Ферросплавная печь – электрическая печь для выплавки ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома и др.) посредством теплоты, создаваемой электрической дугой переменного тока. Ферросплавы – это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом и другими элементами, применяемые в производстве стали для легирования и улучшения ее свойств. Часто применяется и другое определение ферросплавной печи: это рудно-термическая печь для выплавки ферросплавов. В свою очередь, рудно-термическая (или рудовосстановительная) печь – электрическая дуговая печь для выплавки металлов и сплавов из рудных материалов.

Конструкция ферросплавной печи определяется технологическими процессами выплавки ферросплавов: электротермическими и металлотермическими. В основу классификации ферросплавных печей принята мощность печного трансформатора, выраженная в МВА. В условных обозначениях печи приняты правила: первая буква – метод нагрева: рудно-термический (Р); вторая буква – форма ванны: круглая (К) и прямоугольная (П); третья буква – конструктивный признак: открытая (О), закрытая (З) герметичным сводом, полузакрытая (П). Например, печь РКЗ-16,5 является круглой с закрытым сводом и мощностью 16,5 МВА.

Ферросплавные печи могут быть непрерывного (восстановительные) и периодического (рафинировочные) действия.

Схема ферросплавной печи типа РКЗ с водоохлаждаемым сводом и вращающейся ванной

В качестве примера на рис. 2.4 приведен общий вид ферросплавной печи типа РКЗ. В соответствии с классификацией печь является рудно-термической с круглой ванной и закрытым сводом. На следующем рис. 2.5 показан свод печи (в плане). Печь выполняется в виде низкой шахты цилиндрической формы, в которой находятся три вертикально расположенных электрода.

Вид сверху на металлический водоохлаждаемый свод ферросплавной печи

В основном, применяются графитированные, угольные и самоспекающиеся электроды. Графитированные электроды получены прессованием чистых углеродистых материалов с дополнительным обжигом при 2600 °С. Угольные электроды получены прессованием дробленного антрацита и каменноугольного кокса на основе связующего с последующим обжигом при 1300 °С. Самоспекающиеся электроды получают из электродной массы, которая заполняет формообразующий стальной кожух и которая спекается в твердый электрод по мере опускания кожуха в рабочее пространство печи. Самые качественные – это графитированные электроды со специальной пропиткой. Плотность тока в них доходит до 20 А/см2 . Преимущество самоспекающихся электродов – их дешевизна, например, они в 3 раза дешевле угольных, но плотность тока в них только 5-7 А/см2 и, соответственно, диаметр самоспекающихся электродов в 1,5-2 раза больше диаметра угольных и графитированных электродов.

Нижняя часть футеровки печи чаще всего выкладывается из угольных блоков (подина и нижняя часть стен, называемая обстановкой), а верхняя вдоль стен – из шамотного кирпича. Толщина футеровки подины достигает 1,8 м (1,2 м – угольные блоки и 0,6 м – тепловая изоляция). Толщина стен около 0,5 м. При выплавке низкоуглеродистых ферросплавов вместо угольных блоков используется магнезитовая футеровка.

Для равномерного проплавления шихты и разрушения образующихся спёков печи могут быть оборудованы механизмом вращения ванны, который виден на общем виде печи (рис. 2.4). Вращение реверсивное в пределах сектора, соответствующего определенному углу поворота (не более 130°).

Свод состоит из 6 полых секций, внутри которых циркулирует вода. Нижняя поверхность свода покрыта слоем жаропрочного бетона. В своде предусмотрены отверстия для загрузочных воронок, предохранительных клапанов и газоотводов. При вращении печи свод не вращается.

Печь работает непрерывно. Шихта в неё загружается сверху через загрузочные воронки таким образом, чтобы электроды все время оставались глубоко погруженными в неё и чтобы на колошнике вокруг каждого из электродов шихта располагалась в виде конуса. Для справки: колошник – верхняя часть плавильной шахтной печи, куда загружают колошами (порциями) сырые материалы (шихта): агломерат, окатыши, руду, флюсы, топливо.

Под действием электрической дуги под слоем шихты создается высокотемпературная реакционная зона в виде сосуда, стенки которого оплавлены и имеют температуру около 2000 °С. Внутри «сосуда» находятся жидкие и газообразные продукты реакций восстановления при температуре 2100-2200 °С. Теплота выделяется за счет излучения дуг на стенки «сосуда» и за счет протекания электрического тока по объему шихты от одного электрода к другому. Часть теплоты расходуется на проведение реакций восстановления прогретой шихты, на прогрев окружающей шихты теплопроводностью, а часть отводится с газообразными продуктами реакций и с парами оксидов и металлов. Создаваемый над зоной высоких температур толстый слой шихты (~1 метр) способствует хорошему использованию физической теплоты газов, образующихся в этой зоне. Газ, покидающий рабочее пространство печи, называется колошниковым. После очистки от пыли газ называется ферросплавным. Шихта опускается к зоне прямого восстановления и за счет теплообмена с газом достаточно хорошо нагрета и лишена летучих составляющих. Металл и шлак выпускают из печи периодически по мере их накопления через сливной желоб.

Из-за отсутствия возможности проведения замеров непосредственно в рабочем пространстве печи массу расплавленного металла приблизительно определяют по количеству расходуемой электроэнергии. Например, надо выпустить 4 тонны ферросплава из печи, мощность которой 1,5 МВт. На каждую тонну расходуется, допустим, 3 МВт⋅ч электроэнергии. Простейший расчет: 3/1,5 × 4 = 8 часов. Т.е., ведя процесс плавки на максимальной мощности в течение 8 часов, мы гарантированно получим 4 тонны ферросплава.

Температура плавления ферросплава зависит от его состава. Например, температура плавления ферромарганца составляет 1220-1260 °С. Температура разливки ферромарганца на ленточных машинах – 1340-1380 °С. Температура выпуска из печи ~ 1500-1600 °С.

При восстановлении окислов в ферросплавных печах образуется много СО в соответствии с реакциями, типа

MnO + C = Mn + CO – 288,288 кДж/моль.

Образующийся колошниковый газ отводится из-под свода печи и не всегда полезно используется. Иногда ферросплавный газ применяют для обжига известняка и для отопления котельных. В некоторых случаях его сжигают в свечах над крышей цеха. Типичный состав ферросплавного (колошникового) газа, получаемый при выплавке, например, ферромарганца: СО — 80÷90 % (объёмн.); СО2 — 2÷10 %; Н2 — 2÷6 %; СН4 — 0÷5 %; N2 — 0÷3 %; О2 — 0,04÷0,08 %. Теплота сгорания газа как топлива довольно высокая – 9÷10 МДж/м3 .

Удельный расход энергии в ферросплавных печах следующий:

  • при выплавке ферросилиция (75 % Si) – 570 кг у.т./т кварцита или 8500-8800 кВт⋅ч/т ферросилиция, что составляет 1040-1080 кг у.т./т ферросилиция;
  • при выплавке ферромарганца (76 % Mn) – 120÷130 кг у.т./т концентрата или 3800-4100 кВт⋅ч/т ферромарганца (флюсовый процесс), что составляет 460-510 кг у.т./т ферромарганца;
  • при выплавке высокоуглеродистого феррохрома (60 % Cr) – 230÷240 кг у.т./т концентрата или 3700-4000 кВт⋅ч/т феррохрома, что составляет 450-490 кг у.т./т.

Ориентировочный материальный баланс выплавки высокоуглеродистого ферромарганца флюсовым процессом

Ориентировочный материальный баланс выплавки высокоуглеродистого ферромарганца (76 % Mn) флюсовым процессом приведен в табл. 2.5, а соответствующий ему тепловой баланс ферросплавной печи – в табл. 2.6.

Ориентировочный тепловой баланс рабочего пространства ферросплавной печи при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца флюсовым процессом

Несколько слов об особенностях производства углеродистого ферромарганца. Его производят флюсовым и бесфлюсовым процессами. Различие процессов связано с особенностью поведения фосфора при плавке: 85-90 % фосфора шихты переходит в металл, 5-10 % – в шлак и 5-10 % – в улёт (испаряется). При бесфлюсовом процессе в шихту к марганцевому концентрату не добавляют флюс (известняк или известь), а добавляют восстановитель (коксик) и железную стружку в расчете на получение определенного количества загрязненного фосфором ферромарганца и возможно большого количества малофосфористого шлака. Загрязненный фосфором ферромарганец имеет ограниченное применение в сталеплавильном производстве. Малофосфористый же шлак перерабатывают в ферросплавной печи флюсовым процессом для получения ценного низкофосфористого ферромарганца или силикомарганца. Образующийся при флюсовом процессе шлак называется отвальным. Именно балансы флюсового процесса рассмотрены в примере.

В табл. 2.5 и 2.6 приняты следующие составы материалов. Марганцевый агломерат: MnO 50 %; CaO 5; SiO2 28; MgO 2; FeO 4; Al2O3 4; Fe2O3 2; Mn3O4 5; P2O5 ~0,41 %. Малофосфористый шлак: MnO 60 %; SiO2 30; CaO 4; Al2O3 3; R2O 2; MgO 1; P2O5 ~0,02 %. Ферромарганец: Mn 76 %, C 6,6; Si 1,2; Fe 16; P ~0,45 %. Отвальный шлак: MnO 12 %; CaO 37; SiO2 33; MgO 8; FeO 1; Al2O3 7; P2O5 ~0,035 %. Колошниковый газ: СО 92 % (масс.); СО2 6,5; Н2 0,15; летучие 1,5 %. При составлении балансов приняты следующие реакции. Реакции шлакообразования: MnO + SiO2 = MnSiO3 ; 2MnO + SiO2 = 2MnO⋅SiO2 ; CaO + SiO2 = CaO⋅SiO2 ; MgO + SiO2 = MgO⋅SiO2 . Реакции восстановления оксидов: MnО → Mn + 0,5 O2 ; SiO2 → Si + O2 ; Fe2O3 → 2 Fe + 1,5 O2 ; P2O5 → 0,5 P4 + 2,5 O2

Как следует из табл. 2.6 удельный расход электроэнергии в рабочем пространстве печи составляет 12550 /3,6 = 3486 кВт⋅ч/т или 430 кг у.т./т ферромарганца. Если принять потери электроэнергии в подводящих токопроводах и в печном трансформаторе 10 %, то для ферросплавной установки расход электроэнергии составит 3486×1,1 = 3835 кВт⋅ч/т или 470 кг у.т./т.

Для снижения расхода энергии можно рекомендовать следующее:

  • использование химической теплоты ферросплавного газа, например, для предварительного нагрева шихты в отдельно стоящем агрегате или в той же печи;
  • использование физической теплоты расплавленных ферросплава и шлака для подогрева воды, получения пара или для подогрева шихты;
  • использование взамен дорогостоящих графитированных электродов самоспекающихся, что сокращает регламентированные простои печи и непроизводительные потери теплоты в окружающую среду;
  • использование в кладке печи огнеупорных материалов с меньшей теплопроводностью.