Для выплавки ферросилиция марки ФС 45 используют трехфазные печи различной мощности. Печи выполняют открытыми, закрытыми, герметизированными и с дожиганием газа под сводом, часто с вращением ванны. Такие печи позволяют снизить расход шихтовых материалов и электроэнергии и затраты труда, очищать выбросы в атмосферу и использовать колошниковые газы. Наблюдаемый значительный прирост мощности электропечной установки вызван тем, что при этом сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты.
В дипломе рассматривается технология выплавки ферросилиция марки ФС 45 в закрытой трехфазной печи мощностью 24 МВА непрерывным процессом. Производство ферросилиция в закрытой печи непрерывным процессом экономически целесообразно, т.к.:
· снижается расход шихтовых материалов и электроэнергии;
· уменьшаются затраты труда;
· извлечение ведущего элемента достигает 85 - 90 % ;
· закрытая печь решает вопрос защиты окружающей среды от загрязнения и позволяет утилизировать отходящие газы.
Основные задачи правильного обслуживания закрытой печи сводятся к:
· поддержанию необходимого давления под сводом;
· обеспечению равномерного схода шихты
· предотвращению чрезмерного выбивания газа через загрузочные воронки и забивания пылью подсводового пространства и газоходов печи.
Строение ванны закрытой печи при выплавке ферросилиция практически не отличается от строения ванны открытой печи, поэтому характер процессов в горне открытой и закрытой печи одинаков.
Ванны печей для выплавки ферросилиция выполняются круглыми с угольной футеровкой. Футеровка печи для выплавки ферросилиция (ФС 45) мощностью 24 МВА.
Для набивки швов угольной кладки применяют подовую массу.
Высота угольных стен горна печи обычно составляет 1200 - 1900 мм. Для обкладки днища и стенок кожуха используют асбестовый лист толщиной 10-15 мм. Подину и стены выполняют из алюмосиликатного кирпича, подину футеруют насухо (за исключением второго и третьего рядов, выкладываемых на растворе), а стены – на глинисто-мермельном растворе. Между кожухом и футеровкой имеется слой засыпки из алюмо-силикатной крупки (100-150 мм), компенсирующий тепловые расширение кладки и служащий добавочной теплоизоляцией.
Печь работает на самоспекающихся электродах Ø1200 мм и Ø1400 мм. Глубина погружения электродов в шихте ниже загрузочных воронок должна быть не менее 1500 мм для ФС 45.
И.Т. Жердев отмечает, что в закрытой печи шихта на пути к колошнику прогревается в воронках до 350-600 ºС и теряет не менее 65% гигроскопической влаги; выделяется значительная часть летучих; диоксид углерода CO2 при повышении температуры образует монооксид СО, на что расходуется углерод шихты. Газовую фазу подсводового пространства характеризует высокое содержание монооксида углерода; при попадании непросушенной шихты скачками повышается содержание H2. Главными составляющими газовой фазы в печи являются CO, SiO2 и конденсаты, выпадающие из газовой смеси, образующиеся в результате или превращения самих составляющих, или их взаимодействия по следующим реакциям:
SiO + CO2 " CO + SiO2 ; (2.1)
2 CO " C + CO2 ; (2.2)
SiO + CO " C + SiO2 ; (2.3)
3 SiO + CO " SiC + 2 SiO2 ; (2.4)
2 SiO " Si + SiO2 ; (2.5)
Около половины конденсатов являются продуктами реакции (2.4) и ~ 30% получены по реакции (2.5). Состав пыли в подсводовом пространстве изменяется в зависимости от марки выплавляемого сплава. Так, при выплавке ФС 45 в пыли возрастает количество SiC, SiO и продуктов его окисления – лешательерита и кристобалита. Химический состав пыли при выплавке ФС 45 приведен в табл. 2.17.
Таблица 2.17 – Химический состав пыли при выплавке ФС 45.
| Сплав | Массовая доля, % | ||||||||
| SiO2 | Mn | CaO | MgO | Al2O3 | FeO | P | C | S | |
| ФС 45 | 77,8-91,2 | 0,35-0,6 | 0,24-0,8 | 1,52-6,8 | 1,92-2,0 | 3,22-6,48 | 0,05 | не опр. | 2,95-12,35 |
Зарастание подсводового пространства конденсатами из колошниковых газов, при прочих равных условиях, является, главным образом, результатом недостатка углерода в ванне печи. Однако избыток восстановителя также приводит к выходу колошниковых газов в большом количестве с более высокой температурой и с повышенным содержанием в них SiO вследствие недостаточного погружения электродов в шихту. Для обеспечения нормального хода восстановительного процесса в закрытой печи необходимо при прочих равных условиях ограничивать поступление в подсводовое пространство газообразных продуктов, способных образовывать конденсаты. Для уменьшения подсоса воздуха загрузочные воронки и течки должны быть заполнены шихтой, а печные бункера – заполнены не менее, чем на половину объема.
Плавку ферросилиция ведут непрерывным процессом, при этом основной задачей является обеспечение нормальной работы колошника и летки. Нормальный ход технологического процесса характеризуется следующими показателями:
1) равномерное выделение в воронках вокруг электродов невысокого и неяркого пламени;
2) равномерный сход шихты вокруг каждого электрода;
3) рыхлая шихта в воронках свободно «прошивается» в любой точке;
4) устойчивая и глубокая (3,0-3,7 м ниже обреза щек) посадка электродов в шихте (при выплавке ФС 45 составляет не менее 1500 мм) при полной и одинаковой электрической нагрузке по фазам при одинаковых фазовых напряжениях;
5) равномерный выход жидкоподвижного шлака при каждом выпуске;
6) появление небольшого язычка пламени в конце выпуска из леточного отверстия.
Вокруг электродов выходит 10-15% колошникового газа с температурой ~ 650 ºС. Давление под сводом печи должно составлять9,8 Па, а разность давлений в трех точках под сводом должна быть не более 5 Па; разрежение под сводом не допускается. Температура газа под сводом должна быть 500-600 ºС и не выше 700 ºС, а в газоходе – не более 200 ºС. Разрежение в начале наклонного газохода должно составлять 50-200 Па, перед скруббером 200-400 Па, после трубы Вентури – не менее 16000 Па. Содержание водорода в газе ≤ 5%, кислорода ≤ 1% ; постоянное количество отходящих газов.
Процесс плавки в печи происходит, главным образом, у электродов в тиглях.
В верхней части тигля холодная шихта образует своеобразный свод. Стенки и свод тигля непрерывно оплавляются и замещаются новыми порциями поступающей сверху шихты. Таким образом, тигель нельзя рассматривать как застывший сосуд под электродом. Это скорее зона высоких температур, образовавшаяся у конца электрода. При горячем ходе печи нижние части тиглей соединяются, образуя общий тигель. Нижняя часть тигля представляет собой газовую полость. Расстояние между торцом электрода и поверхностью расплава («дном» тигля) составляет 200-400 мм. Шихта, расположенная у стен печи, прогревается настолько слабо, что в этих местах плавления не происходит и шихтовые материалы спекаются в плотный монолит (гарнисаж). Быстрое проплавление шихты возле электрода способствует поддержанию рыхлого столба материалов вокруг него. Поскольку реакции восстановления происходят, главным образом, вокруг электрода, газы, образующиеся внизу возле дуг, нагретые до высокой температуры и, проходя через вышележащие слои шихты, нагревают их. Прохождение горячего газа через более холодную шихту вызывает конденсацию паров кремния. Для равномерного распределения по колошнику выходящих из печи газов, предотвращения спекания колошника и образования «свищей» при выплавке ферросилиция необходимо вращать ванну печи. Наилучшие результаты дает вращение ванны с частотой 1 оборот за 50-70 ч. В этом случае улучшается сход шихты, главным образом, с набегающей стороны электрода, куда и заваливают основную часть шихтовых материалов.
Завалку шихты необходимо проводить непрерывно или небольшими порциями по мере оседания шихты на отдельных участках. В первую очередь шихту заваливают в наиболее горячие участки колошника вокруг электродов. Загрузка лишней шихты недопустима, т.к. увеличение столба материалов вызывает смещение плавильной зоны вверх и нарушение теплового режима в зоне реакции. Недостаточное количество шихты в печи приводит к увеличению потерь тепла с уходящими газами и потерь кремния в улет.
Загрузка шихты в печь производится в воронки вокруг электродов через труботечки на печах с частичным (80-90 %) улавливанием отходящих газов.
При ведении технологического процесса могут наблюдаться отклонения от нормального хода печи:
1. Недостаток восстановителя ведет к неустойчивой посадке электродов и колебаниям нагрузки, за электродами тянутся длинные кварцевые нити, тигли сужаются, происходит сильное спекание шихты, на колошнике наблюдаются частые «свищи», летка сильно «газит», из летки выходит густой шлак (или, при длительной работе с недостатком восстановителя, выход шлака прекращается), рабочие концы электродов сильно утоньшаются и быстро укорачиваются. Температура в печи на глубине 500-600 мм от поверхности колошника при выплавке ФС 45 повышается до 1800-2000ºС, что приводит к усиленному испарению и потерям в улет не только монооксида кремния, но и восстановленного кремния. Работу с недостатком восстановителя называют закварцеванием печи. В случае длительной работы печи с недостатком восстановителя наблюдается расстройство работы летки – летка закрывается с трудом или вообще не закрывается, наблюдается просачивание металла в любом месте арочки и даже прорыв футеровки печи сплавом. Для исправления хода печи следует добавить восстановитель в шихту, давать коксик в виде добавок, усилить обслуживание колошника. Если эти меры не дают положительного результата, то следует несколько проплавить тигель электрода над леткой и при выключенной печи дать в тигель 150-500 кг коксика.