Производство ферросплавов

Ферросплавы называются промежуточные сплавы железа с другими элементами, применяемые главным образом для легирования и раскисления стали, а также для модифицирования. Целесообразность использования при производстве стали ферросплавов, а не чистых металлов объясняется тем, что при этом уменьшается угар легирующего компонента, облегчается его введение в сталь вследствие более низкой температуры его плавления, а также более низкой стоимостью легирующего компонента, вводимого в форме ферросплава.

     В наибольших количествах производятся и потребляются ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий, ферровольфрам, ферромолибден и ферротитан.

     На территории бывшего СССР  работают крупные заводы по производству ферросплавов: Челябинский, Запорожский, Зестафонский, Актюбинский, Ермаковский и др.

     Для получения ферросплавов используют руды и концентраты, содержащие легирующие компоненты, в основном, в форме оксидов. В процессе металлургической переработки они подвергаются восстановлению углеродом, кремнием или алюминием. Наиболее распространено углетермическое восстановление с помощью мелочи угольного и нефтяного кокса. Этот способ применяется в тех случаях, когда нет особых требований к содержанию углерода в сплавах. Углетермическим восстановлением получают углеродистый ферромарганец, феррохром и ферросилиций.

     Восстановление кремнием и алюминием используют при получении феррованадия, ферромолибдена, ферровольфрама, ферротитана и др. Ферросплавы, полученные металлотермическим способом, содержат < 0,03 % С.

     Ферросплавные печи. Ферросплавы  получают, в основном, в специальных дуговых печах, которые могут быть круглыми или прямоугольными открытого, закрытого или герметичного типа.

     Открытая ферросплавная печь (без свода) представляет собой емкость с тремя электродами, сваренную из толстого листового железа, футерованную изнутри огнеупорными материалами. При выплавке кремнистых сплавов и углеродистого ферромарганца футеровку выкладывают из угольных блоков, а для выплавки феррохрома применяют магнезитовую футеровку. Фактически футеровкой открытых печей является гарнисаж, образующийся из застывших руды и сплава.

     Основными недостатками открытых ферросплавных печей являются потери больших количеств теплоты через открытый колошник и загрязнение цеха отходящими газами, что затрудняет работу оборудования и обслуживающего персонала. Эти недостатки устраняются при работе закрытых печей, которые снабжены сводом из жаропрочного железобетона или из шамотного фасонного кирпича в каркасе из водоохлаждаемых труб. Печи закрытого типа имеют уплотнение в виде песочного затвора между сводом и ванной.

     Открытые и закрытые круглые ферросплавные печи могут иметь вращающую ванну для предотвращения зависания шихты и образования настылей. Вращение ванны реверсивное, в секторе 130º происходит со скоростью один оборот за 35-100 ч. При повороте ванны свод остается неподвижным.

     Ферросплавные печи работают в непрерывном режиме. Сплав из них выпускают по мере надобности отдельными порциями через специальные летки.

     Шихту загружают в открытые печи сверху через колошник отдельными порциями, а в закрытые - через специальные загрузочные устройства в своде. Применяются три варианта загрузки шихты в закрытые печи: в кольцевое пространство вокруг электродов, при этом создается уплотнение электрода в своде; в воронки, расположенные в своде симметрично электродам, при этом воронки доверху заполняются шихтой; через трубы - течки наглухо заделанные в своде.

     Ферросплавные печи трехфазные с тремя (круглые печи) или шестью ( прямоугольные печи) сомоспекающимися электродами. Трехэлектродные печи имеют по одному трансформатору, от которого через короткую сеть ток подается на каждую фазу, а у шестиэлектродных печей по три трансформатора - по одному на два электрода.

     Рассмотрим технологию получения ферросплавов на примере ферросилиция, углеродистого ферромарганца и ферротитана, получаемого металлотермическим способом.

     Производство ферросилиций. Ферросилиций по объему производства занимает первое место среди ферросплавов. Его используют для раскисления стали, электротехнических, конструкционных, окалиностойких сталей, приготовления термитных смесей. Промышленность выпускает ферросилиций, содержащий от 18 до 90 % Si. Наиболее распространенными являются сплавы ФС65, содержащие соответственно 45 и 65 % Si.

     Источником кремния при производстве ферросилиция являются кварциты. Они должны содержать не менее 95 % SiO2. Наиболее вредной примесью в них считается глинозем. При его наличии возрастает выход шлака и повышается расход электроэнергии. Железная составляющая ферросилиция образуется из стальной стружки, вводимой в шихту плавки.

     Ферросилиций выплавляют в открытых и закрытых электропечах с угольной футеровкой. Электроды при плавке глубоко погружены в шихту. При загрузке в печь хорошо перемешанных исходных материалов вокруг электродов постоянно поддерживают шихтовые откосы, которые затрудняют выход газов и уменьшают в результате этого потери теплоты и кремния.

     В присутствии восстановителя при высокой температуре кремний восстанавливается твердым углеродом по реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO. При избытке восстановителя образуется также тугоплавкий карбид кремния SiO2  + 3С = SiC +2СО. В присутствии железа карбид кремния разрушается. Одновременно железо улучшает условия восстановления кремния и его восстановление идет при более низких температурах. Несмотря на применение коксика для восстановления и угольную футеровку печи, в готовых сплавах ферросилиция содержится ≤ 0,1 % С. Это объясняется тем, что кремний понижает растворимость углерода в железе.

     Готовы сплав выпускают из печи 15-15 раз в сутки. Его  отливают в слитки массой 15 кг. 

Выплавка ферросилиция - очень энергоемкий процесс.  Расход электроэнергии для производства 1 т сплава ФС65 составляет 7000- 8000 кВт*Ч.

Производство углеродистого ферромарганца. Ферромарганец используют для раскисления и легирования многих сталей. При повышенных содержаниях марганца в стали она приобретает высокую износоустойчивость и хорошее сопротивление истиранию. Такую сталь применяют для изготовления деталей землеройных машин, драг, дробильного и помольного оборудования, железнодорожных стрелок и т.д.

     Ферромарганец марки ФМн78 содержит, %: 78-82 Mn; 7,0С; 2,0 ; 0,35 Р и 0,03 S.

     Углеродистый ферромарганец выплавляют в печах открытого и закрытого типа из агломерата, получаемого из марганцевого концентрата, содержащего 23-28 % Mn в форме пиролюзита MnO 2.  В агломерате содержится 49 % Mn.

     Восстановление марганца из пиролюзита происходит ступенчато по схеме MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO→ Mn.

     В восстановительных условиях оксиды марганца легко восстанавливаются до MnO, который взаимодействует с твердым углеродом по реакции MnO + C = Mn + CO. При плавке возможно также образование карбида Mn3C.

     Углеродистый ферромарганец плавят непрерывным процессом как флюсовым способом с добавками известняка, так и бесфлюсовым - без присадки флюсов. В результате получают высокоуглеродистый сплав и богатый марганец малофосфористый шлак, содержащий до 50 % MnO. Этот шлак используют вместо марганцевой руды для производства низкофосфористого силикомарганца.

     Шихту загружают в печь по мере ее проплавления. Колоша шихты состоит из 300 кг марганцевой руды, 50 кг коксика и 15-20 кг железной стружки. О нормальном ходе процесса свидетельствует наличие откоса шихты около электродов высотой 300 - 400 мм, глубокое расположение электродов в шихте, сход шихты с откосов.

     Сплав и шлак выпускают одновременно пять-шесть раз в смену через все имеющиеся летки поочередно. Шлак образуется из пустой породы руды, известняка, золы кокса, оксидов марганца. При выплавке 1 т ферромарганца получается около 1 т шлака.

     При выпуске расплавов из печи на одной тележке устанавливают ковш для сплава и чашку для шлака.

     Ковш футерован шамотным кирпичом. Струя расплава, выпускаемого из печи, сначала попадает в ковш. По мере его наполнения расплавом шлак переливается в чашку, а сплав накапливается в ковше. Разливают ферромарганец на конвейерной машине с чугунными изложницами в слитки толщиной около 85 мм.

     Для выплавка 1 т ферромарганца марки ФMn78 с содержанием 78-82 % Mn расходуется 2 т агломерата, 350 кг коксика, 100 кг железной стружки, 336 кг известняка и 3600-4800 кВт ч электроэнергии.

     Производство ферротитана. Ферротитан используют металлотермическим способом с использованием в качестве восстановителя алюминия в виде порошка с крупностью зерен < 2 мм.

     Шихтовыми материалами при производстве ферротитана  служат ильменитовый концентрат, содержащий 50-60 % TiO2 и 50-40 % (FeO + Fe2 O3), порошковый алюминий, железная руда и мелкая известь. Шихту плавят в разъемной трубе-шахте, установленной на поддоне-тележке. Перед началом плавки на дно шахты засыпают и утрамбовывают слой магнезитового порошка. Внутрь вставляют цилиндр из кровельного железа. Зазор между цилиндром и шахтой засыпают магнезитовым порошком. Тележку-поддон закатывают в запальную камеру, снабженную вентиляцией.

     В готовую шахту через лоток загружают около 200 кг шихты. Затем шихту зажигают запальной смесью, состоящей из магниевой стружки и селитры, которая при нагревании разлагается с образованием атомарного кислорода.

     Запальную смесь помещают в лунку в центре загруженной шихты и зажигают при помощи электрической искры. От теплоты, выделяемой при горении запальной смеси, начинается экзотермический процесс восстановления сначала близлежащих к запалу слоев шихты, а затем воспламеняется весь объем шихты в шахте.

     По мере развития процесса восстановления из бункера в шахту равномерно подсыпают остальную стружку. Плавление 4 т шихты длится 12-15 мин. Во время плавки идут реакции: TiO2 + 4/3A1 = 3Ti + 2/3A12O3 - 195 кДЖ, Fe2 O3 + 2А1 = FeO + А12О3 - 846,4 кДЖ. Условия, создаваемые при металлотермическом получении ферротита, обеспечивают необходимую температуру для получения жидкотекучего шлака. Корольки металлического сплава при этом собираются на дне шахты в блок. Тугоплавкий шлак содержит 70 % А12О3.

     По окончании плавки на поверхность шлака дают термитную осадительную смесь железной руды, алюминиевого порошка, ферросилиция и извести. Дополнительная теплота от взаимодействия оксидов руды и восстановителей разжижает шлак. Запутавшиеся в шлаке корольки ферротитана дополнительно оседают на дно.

     После затвердевания блок шлака снимают, а блок ферротитана охлаждают в баке с водой и затем дробят на куски. Для получения 1 т ферротитана марки ФТи20 с 20 % Ti затрачивается 880 кг концентрата, 190 кг железной руды, 400 кг алюминиевого порошка, 100 кг извести и 25 кг 75 %-ного ферросилиция.

 

© 2007 ООО Металл
Создание, веб дизайн, поддержка сайтов megagroup.ru