цієї системи дуже важливо, оскільки кисневі сполуки  кремнію є основними компонентами феросплавних шихт і входять до складу шлакових розплавів при отриманні  феросплавів. В системі Sі-O відомі два кисневих сполуки кремнію - кремнезем SiO₂ і монооксид SіО. У природі кремній представлений тільки кремнеземом SiO₂. Це з'єднання кремнію відрізняється:

- високою твердістю (за шкалою Мооса 7) і тугоплавкісттю (Т_пл = 1996 К);

- високою температурою кипіння (Т_кип = 3532 К).

Особливістю модифікаційних перетворень SіO₂ є те, що вони супроводжуються значними змінами щільності і об'єму речовини, що може викликати розтріскування і подрібнення породи, високою схильністю до переохолодження. Тому є можливість в результаті швидкого охолодження зафіксувати структуру як рідкого розплаву (скло), так і високотемпературних модифікацій α- кристобалита і тридиміта. Навпаки, при швидкому нагріванні можна розплавити кварц, минаючи структури трідіміта і кристобалита. Температура плавлення SiO₂ при цьому знижується приблизно на 100 град.

З залізом кремній сплавляється в будь-яких співвідношеннях і  утворює ряд силіцидів Fе₂Sі₃, FеSі, FеSі₂, Fе₃Sі₂ та ін, з яких найбільш міцним є FеSі,. Його температура плавлення 1410 ° С; теплота утворення -80,4 кДж / моль. В системі Fе-Sі існують три евтектики: перша, відповідна вмістом 20% Sі і температурі плавлення 1195⁰С, друга 51% Sі і 1212 °С і третя 59% Sі і 1207 °С. Температура плавлення стандартних сортів феросиліцію не перевищує 1370 °С. Щільність сплавів кремнію з залізом змінюється в залежності від вмісту в них кремнію наступним чином:

 

Вміст кремнію, %...................	20	45	65	75	90
Щільність, г/см3………..........	6,4	5,15	3,76	3,27	2,55

 

Сплавів заліза і кремнію  властива більша схильність до ліквації (що досягає по кремнію 8-10%), тим більшою, чим товще злиток і більше час його затвердіння. Це, пояснюється великою різницею в щільності існуючих фаз в сплавах кремнію з залізом. Тому на розливних машинах феросиліцій розливають у злитки висотою не більше 100 мм.

При тривалому зберіганні феросиліцій розсипається. Це відбувається від дії знаходження в сплаві домішок Р,S, Са, Аl і одночасна присутність в сплаві лебоіта (містить 53,5 - 56,5% Sі і відповідно приблизно Fе₂Sі₅) можуть утворюватися фосфіди, сульфіди і карбіди кальцію та алюмінію, які від дії вологи утворюють сполуки з воднем, що викликають руйнування структури сплаву. Утворені отруйні гази: фосфористий водень РН₃, миш'яковистий водень АsН₃, а також ацетилен С₂Н₂, який при достатній концентрації може призвести до вибуху.

 

4. Сировинні матеріали

      Кремній після кисню найбільш поширений елемент в природі і становить 15% маси земної кори, яка містить 27,7% кисневої сполуки кремнію - кремнезему (SiO₂). Відомо більше двохсот різновидів природного кремнезем: пісок, кварц, кварцит, гірський кришталь, опал та багато інших.

Для виплавки кремнію і його сплавів використовують найбільш дешеві і в той же час багаті кремнеземом матеріали: кварцит, кварц і кварцовий піщаник. Головним мінералом кварцитів і більшої частини пісковиків є кварц-широко поширений мінерал, що представляє собою більш-менш чистий кремнезем SiO₂. Кварц - щільний мінерал кристалічної будови з щільністю 2,65 г/см³ і твердістю 7. Чистий кварц безбарвний або молочно-білого кольору. Температура плавлення його ~ 1700 ⁰С. Кварц має відносно високу вартість і застосовується при виробництві кристалічного кремнію. Кварцитами називають крем'янисті пісковики, в яких цементована речовина і цемент представлені мінералами кремнезему. Кварцит зазвичай характеризуються високою щільністю і значним опором стисненню (100-140 МПа), мають світле забарвлення з різних ними відтінками сірого, жовтого, рожевого та інших тонів.

При виробництві феросиліцію (або залізокремніевих лігатур) використовуються такі основні шихтові матеріали:

а) джерело кремнезему - кварцит;

б) вуглецеві відновники кремнезему - коксовий горішок, напівкокс, малозольні марки слабоспікливих;

в) в якості розпушувача колошника - тріска деревна;

Джерела надходження заліза в сплав:

- стружка сталева вуглецевих сталей;

- неофлюсованний агломерат,