§ 2. Физико-химические условия процесса плавки
Восстановление кремния из кремнезема протекает по реакции
Механизм восстановления кремнезема не исчерпывается приведенной суммарной реакцией. Считают возможным ступенчатое восстановление кремнезема до моноокиси SiO SiO2 + С = SiО + CO и образование карбида кремния по реакции
SiO + 2С = SiC + CO.
Карбид кремния нежелателен, так как вследствие его тугоплавкости (tпл > 2700° С) вязкость шлака возрастает. Чем больше железа в шихте, тем легче (при более низкой температуре) идет процесс. Связано это с тем, что при соответствующих температурах карбид кремния разрушается железом:
SiC + Fe = FeSi + C.
Несмотря на применение углеродистого восстановителя и угольную футеровку печи, ферросилиций содержит менее 0,1% углерода. Объясняется это тем, что силициды прочнее карбидов. В присутствии кремния растворимость углерода в сплаве уменьшается. Чем больше в сплаве кремния, тем меньше он содержит углерода. Эта закономерность распространяется на все металлы. Ею пользуются, когда нужно получить малоуглеродистые ферросплавы.
В восстановительных условиях более 60% фосфора из шихтовых материалов переходит в сплав. Сера почти целиком улетучивается. При работе на богатых кварцитах шлака образуется мало: 2—6% от массы сплава. Он содержит 32-35% А12О3, 22-26% SiO2, 9-18% СаО, 7-13% ВаО, 1-3% MgO, 7-14% SiC, 0,2-2,0% FeО и имеет температуру плавления 1650-1700°С.
§ 3. Технология производства ферросилиция
Технологическая схема производства ферросилиция приведена на рис. 1.
Шихтовые материалы, подготовленные в соответствии с указанными выше требованиями, хранят в бункерах шихтового участка по видам и подают после взвешивания и перемешивания дозирующими тележками в печные карманы. В дозировочную тележку из бункера навешивают первым коксик, затем стружку, кварцит и в последнюю очередь отходы графитации.
Для выплавки ферросилиция используют трехфазные печи мощностью 16,5 – 115 Мва. Печи выполняют открытыми (для производства высоко-процентных сплавов), закрытыми, герметизированными и с дожиганием газа под сводом, часто с вращением ванны. Подину и нижнюю часть стен выкладывают угольными блоками, верхнюю часть стен — шамотным кирпичом. В печи две летки для выпуска сплава — одна рабочая и вторая резервная.
Печи, закрытые сводом, позволяют использовать высококалорийный газ, уменьшить расход восстановителя, резко улучшить условия труда.
Медленное (реверсивное) вращение ванны на 40—50° в обе стороны облегчает ход плавки, так как способствует разрыхлению шихты и уничтожению настыли.
Рис. 1. Технологическая схема производства ферросилиция:
/ — ленточный транспортер; 2 — закрома; 3 — грейферный кран; 4 — железнодорожный вагон; 5 — барабан для рассева стружки; 6 —бункер; 7 — конусная дробилка; 8 — пластинчатый питатель; 9 — моечный барабан; 10 — обезвоживающий грохот; // —отсевы; 12 — грохот двухситный; 13 — дробилка кокса; 14 — элеватор; 15 — дозировочные бункера; 16 — дозатор; 17 — печные бункера; 18 — завалочная машина; 19 — труботечка; 20 — открытая рудовосстановительная печь для выплавки ФС75 и ФС90; 21, 24 — ковш для сплава; 22 — тележка; 23 — закрытая рудовосстановительная печь для выплавки ФС20, ФС25, ФС45, ФС65 и ФС70; 25 — машина для разливки сплава; 27 — короб; 28 — бак для грануляции сплава; 29 — газоочистка
Шихту в печь загружают при помощи завалочной машины. При загрузке перемешанных шихтовых материалов в печь стремятся создать и поддерживать вокруг электродов конусы шихты. Газы, образующиеся в зоне реакций, стремятся подняться вверх по поверхности электродов. Назначение конусов шихты — затруднить газам выход в этих местах, уменьшить потери тепла и кремния. Чем шире конус шихты, тем дальше от электрода выделяются языки пламени (сгорание окиси углерода в СО2), тем больше активная зона печи, тем лучше оседает шихта, тем выше производительность.
В зоне дуг в шихте образуется полость («тигель») с очень высокой температурой. Стенки тигля непрерывно оплавляются, кремнезем восстанавливается, кремний растворяется в жидком железе, жидкий сплав опускается на подину, новые порции шихты опускаются в зону реакций (рис. 2).
Рис. 2. Схематическое изображение разреза рабочего пространства печи для выплавки ферросилиция: 1 — область быстрого схода шихты; 2 — область медленного схода шихты; 3—гарниссаж; 4—угольная футеровка; 5—шамот
Выплавка ферросилиция – непрерывный процесс. Нормальный ход печи характеризуется медленным опусканием электродов по мере их сгорания, равномерным оседанием шихты вокруг этих электродов, выделением желтых язычков пламени как в центре между электродами, так и на значительном расстоянии от электродов, отсутствием потемневших спекшихся участков, отсутствием местных ослепительных факелов пламени — «свищей», устойчивой глубокой посадкой электродов в шихте, равномерным (по графику) выходом металла в соответствии с количеством загружаемой шихты и количеством израсходованной электроэнергии, регулярным выходом из печи шлака.
Выпуск ферросилиция из печи производится периодически по мере его накопления. При слишком редких выпусках замедляется процесс восстановления кремнезема, сплав перегревается и при выпуске уносит из печи больше тепла; при излишне частых выпусках увеличиваются потери металла в виде настылей в ковшах. Обычно при выплавке ФС20 и ФС25 производят шесть – семь и при выплавке ФС45, ФС65, ФС75 и ФС90 – четыре – пять выпусков в смену через равные промежутки времени. При нормальном состоянии летку открывают ломиком. Сначала сплав выходит тонкой струей, затем очень быстро разъедает отверстие и выходит из печи энергично. Продолжительность операции выпуска на нормально работающей печи около 15 - 20 мин.
Ферросилиции выпускают в ковш, футерованный шамотным кирпичом или облицованный графитовой плиткой; разливают в чугунные изложницы для слитков или чушки на разливочных машинах конвейерного типа.
В ряде случаев ферросилиций подвергают грануляции – распылению струи расплава с помощью водяных форсунок, с последующим охлаждением закристаллизованных шаровидных капель в специальных коробах, устанавливаемых в водоохлаждаемых баках. Кремний выпускают в ковш или в чугунную изложницу, подаваемую под летку. Для уменьшения приваривания сплава к разливочным формам их покрывают раствором извести и тщательно просушивают.
Под действием влаги некоторые сорта ферросилиция рассыпаются с выделением ацетилена с примесью мышьяковистого водорода и фосфористого водорода. Смесь этих газов обладает сильным чесночным запахом и чрезвычайно ядовита.
Рассыпание ферросилиция связано с одновременным присутствием в нем алюминия, кальция и фосфора. Особенно легко рассыпается ферросилиций, содержащий 56-65 % Si, поэтому такой сплав не выплавляют. Для предупреждения рассыпания ферросилиций хранят в сухих, хорошо вентилируемых помещениях и не допускают попадания атмосферной влаги. При медленном охлаждении жидкого ферросилиция наблюдают обогащение нижних слоев отливки железом, а верхних - кремнием. Неоднородность слитка – ликвация – достигает > 10 % по кремнию, что усложняет попадание в заданные пределы химического состава стали при выплавке. Для предотвращения ликвации ферросилиций разливают в массивные плоские чугунные изложницы, где он быстро застывает в виде плит толщиной 10-20 см или чушки массой 15 — 20 кг на конвейерных машинах.