yandex.metrica
Технология ферросплавов

Классификация способов получения ферросплавов по виду используемого агрегата

Историческое развитие производства ферросплавов и технически чистых металлов определило основные способы извлечения элементов из руд и концентратов, существующие и в настоящее время:

  1. электротермический;
  2. металлотермический;
  3. доменный;
  4. электролитический.

Электротермические способы осуществляются в энергетических установках, позволяющих преобразовывать электрическую энергию в тепловую, используемую для восстановления, плавления, нагрева металлов и сплавов, а также рафинирования их. Все электротермические процессы делят на группы, отличающиеся типом и областью применения продуктов:

  1. электрометаллургия ферросплавов;
  2. электрометаллургия стали;
  3. получение карбидов (кремния, бора, кальция и др.) и цианистых соединений ;
  4. электроплавка оксидов (получение нормального, белого электрокорунда и монокорунда, кварцевого стекла, плавленого магнезита, муллита и т. д.);
  5. возгонка и последующая конденсация элементов и соединений (фосфора и др.);
  6. синтез и крекинг веществ в газовой фазе при помощи электрического разряда (озона, оксидов азота, пероксида водорода).

Электротермические методы основаны на использовании дуговых электрических печей, в которых тепло выделяется при прохождении тока через газовый промежуток и шихтовые материалы, обладающие высоким электрическим сопротивлением. Сами процессы характеризуются возможностью получения высоких температур в области горения электрических дуг, химической нейтральностью источников тепла, возможностью осуществления процессов с любым составом газовой фазы (восстановительной, окислительной, нейтральной) и в вакууме, а также легко и быстро изменять мощность установки с полной автоматизацией ее работы.

Металлотермический способ основан на использовании тепла химических реакций восстановления оксидов алюминием, кремнием, кальцием. Эти процессы с применением алюминия могут проводиться без подвода электрической энергии, хотя в последние годы большая часть таких технологий предусматривает предварительное расплавление шихтовых материалов (оксидов) в дуговых электрических печах с целью интенсификации процесса, экономии дорогих восстановителей и более полного извлечения ведущих элементов из шихты в металл. Металлотермические методы производства ферросплавов, сплавов и технически чистых металлов подразделяются в зависимости от типа применяемого восстановителя (алюминотермия, силикотермия, кальциетермия); в ряде случаев используются одновременно несколько восстановителей. Ферросплавы, сплавы и металлы, выплавленные металлотермическим методом, характеризуются низким содержанием углерода и ряда других примесей; при этом легко получить сплавы с низким содержанием железа на основе хрома, титана, никеля и других металлов. Процессы выплавки характеризуются высоким извлечением ведущих элементов, небольшими капитальными затратами на строительство цехов и не-обходимых установок. Металлотермическим методом полу¬чают несколько десятков различных ферросплавов и сплавов. При этом используют различные варианты аппаратурного оформления процесса: внепечная плавка на блок, плавка с выпуском шлака и металла, электропечной процесс с предварительным расплавлением восстанавливаемых оксидов и флюсов, металлотермический переплав и т. д. Метод в настоящее время позволяет полнее использовать отвальные шлаки в огнеупорной, сталеплавильной, строительной отраслях промышленности.

Электролитические способы основаны на электролизе водных растворов или расплавленных солей и используются для получения особо чистых металлов. Однако это связано с расходом значительного количества электроэнергии и необходимостью применения особо чистых материалов.

Доменный процесс позволил впервые получать необходимые ферросплавы (с марганцем, кремнием и хромом), но он требует значительного расхода высококачественного кокса, а получаемые сплавы содержат много углерода. Недостатком доменной плавки является также невозможность достижения высоких температур вследствие образования большого количества газов и потерь с ними тепла. В доменных печах в СССР в настоящее время выплавляют ~50% высокоуглеродистого ферромарганца.

Необходимость использования относительно бедных руд и увеличение потребности в ферромарганце привели к производству высокоуглеродистого ферромарганца в мощных рудовосстановительных печах типа РПЗ-63. Расход кокса на 1 т сплава при выплавке его в электропечи составляет 450—500 кг (1700—1800 кг в доменных печах), что определяет более низкую его стоимость. Учитывая возможность применения при плавке ферромарганца и других сплавов дешевых и не дефицитных видов углеродистого восстановителя (полукокса, газового угля и др.), а также значительное улучшение технико-экономических показателей процесса благодаря использованию предварительно восстановленных и нагретых шихтовых материалов, в дальнейшем получение высокоуглеродистого ферромарганца намечается проводить электротермическим методом. В последние годы получили развитие специальные методы производства ферросплавов в вакуумных печах сопротивления, индукционных печах и в конвертерах, позволяющие получать сплавы с особо низким содержанием углерода (0,03—0,01% и менее), кислорода, водорода и неметаллических включений, а также азотированные ферросплавы с хромом, марганцем, ванадием и т. д.

Непрерывные и периодические процессы. Ферросплавные процессы подразделяются на непрерывные и периодические. Непрерывные процессы характеризуются непрерывной загрузкой шихты в рудовосстановительную электропечь с закрытым колошником и периодическим (или непрерывным) выпуском ферросплава и шлака. Шихта расположена в печи все время на определенном уровне. Электроды постоянно погружены в шихту, а выпуск металла и шлака ведется периодически или непрерывно. При этом используют печи большой электрической мощности (16,5— 75 МВА), а в качестве восстановителя применяют углеродные материалы.

Колошником называют верхний слой шихты, находящейся в печи и расположенной при непрерывном процессе практически все время на одном и том же уровне. По мере схода (опускания) шихты ведется загрузка ее преимущественно к электродам, вокруг которых шихта располагается конусом. Верхний уровень конуса 0,3—0,5 м выше уровня шихты на периферии колошника. В герметичных печах типа РПГ-63 шихта подается на колошник между электродами. В процессе работы печи в результате восстановления оксидов шихты углеродом образуется большое количество монооксида углерода СО, содержание которого в газовой фазе составляет 80—95%. В результате местного концентрированного выхода газов в одном месте колошника могут образоваться «свищи», которые стараются сразу же засыпать свежей шихтой. При работе печи с закрытым колошником подводимый по электроду ток проходит через дуговой разряд и последовательно расположенное с ним сопротивление ванны, часть тока с верхней части электрода стекает с боковой его поверхности на токопроводимую шихту (ток шихтовой проводимости). При непрерывном процессе дуговой разряд получает значительное развитие и тогда большая часть тока проходит через дугу, что обусловливает высокую концентрацию тепловой энергии и необходимые температурные условия для развития восстановительных процессов.

Размеры газовой полости вокруг нижнего (рабочего) конца электрода зависят от распределения тока между шихтой и электрической дугой. Чем меньше электрическое сопротивление шихты, тем больший ток идет через шихту от одного электрода к другим (в печи с тремя электродами), к углеродистым блокам, расположенным в стенах печи, к расплаву шлака и металла, находящимся на подине печи. Электрическое сопротивление шихты зависит от количества углеродистого восстановителя в ней, его электрического сопротивления, а также от температуры появления в шихте жидкой фазы и ее количества.

Рудная (оксидная) часть шихты включает простые или сложные минералы с определенной температурой плавления. Простой минерал состоит из кристалла, образуемого одним оксидом,  сложный минерал представлен химическим соединением двух или более оксидов различных элементов. Чем выше температура плавления минеральной части шихты и меньше количество жидкой фазы в шихте (при постоянном массовом соотношении углеродистого восстановителя и оксидной части), тем большая доля электрического тока проходит через дугу, образуя газовую полость вокруг электрода. Форма и размеры газовой полости вокруг рабочего конца электрода зависят также от температуры появления жидкой фазы в минеральной части шихты и ее количества.
Различные минералы в оксидной (рудной) части плавятся при разных температурах. При высокой температуре плавления минералов жидкая оксидная фаза (шлак) образуется в самых горячих (нижних) горизонтах шихты, и газовые полости под электродами получают значительное развитие. Продукт химических реакций (металлический расплав) скапливается на подине печи, если плотность металлической фазы больше плотности оксидного расплава. Если восстанавливаемый элемент (ферросплав) имеет плотность, меньшую плотности оксидного расплава (кремний, силикоалюминий, силикокальций), металлический  расплав располагается в печи в отдельных зонах, сообщающихся узкими каналами между собой. Выпуск ферросплава из печи производится, как правило, через определенные промежутки времени (1,0—1,5 ч) или непрерывно (кристаллический кремний, силикоалюминий).

Непрерывный выпуск металла способствует поддержанию устойчивой работы печи с низкой посадкой электродов в шихте, а восстановленные элементы в течение меньшего промежутка времени находятся в контакте с СО газовой фазы, и вторичное карбидообразование в результате окисления уже восстановленных элементов монооксидом углерода получает меньшее развитие. Температура оксидного и металлического расплава, находящихся в печи, определяется температурой плавления шихты. Практически вся подводимая дополнительная мощность расходуется на физико-химические процессы плавления и восстановление оксидов углеродом, протекающие с поглощением большого количества тепла.

Непрерывный процесс характеризуется рациональным использованием тепла, получаемого при подводе электрической энергии в ванну печи; расплав оксидов и металла всегда закрыт слоем шихты, потери тепла открытой поверхностью расплава отсутствуют. Тепло отходящих газов частично расходуется на нагрев шихтовых материалов, в результате этого в шихте идут процессы удаления летучих веществ, гидратнон и гигроскопической влаги, начинаются процессы восстановления оксидов в твердых фазах, обеспечиваются теплом эндотермические реакции, протекающие на поверхности углеродистого восстановления при контакте конденсированных высших и газообразных низших оксидов элементов.

Непрерывные процессы осуществляются в основном в закрытых и герметических печах, оборудованных сводом, что обеспечивает улавливание и очистку отходящего газа (85—90% СО). Колошниковый газ, имеющий высокую теплоту сгорания, может использоваться в качестве топлива и газа-восстановителя для нагрева и предварительного восстановления шихты в отдельных агрегатах (обычно в трубчатых печах), а также для обжига известняка и получения из СО химических продуктов.

Периодические процессы ведут с использованием определенного количества шихтовых материалов, предназначенных для одной плавки. Загруженная в печь шихта полностью проплавляется с восстановлением оксидов ведущих элементов. Выпуск продуктов плавки (металла и  шлака) ведут периодически; чаще всего выпускают из печи металл и шлак одновременно.

Шлаковые и бесшлаковые процессы. Электротермические процессы подразделяют на бесшлаковые и шлаковые. Относительное количество шлака при производстве ферросплавов определяют или в процентах по отношению к массе металла, или по кратности шлака, т. е. по соотношению массы шлака и металла. Обычно к бесшлаковым процессам относят выплавку ферросплавов, при которых количество шлака незначительно и составляет 3—10% от массы металла (например, выплавка кристаллического кремния, ферросилиция, силикокальция, силикоалюминия, ферросиликохрома). При бесшлаковых процессах шлак образуется оксидами, содержащимися в небольших количествах в рудах, концентратах, нерудных материалах и невосстановленными во время плавки.

Шлаковые процессы сопровождаются образованием значительного количества шлака. Кратность шлака может составлять 1,2—1,5 при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца и силикомарганца и 2,5—3,5 при получении феррохрома и металлического марганца силикотермическим способом.

Флюсовые и бесфлюсовые процессы. Выплавку ферросплавов при периодическом процессе чаще всего ведут флюсовым методом, хотя в определенных условиях целесообразна бесфлюсовая плавка. При флюсовом методе восстановление оксидов ведущего элемента происходит по реакциям:

2MeО • SiO2 + 2С + СаО2 = 2Ме + СаО • SiO2+ 2СО;

 2МеО + Si + CaO = 2Ме +CaO * SiO2;

3MeO + 2Al + CaO = 3Me + CaO * Аl2O3.

Уменьшение активности SiO2 и  Аl2O3 способствует смещению реакций в сторону большей степени восстановления оксида ведущего элемента и термодинамически процесс восстановления становится более вероятным вследствие уменьшения изменения энергии Гиббса системы при образовании соединений оксида флюса с SiO2 и Аl2O3. В качестве флюсов используют материалы, содержащие CaO, MgO и другие компоненты, образующие наиболее прочные химические соединения с оксидами — продуктами реакций восстановления. При этом уменьшается вязкость шлака, снижается (или повышается) температура плавления шлака, уменьшается концентрация в ферросплаве примесей, что приводит к более полному извлечению ведущего элемента и повышению качества ферросплава. Возможна  электропечная плавка и бесфлюсовым методом. При этом снижается расход электроэнергии и увеличивается производительность печи, но степень восстановления ведущего элемента уменьшается. Шлак содержит значительное количество оксидов ведущего элемента и его обычно используют для выплавки ферросплавов, углеродовосстановительным способом. При этом уменьшается расход флюса и повышается сквозное использование ведущего элемента. Однако бесфлюсовый способ может быть осуществлен при условии использования высококачественных руд и концентратов.

Выбор варианта технологии плавки с введением флюса в шихту или плавки без флюса определяется его экономичностью, возможностью повышения производительности каждой печи. Этот признак является основным, так как от типа восстановителя зависят не только физико-химические процессы, определяющие сущность технологии того или иного ферросплава, но и практические приемы ведения процесса, тип применяемого печного агрегата, химический состав получаемого сплава и область его использования. По этому признаку процессы производства ферросплавов классифицируются на углеродотермические (УТП), силикотермические (СТП) и алюминотермические (АТП).