курсовая фс70al1. Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине Теория и технология производства ферросплавов

• Название: Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине Теория и технология производства ферросплавов
• Дата: 12.04.2022
• Размер: 475.59 Kb.
• Имя файла: курсовая фс70al1.docx
• Тип: Пояснительная записка; #466110
• страница: 1 из 4

_{Федеральное агентство по образованию}

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»


Кафедра электрометаллургии, стандартизации и сертификации

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе
по дисциплине «Теория и технология производства ферросплавов»


Выполнил: студент гр. ЭМ-05 Сидоров А.В.

Руководитель:

Новокузнецк 2008 г.
Содержание

Введение………………………………………………………….................……3

1.Основная часть.

1.1. Применения ферросилиция………...………………..............................4

1.2. Физико-химические свойства ферросилиция..........................................6

1.3. Физико-химические основы восстановления кремния...........................9

2. Специальная часть.

2.1. Сырые материалы и подготовка их к плавке…………...…………......…12

2.2. Технология выплавки ФС70Al1…………………………………………...15

2.3. Мероприятия по снижение алюминия в ферросплаве……………….......19

3. Расчетная часть.

3.1. Расчет шихты для выплавки ферросилиция марки ФС70Al1...............21

3.2. Расчет теплового баланса плавки ферросилиция марки ФС70Al1.......35

Список использованных источников.........................................................44

Введение.
В металлургии и других отраслях техники используют ферросплавы, а так же технически чистые металлы для раскисления и легирования стали, получения высоколегированных сплавов специального функционального назначения и чугунов. Ферросплавами называют сплавы железа с различными элементами периодической системы элементов Д.И Менделеева.

Ферросплавная промышленность производит 150 различных видов и марок простых и сложных ферросплавов, в которые отдельно или в различном сочетании входят 25 элементов.

Успешное развитие электротермического производства ферросплавов, наряду с дальнейшими работами по созданию минерально-сырьевой базы, электроэнергетических баз, во многом определяется ускорением разработки теории и технологии переработки руд и концентратов. Исключительно перспективным являются разработка, исследование и внедрение замкнутых схем получения ферросплавов при комплексном использовании минерального сырья, промежуточных и конечных продуктов выплавки, что обеспечивает рациональное использование минеральных богатств нашей страны и защиту окружающей среды. Важными направлениями следует считать совершенствование конструкций действующих и разработку новых сверх мощных ферросплавных печей и оборудования для выплавки ферросплавов с полной механизацией и автоматизацией технологических процессов; внедрение вычислительной техники, микропроцессоров; стандартизацию и аттестацию ферросплавной продукции.

Предусматривается широкое техническое перевооружение предприятий черной металлургии. Простое увеличение объемов производства в несколько раз дороже, чем обеспечение страны в металле в результате увеличения его качества и, прежде всего, повышения доли легированного металла с выплавкой в электропечах. Значительная часть капитальных вложений в развитие техники и технологии должна быть направлена на улучшение качества и совершенствование сортамента различных видов ферросплавов, что обеспечит повышение эффективности металлургического производства.

1. Общая часть.
1.1. Применение ферросилиция.
Кремний является хорошим раскислителем, поэтому его сплавы сплавы используют при производстве сталей многих марок. В трансформаторной стали кремний снижает потери на гистерезис. В сочетании с другими элементами, особенно с хромом, кремний добавляют в инструментальные, коррозионные и жаростойкие, рессорно-пружинные и другие стали. Введение в конструкционную сталь до 2% Si повышает ее твердость, прочность, пределы упругости и текучести. Кроме того, на 1 т литья расходуется в пересчёте на ФС20 20кг ферросилиция и потребление в литейном производстве составляет 30-40% от потребления сталеплавильной промышленностью.

Ферросилиций также широко используется в качестве восстановителя в металлотермических процессах для приготовления термитных смесей и взрывчатых веществ, при получении кремнийорганических соединений, для изготовления сварочных электродов и в ряде других областей промышленности. Значение сплавов кремния видно из того, что печи для их выплавки составляют 60% мощности ферросплавной промышленности. [4]

Основные требования к качеству ферросплавов:

Качество ферросплавов характеризуется содержанием и пре­делами колебаний ведущего элемента, концентрацией регламенти­руемых сопутствующих примесей (углерод, сера, фосфор, азот, водород, кислород, цветные металлы и др.), гранулометрическим со ставом, плотностью, состоянием поверхности кусков, слитка, температурой плавления, содержанием неметаллических включений кислорода, водорода и других.

Химический состав. Основным показателем качества ферросплавов является его химический состав и, прежде всего, содержание в нем легирующего элемента. При этом важно постоянство со держания легирующего элемента в ферросплаве отдельных плавок объединяемых в одну партию. Однородность химического состав; ферросплавов характеризуется максимально допустимым отклонением от среднего содержания ведущего элемента в партии.

Гранулометрический состав. Важной характеристикой качества ферросплавов является его гранулометрический состав, поскольку при правильном его выборе ускоряется процесс расплав­ления, обеспечивается высокое усвоение легирующего элемента и уменьшаются потери ферросплавов при транспортировке. Допус­тимый размер кусков в стандартах характеризуется габаритными размерами (менее 300 мм) или максимальной массой куска (5 -45 кг). Для снижения потерь сплава специально оговаривается до­пустимое количество мелочи определенного класса крупности (3 -10 % фракции менее 20 мм). По требованию потребителей ферро­сплавы поставляются со строго заданным гранулометрическим со-1 ставом. Важное значение имеют также механические свойства ле­гирующих добавок, поскольку на их основе производится выбор дробильных устройств для получения заданного гранулометриче­ского состава сплавов. Некоторые ферросплавы (ферросилиций, силикомарганец и др.) подвержены рассыпанию в зависимости от их фазового состава и содержания примесей.

Газы и неметаллические включения. Важным фактором, влияющим на качество стали и сплавов, является содержание в ферросплавах газов (особенно водорода и азота), неметаллических включений. Наиболее опасен водород в ферросплавах на основе высокореакционных металлов (Ti, V, Nb, Ca, Si). Концентрация во­дорода в этих металлах может достигать 200 см на 100 г. Присадка таких ферросплавов в ковш приводит к рослости слитков. Прока­ливание ферросплавов малоэффективно, так как позволяет удалить только влагу и не снижает, а иногда даже повышает, концентрацию кислорода и азота. Хотя контроль газонасыщенности ферросплавов не предусмотрен действующими стандартами, ограничения по со­держанию газов оправданы. Высокая растворимость кислорода в некоторых ферросплавах в жидком состоянии при кристаллизации их сопровождается образованием оксидных включений. Контроль ферросплавов на количество включений не производится, хотя и: влияние на качество стали установлено.

1.2. Физико-химические свойства кремния

Кремний - химический элемент IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, открыт в 1811 году Ж Гей Люсаком и Л. Тернаром. Его порядковый номер - 14, атомный вес 28,08, атомный объем - 12,04*10^-6 м³/моль.

Кремний - металлоид, принадлежит к подгруппе углерода. Атом кремния имеет электронную конфигурацию 1s²2s²2p⁶3s²3p² и может проявлять валентность по кислороду + 2 и +4

В природе он представлен тремя устойчивыми изотопами с массовым числом 28, 29 и 30. Их содержание в природном веществе в среднем соответственно составляет 92,27 %, 4,68 % и 3,03 %. По распространенности в природе кремний уступает только кислороду. По А.П. Виноградову его содержание в земной коре составляет, 27,6 % масс. По мнению В.И. Вернадского земная кора более чем на 97 % состоит из силикатов и диоксида кремния Кислородные и органические соединения кремния входят также в состав растений и животных.

Искусственно полученный кремний может быть как аморфным, так и кристаллическим.

Аморфный кремний - коричневый, тонко дисперсный, сильно гигроскопичный порошок. По данным рентгеноструктурных исследований он состоит из мельчайших кристалликов кремния. Аморфный кремний может быть получен восстановлением четыреххлористого кремния парами цинка при высокой температуре.

Кристаллический кремний имеет серо-стальной цвет и отличается металлическим блеском. Плотность кристаллического кремния при 293 К составляет 2,33 г/см . Температура плавления кремния равна 1690 К, кипения 3513 К, а теплота плавления составляет 39,55 кДж/моль. Кремний плавится с уменьшением объема на 9 %.

Из соединений кремния, часто используемых в технике, необходимо отметить (кроме кислородных соединений) галогениды (от SiX₄ до Si_nX_2n+2, где X - галоген, а n < 25), их смешанные соединения (например, SiCl₃Br или SiFCl₃ и т. п.), оксихлориды (Si₂OCI₆, SiO₂Cl₃ и др.), нитриды (Si₃N₄, Si₂N₃, SiN), кремнийорганические соединения (производные моносилана SiH₄ с общей формулой Si_nH_2n+2), летучие сульфиды (SiS и SiS₂) а также тугоплавкий карбид(SiC).

Кремний способен давать соединения с металлами - силициды . Наиболее важными из них являются силициды железа, марганца, хрома, молибдена, циркония, РЗМ и ЩЗМ. Это свойство кремния широко используется в технологии производства низкоуглеродистых ферросплавов, а также при восстановлении щелочноземельных и трудновосстановимых металлов (Са, Mg, Zr, А1 и др.).

С железом кремний сплавляется в любых соотношениях и образует ряд силицидов: Fe₃Si, Fe₅Si₃, FeSi, Fe₂Si (рисунок 1) и др., из которых наиболее прочным является FeSi, его температура плавления 1410⁰с и ∆H⁰₂₇₃= -80,38 кДж/моль.

Стандартные сорта ферросилиция имеют температуру плавления, не превышающую 1370⁰ с. Плотность сплавов кремния с железом снижается с увеличением содержания кремния:

Массовая доля кремния, %	20	40	65	75	90
Плотность сплава, г/см2	6,4	5,61	4,0	3,27	2,55

Вязкость промышленных расплавов ферросилиция (ФС20, ФС45 и ФС75) при температуре >1400⁰ С практически одинакова.

Сплавы железа и кремния имеют большую склонность к ликвации, в результате которой различие в содержании кремния между верхом и низом слитка может составлять >20%. Ликвация тем больше, чем толще слиток и больше длительность его затвердивания. Это объясняется значительным различием плотности сосуществующих фаз в сплавах кремния с железом. В ФС20 сосуществующие фазы имеют соотношение плотности (α : ε : η) = 1,11 : 1,05 : 1,00 в ФС45 фаза ε (FeSi) и ζ (лебоит) имеет соотношение плотности 1,00 : 0,78 наконец, в ФС75 и ФС90 соотношение плотности кремния и лебоита состовляет0,7 : 0,39. Лебоит очень неустойчив и при медленном охлаждении распадается на Si и FeSi.



Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fe-Si

Установлено, что рассыпанию при хранении во влажной атмосфере подвержены те сплавы кремния, которые, с одной стороны, содержат лебоит, а с другой- примеси фосфора, алюминия, кальция. Лебоит образуется в интервале 53,5-56,65% Si и затвердевает при 1220⁰ с. Для предупреждения рассыпаемости сплава на практике не производят сплавы, близкие по составу к лебоиту, стремятся снизить содержание фосфора, алюминия и кальция и обеспечить быстрое застывания слитка ферросилиция, чтобы не допустить образования лебоита в результате ликвации расплава и обеспечить присутствие фосфора в более устойчивой форме фосфида кремния.[1]

1.3. Физико-химические основы восстановления кремния
Ферросилиций получают восстановлением кремнезема, содер­жащегося в кварците, твердыми углеродистыми восстановите­лями в присутствии стальной или чугунной стружки. Необходимость включения в состав шихты металлического железа (стружки), а не оксидов (руды, агломерата, окатышей) объясняется тем, что кислородные соединения при сравни­тельно низких температурах могут легко взаимодействовать с SiO₂ с образованием силикатных расплавов. Теоретическая температура восстановления кремнезема угле­родом (G⁰_T(T)=0) по реакции:

SiO_{2 (т,ж)} + 2С = Si_(ж) + 2СО (1)

сос­тавляет 1942К, а эвтектическая температура в системе FeO-SiO₂ — 1451 К.

Восстановление кремния значительно облегчается, если оно осуществляется в присутствии растворителя, удаляющего из зоны реакции, например железа. Кремний образует с железом силициды с выделением значительного количества тепла. В результате восстановление кремния становится возможным при более низких, чем реакция (1), температурах. Образование силицидов, так же как растворение кремния, сопровождается понижением его активности, поэтому в общем виде константу реакции (1) в присутствии железа можно записать как .

Как показали многочисленные исследования, восстановление кремнезема углеродом может происходить наряду с реакцией (1) также по реакциям:

SiO_{2 (т,ж)} + 3С_(т) = SiC_(т) + 2СО (2)

SiO_{2 (т,ж)} + С_(т) = SiO_(г) + СО (3)

На условия восстановления кремния по реакции (1) могут влиять не только реакции (2) и (3), но и целая группа сопутствующих реакций. Следовательно, при рассмотрении равновесия трех основных реакций (1)–(3) необходимо дополнительно учитывать следующие семь реакций:

2SiO_{2 (т,ж)} + SiС_(т) = 3SiO_(г) + СО (4)

SiO_{2 (т,ж)} + Si_(ж) = 2SiO_(г) (5)

SiO_(г) + 2С_(т) = SiС_(т) + СО (6)

SiO_(г) + С_(т) = Si_(ж) + СО (7)

SiO_(г) + SiС_(т) = 2Si_(ж) + СО (8)

SiO_{2 (т,ж)} + 2SiС_(т) = 3Si_(ж) + 2СО (9)

Si_(ж) + С_(т) = SiС_(т) (10)

Для анализа фазовых равновесий в системе Fe–Si–О–С от приведенных выше реакций для системы Si–О–С отличается наличием раствора кремния в железе, насыщенного углеродом. Таким образом, для анализа фазовых равновесий в системе Fe–Si–О–С с учетом широкой концентрационной области растворов кремния в железе необходимы данные об из­менении активности кремния в сплавах Fe—Si—С, на­сыщенных углеродом.[5]

Н.В.Толстогузовым исследовано фазовое равновесие в системе Fe–Si–О–С.



Рисунок 2- Диаграмма фазовых равновесий в системе Fe-Si-O-C
Толстыми сплошными и пунк­тирными линиями 1–6 показаны температурные зависи­мости характеристики равновесия соответствующих реак­ций для случая a_Si=l.

Полученные зависимости ограничивают области суще­ствования четырех конденсированных фаз: SiO₂ (область I), С (область II), SiC (область III) и Si (область IV).

Метастабильная диаграмма описывается пунктирными ли­ниями уравнений реакций 1, 4 и 6, ограничивающими об­ласти существования трех конденси-рованных фаз: SiC, С и Si. Семейство линий на рисунке 2 под номерами 75; 45; 33; 25 и 23, 18 характеризуют равновесие сплавов с соответствующим содержанием в них кремния с карбидом кремния по реакции (8).

Жирные пунктирные линии (в области устойчивого су­ществования карбида) под номерами 75, 45, 33, 25 и 23, 18 характеризуют равновесие тех же сплавов с углеродом по реакции (7).

В системе Fe–Si–С карбид кремния в равновесных условиях может существовать только при содержании кремния, превышающем его концентрацию в силициде Fe₅Si₃ (23,18% Si); в сплаве, содержащем менее 23,18% Si, карбид кремния разрушается по реакции: SiC + Fe = [Si]_Fe + C. Таким образом, область существования SiC зависит от температуры и состава газовой фазы, от концентрации кремния в сплаве, а также от активности кремния в спла­вах системы Fe–Si–С.[1]

2. Специальная часть.

2.1 Сырые материалы и подготовка их к плавке
Для получение ферросплавов необходимы следующие шихтовые материалы: рудная часть (кварцит), содержащие восстанавливае­мым элемент; восстановители; железосодержащие элементы.
Рудная часть (кварцит).
Основные требования, которым должны удовлетворять рудная часть (кварцит), поступающий на передел, следующие:

1. Высокое содержание ведущего элемента. Оно определяет и качество получаемого сплава и технико-экономические показатели процесса.

2. Низкое содержание вредных примесей: серы, фосфора, ме­ди и др. Содержание этих элементов определяет не только качество получаемого ферросплава, но и технологическую схему передела.

3. Предпочтительный, отвечающий требованиям физико-химических условий производства состав пустой породы.

4. Рудная часть (кварцит) должна иметь высокую восстановимость, которая определяется минеральным составом руды, количе­ством и составом пустой породы, характером залегания минерала в массе пустой породы, пористостью и размером кусков.

5. Оптимальный размер кусков. Он определяется способом производства ферросплава, размером и типом печи и др. Процессы в рудовосстановительных печах требуют использования более крупной руды, чем в рафинировочных. Пылеватые руды и мелкие концентраты нецелесообразно загружать в печь без принятия специальных мер, предупреждающих вынос пыли.
Восстановители. Углеродсодержащие материалы.
В процессе развития ферросплавной промышленности были опробованы и применяются самые разнообразные углеродистые восстановители: коксик (кокс-орешек), формованный кокс, полукокс, древесный уголь, антрацит, каменный уголь, пековый и нефтяной кокс, торфяной кокс и древесные опилки. Все эти материалы сильно отличаются друг от друга по своим свойствам.

Оценка качества углеродистых материалов производится по данным технического анализа. В сухой массе восстановителя определяют содержание золы Ad, выход газообразных летучих веществ . Общее количество серы в сухом веществе Sfd и указывают на­личие влаги в рабочем (фактическом) восстановителе Wp сверх 100%. Содержание твердого углерода в этом случае приближенно по определить по разности Ст = 100 - (A^d + V^daf + S^f), так как некотоpoe количество водорода, азота и кислорода (0,5 - 1,5 %) с летучими не удаляется. Химический состав органической массы восстановителя учитывает содержание компонентов в горючей

массе содержание углерода (С_г), водорода (Н_г), азота (N), кислорода (О_г) серы (S^f). Большое значение для получения ферросплава имеет химический состав золы восстановителя, что в некоторых случаях влияет на химический состав получаемого продукта.

Основные требования к качеству углеродистых восстановителей различны при получении каждой группы ферросплавов и включают контроль следующих показателей:

1) содержание твердого (летучего) углерода, золы, летучих веществ, рабочей влаги и серы;

2) химический состав золы;

3) удельное электрическое сопротивление;

4) пористость;

5) физико-механические свойства (гранулометрический состав, прочностные характеристики);

6)Восстановительная способность по отношению к оксидам определенного элемента.

Последнее требование специфично для процессов получения ферросплавов, так как обычно используемая характеристика - реакционная способность восстановителя, которую

оценивают по скорости его взаимодействия с углекислотой при 1050 0С (мл/г-с), при непрерывной плавке в ферросплавных печах имеет однозначного определяющего значения.
Железосодержащие материалы.
В качестве железосодержащих могут использоваться разные материалы: чугуная и стальная стружка, железистые кварциты, окалина, отходы огневой зачистки металла, сварочный шлак, железная руда и металлизованные окатыши.

Железосодержащие материалы должны соответствовать следующим требованиям:

- высокое содержание металлического железа;

низкое содержание вредных примесей серы, фосфора, меди;

- низкое содержание кислорода, так как на его связывание по­требуется дополнительное количество восстановителя;

- малое содержание шлакообразующих (при большом их со­держании увеличивается кратность шлака и расход электроэнер­гии);

- оптимальный гранулометрический состав;

- низкая стоимость.

2.2. Технология выплавки ФС70Al1.




1- железнодорожный вагон, 2- закрома для хранения шихтовых материалов, 3-бункер, 4- грейфер, 5- барабан для рассева стружки, 6- отсев, 7- транспортер, 8- пластинчатый питатель, 9- конусная дробилка, 10- моечный барабан, 11- грохот обезвоживающий, 12- ленточный транспортер, 13- отсевы, 14- бункер, 15- двухдечный бункер, 16- четырех валковая дробилка, 17- элеватор, 18- ленточный питатель, 19 дозировочный бункер, 20- дозатор, 21- сбрасывающая тележка, 22- печной бункер, 23- завалочная машина, 24- труботечка, 25- отвод газа, 26- трехфазная закрытая рудотермическая печь, 27- ковш, 28- машина для разливки сплава, 29- тележка, 30- изложницы, 31- ковш, 32- кантовальное устройство, 33- шламы, 34- газоочистка, 36- ковш со сплавом, 37- погружная не водоохлаждаемая графитированная фурма.

Рисунок 3 - Технологическая схема производства ферросилиция
Плавка ферросилиция процесс безшлаковый. Он возможен только при применении чистого сырья. Основным видом кремний содержащего сырья для получения ферросилиция являются кварциты. Крупность кварцита, вводимого в колошу, составляет 50-120 мм. Обычно предвари­тельно его подвергают мойке, дробят и сортируют.

В качестве восстановителя при получении ферросилиция используют коксик крупностью 5—20 мм.

В качестве металлической составляющей используется стружка углеродистых нелегированных сталей с небольшим количеством посторонних примесей, длина витка < 50 мм. Допускается использование отходов сталей с высоким содер­жанием кремния.

Загрузка шихты в печь производится в воронки вокруг электродов через труботечки. Завалку шихты необходимо проводить непрерывно или небольшими порциями по мере оседания шихты на отдельных участках.

Плавку ферросилиция ведут непрерывным процессом, при этом основной задачей является обеспечение нормального хода технологического процесса. Признаками хорошего хода являются:

1. 
   Равномерный сход шихты во всех воронках без участков спекшейся шихты;
   
2. 
   Глубокая посадка электродов;
   
3. 
   Постоянное количество отходящих газов;
   
4. 
   Устойчивая нагрузка (электрическая) на электродах.
   

Процесс плавки в печи происходит главным образом у электродов в тиглях (рисунок 4). Стенки и свод непрерывно оплавляются и замещаются новыми порциями поступающей сверху шихты. Нижняя часть тигля представляет собой газовую полость. Шихта, расположенная у стен печи, прогревается слабо, что в этих местах плавления не происходит и шихтовые материалы образуют гарнисаж.

1. 
   электроды, 2- активная зона, 3- газовая полость, 4- шлак, 5- сплав, 6- гарнисаж
   

Рисунок 4 – Строение ванны печи, выплавляющей ферросилиций
Основные отклонения работы печей объясняются нарушением состава шихты и основных положений технологии.

При недо­статке восстановителя наблюдаются колебания тока, электроды в шихте неустойчивы, выделение газов сосредоточено около электродов, спекание шихты усиливается и увеличива­ется количество свищей, через летку идут вязкий шлак и печные газы.

При длительных наруше­ниях такого типа прекращается выход шлака, плохо закрыва­ется летка. Для исправления хода печи необходимо восста­новить правильный состав шихты и единовременно ввести под электроды "легкую" колошу (с избытком восстановителя) или изменить рабочее напряжение.

При избытке восстановителя электроды поднимаются, тигли становятся узкими, наблюда­ются обвалы шихты у электродов, слышна работа электричес­ких дуг, шлак и сплав плохо сходят из печи, что связано с увеличением количества карбида кремния в ванне. При этом возможной причиной нарушений может быть работа на коротких электродах.

При нарушениях работы печи эффективно изменение рабо­чего напряжения и электрического сопротивления шихты. Для углубления посадки электрода целесообразно вводить в ших­ту вместо обычного кокса восстановители с более высоким электрическим сопротивлением (древесный, газовый уголь, древесные опилки или щепа, полукокс и др.). Целесообразно вращение, ванны печи.

Продолжительность операции выпуска составляет 15-25 минут. Летка должна быть открыта широко и периодически прошуроваваться железным прутом, для того, чтобы обеспечить полный выход шлака из печи. По окончании выпуска очко летки закрывают возможно глубже конической пробкой из смеси электродной массы вручную или пушкой. Обычно делают 4—5 выпусков в смену.

Ферросилиций выпускают в ковш с кладкой из шамотного кирпича или с облицовкой графитовой плиткой. Затем ферросилиций разливают в чугунные изложницы для слитков или в чушки на разливочных машинах конвейерного типа. Толщина слитка не должна превышать 100 мм, так как при большей толщине различие содержания кремния в отдельных точках слитка может достигать 10%.

Чушки передают в остывочное отделение, где после остывания сплав дробят и упаковывают в тару.