§ 1. Устройство ферросплавных печей

Печи для выплавки ферросплавов делятся на откры­тые, закрытые и герметичные.

229

Ферросплавная открытая печь. Печи могут быть круглыми или прямоугольными. Схема ферросплавной печи, установленной в цехе, приведена на рис. 110. Ко­жух печи сваривается из толстого листового железа и опирается на укрепленные в фундаменте двутавровые

15а—398

Балки. Изнутри кожух футерован огнеупорными мате­риалами. Для выплавки кремнистых сплавов и углеро­дистого ферромарганца применяют угольные блоки. Для выплавки феррохрома применяют магнезитовую фу-

Рис. 110. Поперечный разрез печного н трансформаторного пролетов ферро­сплавного цеха с открытыми печамн:

1— печь; 2 — слнвной желоб; 3— аппарат для прожнгання леток; 4—рабочая; площадка; 5 — загрузочные летки; 6 — электроды; 7 — токоведущие щеки; 8 — шнны короткой сети; 9 — печные бункера; 10 — тормозное устройство; И— лебедки; 12 — бункера; 13—¦ дозировочная тележка; 14 — трансформатор

Теровку. Фактической футеровкой является слой гарни – сажа — настыль, образующийся из руды и сплава. Для выпуска сплава в кожухе имеются выпускные отверстия,, расположенные против электродов.

Открытые ферросплавные печи имеют много недос­татков. Главный из них в том, что через открытый ко­лошник выделяется большое количество тепла и отхо­дящих газов, вследствие чего затрудняется работа обо­рудования и персонала, напрасно сгорает большое коли­чество восстановителя. Эти недостатки устраняются при работе закрытой печи (рис. 111). Закрытая печь мощно­стью 40 MB-A имеет кожух диаметром 10,8 м, высоту плавильного пространства 3,5 м. Свод ферросплавной печи выполняют либо из жаропрочного железобетона, либо из шамотного фасонного кирпича в каркасе из во – доохлаждаемых труб. Свод опирается на перекрытие ко­лошниковой площадки, уплотнение между сводом и ван­ной осуществляется с помощью песочного затвора. В сво­де имеется одно или два отверстия для отсоса печных газов, которые подвергаются очистке. Очистка газов происходит промывкой водой в трубах «Вентури».

Среднее количество отходящих газов для небольшой печи мощностью 7,5 MB-A составляет 200 000 м3/ч, су­точный выброс пыли при выплавке ферромарганца 4,7 т; при производстве ферросилиция 1,2 т. Из этих данных видна необходимость обязательной газоочистки.

На Никопольском заводе ферросплавов для выплав­ки силикомарганца и углеродистого ферромарганца уста­новлены прямоугольные закрытые печи. Размеры пла­вильного пространства 20,3×6,0 м при высоте 2,8 м. В печи установлено шесть электродов. Суммарная мощ­ность трех трансформаторов 63 MB-А.

Открытые и закрытые круглые ферросплавные печи могут иметь вращающуюся ванну для предотвращения зависания шихты и образования настылей. При этом улучшается технологический процесс, условия работы, увеличивается срок службы футеровки. Шахта враща­ющейся печи (рис. 113) располагается на опорной желе­зобетонной плите, которая опирается на ходовые колеса, катящиеся по опорному кольцевому рельсу. К железо­бетонной плите прикреплен зубчатый венец, с которым находятся в зацеплении конические шестерни двух ре­дукторов. Вращение ванны происходит со скоростью один оборот за 35—100 ч. Вращение реверсивное в сек­торе 130°. При повороте печи свод остается неподвижным.

Загрузка печей. Ферросплавные печи работают не­прерывно, сплав из них выпускают по мере накопления определенной порции. Загрузку производят сверху пор­циями (рис. 112). Схема загрузки открытой ферросплав­ной печи видна из поперечного разреза печного и транс­форматорного пролетов ферросплавного цеха (см. рис.

110). Подготовленные на шихтовом дворе материалы по­дают ленточными наклонными транспортерами или ски­повыми подъемниками в бункера 5, расположенные в смежном с печью пролете. Из печных бункеров шихта через затвор поступает в дозировочную тележку 6, снаб­женную пружинными весами. Подвешенная к тельферу

Рис. 111. Схема закрытой прямоугольной ферросплавной печи типа РПЗ-бЗг

/ — аппараты для прожигания леток; 2 — свод; 3 — устройство для фиксации ство для перепуска электродов; 7 — гидроподъемник; 8— короткая сеть; 9— жух

Тележка движется по монорельсу, подъезжая поочеред­но к бункерам с различными материалами, и набирает определенные порции шихты. Затем подходит к печным карманам 9 и через раскрывающееся дно высыпает ших­ту в один из печных карманов. Работой тележки управ­ляют дистанционно или автоматически по программе. Из четырех печных карманов шихта подается загрузоч­ными лотками на колошник печи. Из пятого кармана материалы подают на колошниковую площадку для под – грузки вручную. Загрузочные лотки могут поворачи­ваться вокруг вертикальной оси и перемещаться на не­которое расстояние по направлению к электродам. Если шихта должна располагаться вокруг электродов кону­сами, то загрузку шихты осуществляют при помощи бро-

Электрододержателя; 4 — уплотнения; 5 — система гидропривода; в — устрой- система водоохлаждения; 10 — электрододержатель; 11 — футеровка; 12 — ко-

Сковых машин. Из печного бункера шихта насыпается в совок машины вместимостью до 40 кг. Машина может перемещать совок в горизонтальной плоскости и бросать шихту на 2—4 м в нужное место колошника печи. Ма­шина движется вокруг печи по рельсам на самоходной тележке. В малых печах загрузку шихты осуществляют из бункеров лотками-течками, которые могут быть на­правлены в нужное место.

Загрузка шихты в закрытые печи может производить­ся по трем вариантам: 1) в кольцевое пространство во­круг электрода (рис. 112, а), при этом создается уплот­нение электрода в своде; 2) в воронки, расположенные симметрично в своде (рис. 112,6) по отношению к каж-

А ^ В

Рнс. 112. Способы загрузки шихты в ферросплавные пе­чи

Дому из электродов; воронки до верху заполняются ших­той; 3) через трубы, наглухо заделанные в своде (рис. 112,6).

Электропитание печей. Ферросплавные печи трехфаз­ные; они имеют три электрода, которые могут быть круг­лыми диаметром до 2000 мм и плоскими сечением до 3000X750 мм. В отличие от дуговых сталеплавильных печей электроды ферросплавных печей самоспекающие­ся. Для подвода тока к электроду и его перемещения служит электрододержатель, состоящий из несущего ци­линдра, кольца и контактных щек. Электрод при помо­щи несущего цилиндра подвешивают в специальном уст­ройстве. Привод перемещения электрода гидравличес­кий. Отметим, что в ферросплавной печи электрод по ме­ре его сгорания наращивают. Непрерывный электрод состоит из железного цилиндрического кожуха с внутрен­ними ребрами, заполняемого сверху в ходе процесса электродной массой.

Масса состоит из смеси антрацита, кокса и пека. Теп­ло, отходящее из печи через электрод, размягчает мас­су, и она плотно, без трамбовки заполняет кожух элек­трода. В процессе работы необожженная верхняя часть электрода постепенно опускается, приближаясь к более нагретым зонам печи. На высоте 4 м от колошника мас­са нагрета до 60 °С, здесь она размягчается и сливается в один блок. Ниже масса нагревается до 400 0C и проис­ходит ее спекание (самоспекающиеся электроды). Элек­тросопротивление электрода при этом резко понижает­ся. Кожух электрода обгорает, и остаются лишь внут­ренние железные ребра кожуха, которые несут нагрузку наряду с угольным блоком. По мере подгорания элек­трода он опускается вниз, а сверху к железному кожуху приваривают новые секции, которые наполняют элект­родной массой. Мощности ферросплавных печей достига­ют 65 MB-А. Трехэлектродная печь имеет один транс­форматор, от которого при помощи короткой сети ток по­дается на каждую фазу, а шестиэлектродная печь — три трансформатора.

§ 2. Технология производства ферросилиция

Ферросилиций используют для раскисления стали, легирования электротехнических, конструкционных, ока- линостойких сталей, приготовления термитных смесей, производства ферросплавов. Ферросилиций занимает по объему первое место среди выплавляемых ферросплавов. Промышленность выпускает ферросилиций различных марок, содержащих от 18 до 90 % Si. Наиболее распро­страненными являются ФС45 и ФС65, содержащие 45 %, и 65 % Si соответственно.

Шихтовые материалы

Кремний получают из кварцитов, в которых содер­жится не менее 95 % SiO2. Вредной примесью в них счи­тается глинозем. Наличие его требует увеличения коли­чества шлака и повышения расхода электроэнергии. Пе­ред плавкой кварцит дробят до кусков размером 25— 80 мм и отмывают от глины.

В качестве восстановителя используют коксик в кус­ках 10—25 мм. Для получения нужной концентрации кремния и обеспечения условий для его восстановления в шихту вводят стружку углеродистых сталей. Стружка не должна содержать легирующих. Чугунная стружка непригодна вследствие повышенного содержания фос­фора.

Технология плавки. Ферросилиций выплавляют в за­крытых и открытых печах с угольной футеровкой мощ­ностью до 33 MB-А. Плавку ведут непрерывно. Электро­ды глубоко погружены в шихту. При загрузке в печь пе­ремешанных материалов вокруг электродов поддержи­вают конусы шихты, которые затрудняют выход газов и уменьшают вследствие этого потери тепла и кремния. В присутствии восстановителя при высокой температуре происходит восстановление кремния твердым углеродом: Si02+2C = Si+2C0. При избытке восстановителя обра­зуется и карбид кремния: Si02+3C = SiC+2CO. Карбид кремния весьма тугоплавок (Тпл>2700 °С). Он скапли­вается внизу печи и снижает ее производительность. В присутствии железа карбид кремния разрушается. Же­лезо улучшает условия восстановления кремния (восста­новление при более низких температурах). Несмотря на применение коксика для восстановления и угольную фу­теровку печи, в готовых сплавах кремния с железом уг­лерода содержится не более 0,1 %. Это объясняется тем, что кремний понижает растворимость углерода в железе.

При работе на богатых кварцитах шлака почти не образуется, количество его не превышает 6 %. Шлак со­стоит из глинозема, оксидов кальция и магния, кремнезе­ма. Выделяющиеся при восстановлении кремния газы стремятся двигаться вверх по поверхности электрода, так как процесс восстановления идет в непосредствен-‘ ной близости от конца электрода. Достаточный слой шихты в этом месте препятствует выделению газов око­ло электродов. Чем шире конус шихты, тем дальше от электрода выделяются газы, о чем свидетельствуют язы­ки пламени — это выделяющаяся СО догорает до CO2.

Чем шире активная зона, тем лучше будет оседать шихта, тем выше производительность печи. При нормаль­ной работе печи под каждым электродом горит дуга. Здесь выделяется основная масса тепла. Чем глубже си­дят электроды и более концентрированно выделяется тепло, тем лучше оно используется, при этом темпера­тура шихты на колошнике будет низкой. Шихта меньше спекается и лучше оседает. Через рыхлую шихту лучше проходят газы. Предполагается, что под каждым элек­тродом образуется тигель, стенками которого является раскаленная до высоких температур полуспекшаяся ших­та, днищем — расплав, сводом — электрод. От дна и стенок тигля к выпускному отверстию идут каналы в отвердевшей магме, имеются неправильной формы поло­сти, соединенные с подэлектродным пространством срав­нительно узкими ходами. Стенки тигля непрерывно сплавляются, кремнезем восстанавливается, кремний ра­створяется в жидком железе, сплав уходит по каналам, а новые порции шихты опускаются в зону реакции.

Ш

Рнс. ИЗ. Разрез печн РКЗ ЗЗМ2:

1 — трансформатор; 2— короткая сеть; 3— электроды; 4 — механизм пере­пуска электродов; 5 — механизм перемещения электродов; 6 — электроконтакт­ный узел; 7 — газоход; 8 — ванна печн; 9 — механизм вращения ванны

Готовый сплав выпускают из печи 12—15 раз в сут­ки. При нормальном состоянии летку открывают ломи­ком. Сначала сплав выходит тонкой Струей, а затем раз­мывает отверстие и вытекает в ковш, футерованный шамотным кирпичом, откуда сплав разливают на разли­вочной машине конвейерного типа. Ковш устанавливают на стенде, наклоняют с помощью гидропривода и через промежуточный желоб льют металл на горизонтальную машину. Отливают слитки массой до 15 кг. По окончании выпуска летку закрывают конусом из электродной массы.

Выплавка ферросилиция — энергоемкий процесс. Расход электроэнергии для производства ФС65 7000— 8000 кВт-ч на 1 т сплава, стоимость 1 т сплава ФС65 ~ 150 руб.

§ 3. Производство углеродистого ферромарганца

Марганец используют для раскисления и легирования многих сталей. При повышенных содержаниях марган­ца в стали она приобретает высокую износоустойчивость, хорошее сопротивление истиранию. Эта сталь применя­ется для изготовления деталей землеройных машин, драг, дробильного и помольного оборудования, железнодорож-‘ ны’х стрелок и т. д.

Ферромарганец марки ФМн78 содержит 78—82 % Mn; 7,0 % С; 2,0 % Si; 0,35 % P и 0,03 % S.

Шихтовые материалы

Марганцевый агломерат получают из марганцевого концентрата, для производства которого в основном ис­пользуют оксидные руды Никопольского и Чиатурского месторождений. В состав этих руд входит пиролюзит MnO2; содержание марганца в рудах 23—28 %, в агло­мерате—49%.

Коксик является восстановителем. Также используют известняк или доломит и добавки железорудного агло­мерата или железной стружки.

Выплавку ферромарганца производят в электропе­чах открытого и закрытого типа мощностью до 63 MB-A при напряжении 120—130 В и силе тока 35—50 кА. Вос­становление марганца происходит ступенчато: Мп02->- – vMn203-^Mn304-^Mn0-^Mn.

В восстановительных условиях электропечи оксиды марганца восстанавливаются легко до MnO, которая вза­имодействует с твердым углеродом по реакции: MnO-f – +С = СО + Мп.

Но может происходить также и образование карбида марганца МщС по реакции: ЗМп04-4С=Мп3С+ЗСО. Присутствие железной стружки разбавляет концентра­цию марганца в сплаве и облегчает восстановление ок­сидов марганца. Выплавку ферромарганца производят как флюсовым способом с добавками известняка, так и бесфлюсовым — без присадки флюса. В результате по­лучают высокоуглеродистый сплав и богатый марганцем малофосфористый шлак, содержащий до 50 % MnO. Этот шлак называют передельным. Его используют вме­сто марганцевой руды для производства низкофосфорис­того силикомарганца — полупродукта при производстве средне – и малоуглеродистого ферромарганца.

Технология плавки

Углеродистый ферромарганец плавят непрерывным процессом, загружая в печь шихту по мере ее проплав – ления. Колоша шихты состоит из 300 кг марганцевой ру­ды, 50 кг коксика и 15—20 кг железной стружки. О нор­мальном ходе процесса свидетельствуют конусы шихты высотой 300—400 мм около электродов, глубокое распо­ложение электродов в шихте, сход шихты с откосов пе­чи. Шихтовые материалы попадают в зону высоких тем­ператур подготовленными и подогретыми (в значитель­ной степени удалены влага, а летучие высшие оксиды марганца перешли в низшие). Газы при плавке должны равномерно выделяться по всей поверхности колошника. При мелких шихтовых материалах газы стремятся выхо­дить в виде свищей у самого электрода, поэтому особен­но важно поддерживать вокруг электродов конус шихты и прокалыванием колошника разрушать участки спек­шейся шихты.

Сплав и шлак выпускают одновременно пять-шесть раз в смену через все летки поочередно. Шлак образу­ется из пустой породы руды, известняка, золы кокса, ок­сидов марганца. При выплавке 1 т сплава получается около 1 т шлака. Из прямоугольной печи Никопольско­го завода ферросплавов выпуск сплава и шлака произ­водят из трех леток поочередно. Шлак и сплав выпуска­ют одновременно. На одной тележке устанавливают ковш для сплава и чашу для шлака. Ковш футерован шамот­ным кирпичом. Струя сплава и шлака сначала попадает в ковш, шлак переливается через его край в чашу, а сплав накапливается в ковше. По окончании выпуска детку заделывают конусом из огнеупорной глины и элек­тродной массы. Разливку ферромарганца производят на конвейерной машине с чугунными изложницами. Отли­вают слитки толщиной около 85 мм.

Существует и способ разливки сифоном. Изложницы устанавливают под желобом печи каскадом. В первой изложнице устанавливают перегородку, нижняя кромка которой на 60—70 мм ниже сливного носка изложницы. Шлак, накапливаясь у перегородки, сливается в ковш, а металл проходит под перегородкой во вторую излож­ницу и по ее наполнении в третью и четвертую. Пере­дельный шлак и сплав разливают в изложницы или на разливочной машине в мульды. Для выплавки 1 т фер­ромарганца с содержанием 78—82 % марганца расходу­ют 2 т агломерата, 350 кг коксика, 100 кг стружки, 336 кг известняка и 3600—4800 кВт-ч электроэнергии, извлече­ние марганца 76,0 %. Стоимость 1 т сплава 285 руб.

§ 4. Производство углеродистого феррохрома

Из всех легирующих элементов наибольшее приме­нение находит хром, который повышает твердость, проч­ность стали. Высокохромистые стали устойчивы против окисления и коррозии, обладают повышенным сопро­тивлением износу и истиранию. Наиболее широко хром применяется в сочетании с никелем. Это коррозионно – стойкие стали, содержащие 18 % Cr и 8—10 % Ni. Жа­ропрочные стали и сплавы с высоким содержанием хро­ма получили применение для изготовления деталей га­зовых турбин и реактивных двигателей.

Сортамент феррохрома очень разнообразен. Сущест­вует 17 марок феррохрома и 5 марок металлического хрома. .Сплавы отличаются в основном по содержанию углерода, которое изменяется от 0,01 % до 8,0%. Чем ниже содержание углерода, тем сложнее технология его получения и дороже сплав. Низко – и среднеуглеродис – тый феррохром применяют для производства коррозион – яостойких сталей и разных сплавов.

В зависимости от содержания углерода феррохром выплавляют различными процессами. Высокоуглеродис­тый и передельный феррохром выплавляют из хромистой руды путем восстановительной плавки с использованием коксика. Низко – и среднеуглеродистый феррохром полу­чают сложным способом с использованием поочередно трех плавильных агрегатов с выплавкой промежуточных продуктов.

Для производства высокоуглеродистого феррохрома используют хромовые руды, содержащие до 62 % Сг20з. В СССР основным месторождением хромовой руды яв­ляется Донское (Казахстан). В качестве восстановите­ля применяют коксик. Плавку проводят в открытых и закрытых ферросплавных печах мощностью до 16,5 MB-A с магнезитовой футеровкой. Восстановление оксидов хрома в основном протекает по реакции:

2/з Cr2O3+12/; C = 4A1 Сг7С3+2СО.

Одновременно происходит восстановление из руды и оксидов железа. Железо растворяет карбид хрома с об­разованием сложного карбида (CrFe)7С3, в результате чего снижается температура плавления сплава и созда­ются благоприятные условия для протекания процесса, а уменьшение концентрации хрома в сплаве сдвигает рав­новесие реакции в сторону восстановления оксидов уг­леродом; содержание его в сплаве может достигать 8 %. Для снижения концентрации углерода в печи создают окислительные условия при помощи введения хромовой руды:

2/з Сг7С3+2/з Сг203 = 6Сг + 2С0.

Для этого подбирают руду с тугоплавкой пустой по­родой, чтобы создать над жидким сплавом «рудный слой», богатый оксидом хрома. Поскольку рудный слой очень вязкий, он не выходит из печи при выпуске спла­ва, но так как он примерно в полтора раза тяжелее шла­ка, то опускается в нижние слои шлака. При использо­вании легковосстановимых хромистых руд, избытке восстановителя и использовании кварцита получает зна­чительное развитие реакция восстановления кремнезема. Содержание кремния в сплаве достигает 5—8 %. Для ре­гулирования содержания кремния служит рудный слой, проходя через который кремний окисляется до 2—3%.

Технология плавки

Плавку высокоуглеродистого феррохрома ведут не­прерывно. Шихта в смешанном виде поступает в печь иа бункеров по рукавам и подвижным лоткам и распреде­ляется равномерно по колошнику без образования кону­сов у электродов. По мере оседания производят подгруз – ку шихты. FIo всей поверхности колошника выделяются языки пламени. Сплав и шлак выпускают в ковш через одну летку одновременно, три — четыре раза в смену. Из ковша шлак переливают через носок в шлаковню, а сплав разливают через отверстие в донной части ков­ша в плоские сборные чугунные изложницы для получе­ния слитков толщиной =^200 мм, чтобы облегчить пос­ледующую их разбивку. Для получения 1 т высокоугле­родистого феррохрома затрачивается: 2000 кг руды, 300—400 кг коксика, 50 кг кварцита, расход электро­энергии составляет 3200 кВт-ч.