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.