Непрерывные и периодические процессы.

Непрерывные процессы осуществляются в основном в закрытых и герметических печах, оборудованных сводом, что обеспечивает улавливание и очистку отходящего газа (85—90 % СО). При этом процессе печь не выключается и шихта загружается в печь непрерывно по мере ее проплавления, а выпуск ферросплава и шлака производится периодически по графику.

Периодические процессы Вся навеска шихты в один или несколько приемов загружается в печь,шихтовых материалов, проплавляется, восстанавливается, а металл и шлак выпускают в ковш. Затем этот цикл повторяют. 

Бесшлаковые и шлаковые процессы

Относительное количество шлака при производстве ферросплавов определяют или в процентах по отношению к массе металла, или по кратности шлака, т.е. по соотношению массы шлака и металла. Обычно к бесшлаковым процессам относят выплавку ферросплавов, при которых количество шлака незначительно и составляет 3—5 % от массы металла (например, выплавка кристаллического кремния, ферросилиция силикоалюминия). При бесшлаковых процессах шлак образуется оксидами, содержащимися в небольших количествах в рудах, концентратах, в золе коксика, и не восстановленными во время плавки.

Шлаковые процессы сопровождаются образованием значительного количества шлака. Кратность шлака может составлять 1,2—1,5 при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца флюсовым способом и ферросиликомарганца и 2,5—3,5 при получении феррохрома и металлического марганца силикотермическим способом.

 

Флюсовые и бесфлюсовые процессы

Выплавку ферросплавов при периодическом процессе чаще всего ведут флюсовым методом, хотя в определенных условиях целесообразна бесфлюсовая плавка. При флюсовом методе восстановление оксидов ведущего элемента происходит по реакциям:

2МеО • SiO₂ + 2С + СаО = 2Ме + СаО • SiO₂ + 2СО;

2МеО + Si + СаО = 2Ме + СаО • SiO₂

ЗМеО + 2А1 + СаО = ЗМе + СаО•Аl₂O₃.

Введение флюса снижает активность SiO₂ в шлаке, что сопровождается увеличением выхода восстанавливаемого металла. В качестве флюсов используют материалы, содержащие СаО, MgO и другие компоненты, образующие наиболее прочные химические соединения с оксидами - продуктами реакций восстановления. При этом уменьшается вязкость шлака, снижается (или повышается) температура плавления шлака, уменьшается концентрация в ферросплаве примесей, что приводит к более полному извлечению ведущего элемента и повышению качества ферросплава. Возможна электропечная плавка и бесфлюсовым методом. При этом снижается расход электроэнергии и увеличивается производительность печи, но степень восстановления ведущего элемента уменьшается. Шлак содержит значительное количество оксидов ведущего элемента и его обычно используют для выплавки ферросплавов, углевосстановительным способом. При этом уменьшается расход флюса и повышается сквозное использование ведущего элемента. Однако бесфлюсовый способ может быть осуществлен при использовании высококачественных руд и концентратов с низким содержанием фосфора и других примесей. Выбор варианта технологии плавки с введением флюса в шихту или плавки без флюса определяется качеством получаемого ферросплава, его экономичностью, возможностью повышения производительности печи.

 

Классификация ферросплавных процессов по виду применяемых восстановителей

 

Углеродотермические процессы. При углеродотермических процессах восстановителем оксидов является твердый углерод или углеродсодержащий газ-восстановитель. Главная особенность этого процесса состоит в том, что одним из продуктов восстановления является моноокись углерода, удаление которого из ванны обеспечивает необратимость реакции. Углеродом могут быть восстановлены все элементы из их оксидов при высоких температурах процесса, так как химическое сродство углерода к кислороду с повышением температуры увеличивается. Углерод имеет невысокую стоимость, при этом возможно использование углеродистых материалов различного качества. К недостаткам углерода как восстановителя относятся: 1) при восстановлении оксидов образуются карбиды элементов, поэтому при небольшой концентрации кремния сплавы содержат повышенное количество углерода; 2) реакции восстановления оксидов протекают с поглощением большого количества тепла, поэтому требуется применение электрических дуговых печей большой мощности.

Силикотермические процессы. Восстановление оксидов кремнием ведут применением комплексных передельных ферросплавов типа Fe—Si— Мn, Fe—Si — Сr.

В силикотермических процессах кремний в качестве восстановителя используют в виде силикомарганца передельного, ферросилиция, ферросиликохрома и др., которые предварительно получаются восстановлением кремнезема углеродом.

При использовании таких сплавов вводится в получаемый ферросплав ведущий элемент, восстановленный углеродом на первом переделе. Технологическая схема производства низкоуглеродистых ферросплавов включает стадию выплавки передельных сплавов: силикомарганца и ферросиликохрома. В некоторых случаях в качестве восстановителя при силикотермическом процессе применяют ферросилиций марок ФС75 или ФС65 (выплавка ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия и др.). Кремний в качестве восстановителя может использоваться и при восстановлении оксидов элементов, обладающих более высоким химическим сродством к кислороду (Сг₂О₃, МnО, МoО₃, WO₃ V₂O₃, и др.). Восстановление оксидов кремнием сопровождается выделением тепла, которого недостаточно для ведения внепечного силикотермического процесса, поэтому применяют электропечи небольшой мощности (2500-7000 кВ·А).

Кремний как восстановитель имеет следующие недостатки: 1) вследствие образования кремнезема увеличивается коли­чество шлака, восстановление возможно при введении в шлак (шихту) оксидов с основными свойствами (СаО); 2) при температурах выплавки ферросплавов кремний образует с металлами соединения Me-Si, что затрудняет получение сплавов с низкой концентрацией кремния; 3) высокую стоимость.

Алюминотермические процессы. Основные особенности алюминотермического процесса: выделение значительного количества тепла в результате протекания реакции восстановления и возможность проведения процессов без подвода электрической энергии, вне печи. При этом достигаются очень высокие температуры (до 2500 ^оС), которые обеспечивают получение шлака и металла с температурой, превышающей начало кристаллизации, хорошее разделение металлической и шлаковой фаз, высокую скорость процесса.

Основным условием осуществимости алюминотермической плавки без подвода тепла извне является равенство или превышение теплового эффекта экзотермического восстановления (Qэкз) над тем количеством тепла (Qp), которое необходимо для расплавления продуктов реакции и нагрева расплава до температуры, обеспечивающей достаточно полное разделение металлической и шлаковой фаз, а также для компенсации тепловых потерь(Qп), т.е. внепечная алюминотермическая плавка оказывается возможной при выполнении следующего условия:

(Qэкз) ≥ (Qp) + (Qп).

алюминотермические процессы можно разделить на три группы:

1) самопроизвольно протекающие      (Qэкз) ≥ (Qp) + (Qп).   

2) требующие компенсации тепловых потерь (Qэкз) – (Qp) < (Qп).

3) требующие введения значительных количеств тепла извне (Qэкз) < (Qп).

Алюминотермический (внепечной) процесс первой группы можно вести двумя способами: в горне (шахте, ковше) с верхним или с нижним запалом шихты.

Достоинством алюминотермических процессов является: 1) возможность восстановления более широкой гаммы элементов с химическим сродством к кислороду меньше, чем алюминий; 2) восстановление оксидов и получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей цветных металлов; 3) простота аппаратурного оформления процесса, небольшие капитальные затраты; и др.