1.2. Физико-химические условия производства

Реакция восстановления кремния из кремнезема с участием твердого углерода описывается следующим образом:[3]

SiO_2(ж) + 2СО_г 2СО_2(г) + Si_ж , ΔН = 306,18 кДж/моль,

2СО_2(г) + 2С_тв 4СО_(г) , ΔН = 345,392кДж/моль,

__________________________________________________________

SiO₂ + 2C_тв Si_ж + 2СО_г , ΔН = 651,572 кДж/моль.

Константа равновесия суммарной реакции равна:

Для находящихся в свободном состоянии кремнезёма и углерода и равны единице; тогда

,

т.е. ход реакции восстановления кремния определяется парциальным давлением .

Практически при выплавке ферросилиция давление на колошнике равно атмосферному, а в зоне восстановления кремния оно немного выше атмосферного. Для производства сплава с меньшим содержанием кремния требуются более низкие температуры, когда константа равновесия при постоянном парциальном давлении оксида углерода имеет меньшее значение. Благодаря присутствию в зоне реакции железа, которое растворяет кремний, равновесие сдвинуто вправо и восстановление кремнезема начинается уже при 1150^о С. Реальный процесс восстановления кремния сложнее и не исчерпывается приведенной суммарной реакцией. Для двухстадийного восстановления:

,

SiO _г + С_тв = Si_(конд) + СО_г ,

В качестве промежуточного продукта при температуре 1700^о С образуется карбид кремния, т.е.

SiO_г + 2С_тв = SiC_тв +СО_г.

При соответствующих температурах карбид кремния разрушается железом: SiC_тв + Fe_ж = FeSi_ж + С_тв.. [3]

1.2.1. Состав шлака

Невосстановленные оксиды сплавляются с кремнеземом и образуют шлак. При нормальном ходе плавки количество шлака составляет 2 – 6% от массы металла, который содержит 30 – 50% SiO₂, 10 – 25% Al₂O₃, 8 – 15% СаО, 2 – 5% MgО, 0,2 – 2,0% FeO. Температура плавления таких шлаков 1500 – 1700^оС. Высокая вязкость шлака приводит к затруднениям при удалении его из печи. В результате ванна печи зарастает шлаком, снижается производительность печи, увеличивается удельный расход электроэнергии. Во избежание этого следует использовать для производства чистые материалы, полностью удалять шлак из печи. Последнее достигается глубокой и устойчивой посадкой электродов, оптимальным количеством восстановителей в шихте, вращением ванны печи.

1.3. Технология производства ферросилиция

Ферросилиций выплавляют в круглых печах мощностью 22,5 – 63МВА разных конструкций - стационарных и вращающихся, открытых и закрытых, герметизированных и других. Рабочий слой футеровки новых печей выполнен из угольных блоков. В процессе эксплуатации на них образуется гарнисаж, который и является фактически рабочим слоем футеровки, предохраняющим угольные блоки от разрушения. Для поддержания надлежащего дугового режима рабочее напряжение должно быть 150…250 В, а рабочий ток – 35…100кВА.

Ферросилиций выплавляют непрерывным процессом. Нормальный ход процесса в открытой печи характеризуется равномерным газовыделением по всей поверхности колошника, отсутствием на колошнике спекшихся участков и мест локального выхода газов – «свищей», равномерным сходом шихты у электродов и в межэлектродном треугольнике, устойчивой глубокой посадкой электродов и равномерной электрической нагрузкой на них, систематическим выходом из печи при выпуске жидкоподвижных сплава и шлака, стабильной переработкой одного и того же количества шихты при постоянном удельном расходе электроэнергии. На мощных печах глубина погружения электродов в шихту должна составлять 1300…2700мм. При этом обеспечиваются минимальные тепловые потери и улет кремния, и максимально большое количество проплавляемой шихты. [2]

Глубину погружения электродов регулируют напряжением и электрическим сопротивлением шихты. При увеличении напряжения и уменьшении сопротивления шихты плавильные тигли вытягиваются вверх, увеличивается улет восстановительных элементов, понижается температура на дне плавильного тигля. Электрическое сопротивление шихты регулируют изменением ее состава и размера кусков. Проводимость шихты увеличивается при увеличении в ее составе восстановителя и размера его кусков. Использование восстановителя с высоким удельным электрическим сопротивлением обеспечивается глубокую устойчивую посадку электродов.

Поскольку производство ферросилиция процесс бесшлаковый, под электродами образуется газовые полости – плавильные тигли, в которых горят электрические дуги. При горячем ходе печи они соединяются и образуют общий тигель, на дне которого накапливаются жидкие продукты плавки – сплав и шлак. Стены тигля непрерывно оплавляются в результате протекающих процессов – восстановления, шлакообразования, плавления и др. Газы, образующиеся в плавильном тигле, проходят через слой шихты, нагревают ее, происходит конденсация паров кремния и других элементов. Для равномерного распределения газового потока по сечению колошника необходимо предотвращать спекание шихты на колошнике. Это достигается подбором соответствующего компонентного состава шихты, систематической прошивкой колошника, разрыхлением шихты за счет вращения ванны печи, загрузкой относительно большого количества шихты около электродов. Шихту следует загружать небольшими порциями и поддерживать постоянный уровень засыпи. Перегруз шихты приводит к смещению плавильной зоны вверх, а недогруз – к излишним потерям тепла и повышенному улету восстановительных элементов.

К основным нарушениям в работе электрического оборудования относится использование коротких и чрезмерно длинных электродов. Работу на коротких электродах сопровождают те же явления, которые характерны для работы с избытком восстановителя. При чрезмерно длинных электродах в них теряется много электроэнергии, кроме того, возможны посадка электродов в шлак и потеря дугового режима. Печь перестает принимать шихту.

Целесообразно выплавлять ферросилиций в печах с вращающейся ванной. При этом объем газовых полостей уменьшается в три – четыре раза по сравнению с их объемом при стационарной ванне. Меняется конфигурация газовой полости. Она формируется с набегающей стороны электрода, а со сбегающей практически отсутствует. Шихта «вспахивается» неподвижными электродами, что препятствует спеканию колошника и увеличению площади активных зон более чем в два раза. Шихту в относительно большем количестве следует заваливать с набегающей стороны электрода.

Ванна закрытой печи имеет практически такое же строение, как и ванна открытой. Расстройства нормального хода обусловлены избытком и недостатком восстановителя в шихте, зависанием шихты в труботечках и загрузочных воронках, забиванием подсводового пространства конденсатами и пылью, прогаром свода и воронках и попаданием в печь воды, нарушением оптимального режима перепуска электродов. [2]

Ферросилиций относится к большой группе ферросплавов и и его производством занято более половины всех ферросплавных мощностей России. Отечественный стандарт на ферросилиций предусматривает производство сплавов, содержащих в среднем 20, 25, 45, 65, 69, 75, 90 и 92% кремния. Среднее содержание входит в обозначение марки ферросилиция.

Плавка ферросилиция, как отмечалось, процесс бесшлаковый, поэтому необходимо использовать чистое сырье, с низким содержанием оксидов алюминия, кальция, титана, фосфора, а в некоторых случаях и железа. В качестве кремнийсодержащих руд используют кварц, кварцит и халцедон, горные породы с содержанием SiO₂ от 95% до 98%.

При выплавке сплавов ФС20, 25, 45, 65 используют наиболее дешевый восстановитель – орешки металлургического кокса. [3]

Железо в шихту для производства ферросилиция вводят в виде стружки углеродистых сталей, раздробленный до 50 мм. Недопустимо использование железной руды, чугунной стружки и стружки легированных сталей.

Ферросилиций выплавляют в круглых печах мощностью 16,5…115МВА разных конструкций - стационарных и вращающихся, открытых и закрытых, герметизированных и других. Рабочий слой футеровки новых печей выполнен из угольных блоков. В процессе эксплуатации на них образуется гарнисаж, который и является фактически рабочим слоем футеровки, предохраняющим угольные блоки от разрушения. Для поддержания надлежащего дугового режима рабочее напряжение должно быть 150…250 В, а рабочий ток – 35…100кА. [1]

Ферросилиций выплавляют непрерывным процессом. Нормальный ход процесса в открытой печи характеризуется равномерным газовыделением по всей поверхности колошника, отсутствием на колошнике спекшихся участков и мест локального выхода газов – «свищей», равномерным сходом шихты у электродов и в межэлектродном треугольнике, устойчивой глубокой посадкой электродов и равномерной электрической нагрузкой на них, систематическим выходом из печи при выпуске жидкоподвижных сплава и шлака, стабильной переработкой одного и того же количества шихты при

постоянном удельном расходе электроэнергии. На мощных печах глубина погружения электродов в шихту должна составлять 1300…2700мм. При этом обеспечиваются минимальные тепловые потери и улет кремния и максимально большое количество проплавляемой шихты. [3]

Глубину погружения электродов регулируют напряжением и электрическим сопротивлением шихты. При увеличении напряжения и уменьшении сопротивления шихты плавильные тигли вытягиваются вверх, увеличивается улет восстановительных элементов, понижается температура на дне плавильного тигля. Электрическое сопротивление шихты регулируют изменением ее состава и размера кусков. Проводимость шихты

увеличивается при увеличении в ее составе восстановителя и размера его кусков. Использование восстановителя с высоким удельным электрическим сопротивлением обеспечивается глубокую устойчивую посадку электродов.

Поскольку производство ферросилиция процесс бесшлаковый, под электродами образуется газовые полости – плавильные тигли, в которых горят электрические дуги. При горячем ходе печи они соединяются и образуют общий тигель, на дне которого накапливаются жидкие продукты плавки – сплав и шлак. Стены тигля непрерывно оплавляются в результате протекающих процессов – восстановления, шлакообразования, плавления и др. Газы, образующиеся в плавильном тигле, проходят через слой шихты, нагревают ее, происходит конденсация паров кремния и других элементов. Для равномерного распределения газового потока по сечению колошника необходимо предотвращать спекание шихты на колошнике. Это достигается подбором соответствующего компонентного состава шихты, систематической прошивкой колошника, разрыхлением шихты за счет вращения ванны печи, загрузкой относительно большого количества шихты около электродов. Шихту следует загружать небольшими порциями и поддерживать постоянный уровень засыпи. Перегруз шихты приводит к смещению плавильной зоны вверх, а недогруз – к излишним потерям тепла и повышенному улету восстановительных элементов. [1]

К основным нарушениям в работе электрического оборудования относится использование коротких и чрезмерно длинных электродов. Работу на коротких электродах сопровождают те же явления, которые характерны для работы с избытком восстановителя. При чрезмерно длинных электродах в них теряется много электроэнергии, кроме того, возможны посадка электродов в шлак и потеря дугового режима. Печь перестает принимать шихту.

Целесообразно выплавлять ферросилиций в печах с вращающейся ванной. При этом объем газовых полостей уменьшается в три – четыре раза по сравнению с их объемом при стационарной ванне. Меняется конфигурация газовой полости. Она формируется с набегающей стороны электрода, а со сбегающей практически отсутствует. Шихта «вспахивается» неподвижными электродами, что препятствует спеканию колошника и увеличению площади активных зон более чем в два раза.

Шихту в относительно большем количестве следует заваливать с набегающей стороны электрода.

Ванна закрытой печи имеет практически такое же строение, как и ванна открытой. Расстройства нормального хода обусловлены избытком и недостатком восстановителя в шихте. Зависанием шихты в труботечках и загрузочных воронках, забиванием подсводового пространства конденсатами и пылью, прогаром свода и воронках и попаданием в печь воды, нарушением оптимального режима перепуска электродов.

Выпускают жидкие продукты плавки из печи периодически. Количество выпусков должно быть оптимальным. При слишком частых выпусках нарушается тепловое состояние нижней части печи из – за больших потерь тепла. Это приводит к затруднениям в выпуске сплава и шлака и потерям сплава при разливке. Слишком редкие выпуски приводят к накоплению больших количеств сплава и шлака в плавильном тигле, что снижает скорость восстановительных процессов, увеличивает потери кремния в улет. Оптимальным считается 6…7 выпусков в смену при выплавке ФС18, 20, 25 и 4…5 выпусков для ФС 45, 65, 75, 90. Сплав и шлак выпускают в ковш, футерованный шамотом или графитовой плиткой. Разливку ведут в горизонтальные изложницы – поддоны для получения плоских слитков, на конвейерных и карусельных машинах, в водоохлаждаемые изложницы – кристаллизатор и на грануляционных установках. [3]