Главная страница
Экономика
Финансы
Биология
Медицина
Ветеринария
Сельское хозяйство
Математика
Начальные классы
Информатика
Вычислительная техника
История
Юриспруденция
Право
Философия
Логика
Этика
Религия
Политология
Социология
Физика
Языкознание
Языки
Промышленность
Энергетика
Культура
Искусство
Автоматика
Связь
Электротехника
Химия
Воспитательная работа
Другое
Дошкольное образование
Экология
Строительство
Русский язык и литература
Классному руководителю
Геология
Физкультура
Иностранные языки
Доп
образование
География
Логопедия
Школьному психологу
Технология
ИЗО, МХК
Казахский язык и лит
Обществознание
ОБЖ
Механика
Музыка
Директору, завучу
Социальному педагогу
Психология

МЧМ лекция 28, 29, 30. 10 специальные рафинирующие переплавные процессы стали. 13


Название10 специальные рафинирующие переплавные процессы стали. 13
АнкорМЧМ лекция 28, 29, 30.doc
Дата22.08.2017
Размер223 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаМЧМ лекция 28, 29, 30.doc
ТипДокументы
#19027
страница1 из 4
  1   2   3   4









Тема 10. Спецэлектрометаллургия и производство ферросплавов 2

10.1. ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ 2

10.1.1. ФЕРРОСПЛАВЫ, ИХ СОСТАВ, НАЗНАЧЕНИЕ 2

10.1.2. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСПЛАВОВ 3

10.1.3. ТИПЫ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ 6

10.1.3.1. Рудовосстановительные печи 6

10.1.3.2. Рафинировочные печи 8

10.1.3.3. Рудоплавильные печи 9

10.1.3.4. Горны металлотермии 9

10.1.4. РАФИНИРОВАНИЕ ФЕРРОСПЛАВОВ ОТ ПРИМЕСЕЙ 11

10.2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАФИНИРУЮЩИЕ ПЕРЕПЛАВНЫЕ ПРОЦЕССЫ СТАЛИ. 13

10.2.1. ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ПЕРЕПЛАВА 15

10.2.1.1. Электрошлаковый переплав 15

10.2.1.2. Вакуумно-дуговой переплав 21

10.2.1.3. Электронно-лучевой переплав 27

10.2.1.4. Плазменно-дуговой переплав 31


Тема 10.Спецэлектрометаллургия и производство ферросплавов

10.1.ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСПЛАВОВ

10.1.1.ФЕРРОСПЛАВЫ, ИХ СОСТАВ, НАЗНАЧЕНИЕ


Ферросплавами называют сплавы железа с различными элементами Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Сплавы могут быть двойными, тройными, многокомпонентными. Промышленность производит более 100 различных видов и марок простых и сложных ферросплавов, в состав которых входит более 40 ведущих (целевых) элементов (кремний, марганец, хром, ванадий, вольфрам и многие другие). Сплавы предназначены для улучшения физико-механических, химических специальных свойств стали, сплавов, чугунов, цветных сплавов, для рафинирования металлов от вредных составляющих, для производства новых видов сплавов.

Ферросплавы подразделяют на большие и малые, к первым относят сплавы, производимые в миллионном объеме, ко вторым – менее распространенные.

Группа больших ферросплавов (или массового применения) – это сплавы кремния (ферросилиций всех марок, кристаллический кремний); марганцевые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый ферромарганец, товарный и передельный силикомарганец, металлический силикотермический и электролитический марганец, азотированный марганец); хромистые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый феррохром, товарный и передельный ферросиликохром, металлический хром, азотированный феррохром).

Группа малых ферросплавов: ферровольфрам или сплавы с вольфрамом (с хромом, никелем), ферромолибден и лигатуры на его основе с Al, Ti, Ni, Cr и др.; феррованадий и сплавы с ванадием с Si, Mn, Ca, Ni; сплавы щелочноземельных элементов на основе Ca, Ba, Mg, Sr и комплексные многокомпонентные сплавы; феррониобий, ферротитан и его сплавы; сплавы бора, лигатуры систем Ni – B, Cr – B, B – Si – Al - Ti – Zr; сплавы с Al; сплавы с РЗМ, с Zr, Ni, Co и др.

Большое количество и составов производимых сплавов обусловлено большим объемом нужной металлопродукции и обилием их воздействия на все нужные свойства металла.

Добавки сплавов очищают металл от вредных примесей – газов, цветных примесей, вредных примесей типа серы, фосфора, неметаллических включений, меняют структуру кристаллизующегося металла, общие физико-механические и многие специальные свойства металла.

Поэтому сплавы предназначены для раскисления металла (раскислители), легирования (ферросплавы и лигатуры), модифицирования (модификаторы) и некоторые для совмещения ряда воздействий (например, модификаторы и микролегирование на основе щелочноземельных, редкоземельных металлов) и др.

10.1.2.СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСПЛАВОВ


В настоящее время основными способами производства ферросплавов являются: электротермический, металлотермический, электролитический, доменный. Кроме того, некоторое количество ферросплавов производят вакуумтермической обработкой в жидком и твердом состоянии, рафинированием высокоуглеродистых ферросплавов от углерода путем продувки в кислородном конвертере, смешением жидких расплавов и т.п. (рис. 10.1 и рис. 10.2).

Электротермическое производство по роду используемого восстановителя можно разделить углевосстановительное и металлотермическое. При углевосстановительном процессе в качестве плавильных агрегатов используют мощные рудовосстановительные печи, работающие непрерывным процессом с закрытым колошником (шихта загружается по мере ее проплавления), сплав и шлак выпускают периодически. Электропечные процессы, в зависимости от кратности шлака, т.е. отношения массы образующегося в печи шлака к массе сплава, могут быть бесшлаковыми (кратность шлака 0,05−0,10) и шлаковыми (кратность шлака ≥ 0,4). Кратность шлака определяется прежде всего количеством и составом пустой породы руды и золы углеродсодержащего восстановителя. Бесшлаковым процессом выплавляют ферросилиций, ферросиликохром, силикокальций и др., а шлаковым − углеродистые ферромарганец и феррохром, ферросиликохром, высокомарганцовистый бесфосфористый шлак, электрокорунд и др.

При электрометаллотермическом производстве в качестве восстановителя используют кремний, алюминий либо смесь кремния и алюминия. Плавку осуществляют в рафинировочных печах и плавильных горнах, оборудованных установкой для электроподогрева, и периодическим процессом с полным проплавлением шихты и последующим выпуском жидких продуктов плавки: сплава и шлака. В плавильных горнах плавку можно вести «на блок». Кратность шлака в этих процессах составляет 0,8−2,5. Электросиликотермическим процессом выплавляют среднеуглеродистые и малоуглеродистые ферромарганец и феррохром, силикокальций. При использовании в качестве восстановителя алюминия электрометаллотермическим способом выплавляют низкоуглеродистый (< 0,04 % С) феррохром, ферровольфрам с 80 % W, силикоцирконий и др., а при использовании смеси кремния и алюминия − феррованадий, силиковандий и др.

Внепечным металлотермическим способом получают ферросплавы с низким содержанием углерода (< 0,03 %) и технически чистые металлы. Для производства используют очень чистые руды и концентраты глубокого обогащения с минимальным содержанием вредных примесей, которые в процессе плавки практически полностью переходят в сплав. В качестве восстановителей используют алюминий, кремний и смесь кремния и алюминия. Металлотермические процессы периодические с полным проплавлением шихты.

С целью сокращения тепловых потерь, снижения расхода восстановителя и повышения качества сплавов ведутся работы по осуществлению полунепрерывной или непрерывной металлотермической плавки.

Одним из вариантов внепечной металлотермической плавки является производство низкоуглеродистого феррохрома методом смешивания расплавов.

Электролиз можно лишь условно отнести к методам производства ферросплавов, так как он используется для получения очень чистых металлов и рафинирования загрязненных. Электролитическим процессом водных растворов получают металлические никель и марганец, а электролизом расплавленных солей − алюминий. При любой технологической схеме для электролиза требуется применение постоянного тока небольшого напряжения, но большой силы. Такой постоянный ток получают с помощью полупроводниковых кремниевых или германиевых выпрямителей. Процесс осуществляется в электролизных ячейках, в которых находятся электроды и электролит.

Доменное производство ферросплавов является карботермическим, в котором функции восстановителя и теплоносителя выполняет кокс. В доменных печах выплавляют ферросплавы, производство которых не требует очень высоких температур, с пониженным содержанием ведущего элемента. Этим способом производят ферросилиций с содержанием − 10 % Si, ферромарганец с 80 % Mn, ферросиликомарганец (зеркальный чугун) с 10−25 % Мn и − 5 % Si, феррофосфор с 15 % Р. В доменных ферросплавах высоко содержание углерода, серы и фосфора. Высокое содержание серы и фосфора обусловлено большим расходом кокса. Объем производства ферросплавов доменным способом постоянно сокращается.

10.1.3.ТИПЫ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ

10.1.3.1.Рудовосстановительные печи


Рудовосстановительными называются печи, в которых одновременно с нагревом руд восстанавливается один или несколько оксидов руды за счет восстановителя, загружаемого вместе с ней, с образованием продукта, содержащего один или несколько элементов из восстанавливаемых оксидов руды.

Рудовосстановительные печи, как правило, работают непрерывным процессом. Восстановитель − углерод. Электроды в этих печах постоянно погружены в шихту, которая загружается в печь по мере ее проплавления, сплав и шлак выпускаются из печи периодически. Непрерывным процессом выплавляются ферросилиций, углеродистый феррохром, углеродистый ферромарганец, силикокальций, силикохром и силикомарганец, высокомарганцовистый бесфосфористый шлак. Печи этого типа оснащены мощными трансформаторами (16,5−102 MB∙А), так как реакция восстановления углеродом протекает с поглощением тепла.

По конструкции эти печи могут быть открытыми, полузакрытыми и герметизированными, с дожиганием газа под сводом. Ванна печи может быть стационарной и вращающейся. В зависимости от формы ванны печи бывают круглыми, прямоугольными и овальными.

При питании переменным током нормальной (50 Гц) и пониженной (10 Гц) частоты печи могут быть однофазными и трехфазными. Перспективно использование печей, работающих на постоянном токе. Однофазные печи применяются ограниченно, так как являются однофазной нагрузкой в электрическую сеть. Это создает асимметрию в трехфазной сети и необходимость регулирования нагрузки в других фазах при изменении нагрузки печи. Трехфазные печи строят с тремя электродами, которые располагают в линию и по углам равностороннего треугольника, с шестью электродами, расположенными в линию, и с двенадцатью, располагая их по кругу.

В настоящее время наиболее распространены круглые трехфазные печи. Так как теплоотдающая поверхность относительно мала, под электродами образуется общая плавильная ванна, что дает возможность оборудовать печь только одной леткой. Эти печи можно делать с вращающейся ванной. Если короткая сеть этих печей имеет рациональную конструкцию и они снабжены установками компенсации реактивной мощности, то коэффициент мощности у них может достигать 0,95.

Закрытые рудовосстановительные печи (рис. 10.3) используют для выплавки большинства сплавов кремния, хрома, марганца. Наличие свода позволяет утилизировать колошниковые газы с теплотворной способностью до 20 мДж/м3. Шихту в закрытые печи загружают через установленные в своде загрузочные воронки. Часть газа (до 15 %) из подсводного пространства проходит через шихту в загрузочных воронках и сгорает над ними. Как правило, загрузочные воронки расположены симметрично электродам, и шихта, загружаемая в зазор между электродом и воронкой, служит уплотнителем, препятствующим чрезмерным потерям печных газов в атмосферу. Наличие свода на руднотер-мической печи делает необходимым удлинение рабочего конца электрода, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии. Недостатков закрытых печей лишены герметизированные печи, у которых электрододержатель помещен в подсводное пространство. Шихта в печь подается по труботечкам. Зазоры между электродами, труботечками и сводом тщательно уплотнены, что исключает потерю даже минимального количества газа. Колошник печи обслуживается самоходным и стационарным прошивающим устройством. Установлено, что количество тепла отходящих от печи газов соизмеримо с расходом электроэнергии, в связи с этим в последнее время в практике ферросплавного производства все шире применяют печи, оборудованные устройствами для улавливания тепла отходящих газов. На этих печах обеспечивают сжигание газа на колошнике под сводом печи за счет подсасываемого воздуха. Газ разбавляется воздухом в два - три раза. Над колошником печи устанавливается пароперегреватель. Газ очищается в рукавных фильтрах (степень очистки 98 %).

Для обеспечения технологической схемы производства заданного сплава и технологических параметров всего производственного цикла печи снабжаются системами:

  • подготовки, дозировнаия, транспортировки и загрузки в печь шихтовых материалов;

  • энергопитания;

  • токоподвода;

  • воздухо- и водоохлаждения;

  • обеспечение формования, спекания и обжига электродов;

  • газоотвода и газоочистки;

  • транспортировки, разливки, дробления или грануляции продуктов плавки;

  • механизации и автоматизации всех операций технологического цикла.

10.1.3.2.Рафинировочные печи


Рафинировочные печи являются по существу рудовосстановительными печами, однако отличаются от последних конструкцией и технологией производства в них ферросплавов. В рафинировочных печах (рис. 10.4) с использованием в качестве восстановителя крем­ния либо кремния в смеси с алюминием выплавляют низкоуглеродистые феррохром и ферромарганец, феррованадий, силикокальций. В связи с тем, что реакции восстановления кремнием и алюминием экзотермические, эти печи оборудуются трансформаторами малой мощности (2−7 MB∙А). Рафинировочные печи работают периодическим процессом с полным противлением шихты. Плавка, как правило, состоит из двух периодов: восстановительного и рафинировочного.

По конструкции печи могут быть открытыми и закрытыми. Для обеспечения полного выпуска продуктов плавки из печи они оборудуются механизмом наклона. Печь вращается с помощью электромеханического приводаироликов,установленных на опорных тумбах. Механизмы перемещения электродов и электрододержатели аналогичны применяемым на дуговых сталеплавильных печах. Телескопические стойки механизма перемещения электродов целесообразно крепить на отдельном от печи фундаменте. При наклоне печи электроды поднимаются, но не наклоняются. Это важно при использовании самоспекающихся электродов. Процесс плавки ведется с открытыми дугами (напряжение 250−370 В). Это позволяет избежать науглероживания расплава углеродом электродов.

10.1.3.3.Рудоплавильные печи


Рудоплавильными называют печи, в которых нагрев руды сопровождается липа ее расплавлением без проведения химической реакции. Целью расплавления может быть необходимость гомогенизации нескольких оксидов, получение расплава для перелива в другой агрегат,

Рудоплавильные печи используют для получения синтетических шлаков для обpaботки стали, флюсов для электрошлакового переплава, рудно-известкового расплава для производства безуглеродистого феррохрома методом смешивания расплавов. По конструкции эти печи аналогичны дуговым сталеплавильным печам (рис. 10.5), оборудуются трансформаторами мощностью 7−10 MB∙А. Процесс выплавки − периодический.

10.1.3.4.Горны металлотермии


Производство некоторых видов ферросплавов не требует внешнего подвода тепла, так как для протекания процесса достаточно тепла, выделяющегося в результате взаимодействия оксидов шихты и восстановителя. Подобные ферросплавы выплавляют в плавильных горнах (шахтах). Горны круглого сечения выполняются из листового железа или из отдельных литых секций, скрепленных болтами. Футеровка набивная магнезитовая. Горны могут быть неподвижными или устанавливаться на тележки. Установленные на тележки горны подают для проведения плавки в плавильную камеру или 'под электроды дуговой печи (рис. 10.6).

Размеры горна и его конструкция должны соответствовать способу загрузки шихты в горн и тому, как остывает сплав и шлак (плавка на блок, с выпуском шлака, с выпуском сплава и шлака). Плавка в горне − процесс периодический и может осуществляться по двум вариантам: с верхним запалом и с нижним.

Для плавки с нижним запалом используют разборный чугунный горн, футерованный молотым магнезитом. Обычно горн устанавливается на тележку, которая закатывается в плавильную камеру. На дно горна загружается запальная смесь и поджигается электрозапалом. Шихта из бункера шнековым дозатором равномерно загружается в горн. Достоинства этой схемы − практически полное использование объема горна, возможность регулирования скорости проплавления, малые тепловые потери, так как зеркало жидкого расплава постоянно покрыто слоем шихты.

Недостатками плавки с нижним запалом являются малая поверхность реагирования, так как восстановительные процессы идут на границе твердая шихта − расплав, требуется достаточно высокий уровень механизации, большие потери восстановленного элемента в улет, большой вынос пыли.

Для проведения плавки с верхним запалом достаточно один раз заполнить горн шихтой. Запальная смесь укладывается сверху на шихту и поджигается электрозапалом. При плавке по этой схеме уменьшается улет восстановленных элементов и вынос пыли, процесс идет с большой скоростью, так как капли сплава, опускаясь, нагревают нижние сдои шихты, а также из-за большой поверхности контакта реагирующих фаз.

Однако при использовании этой схемы невозможно регулировать скорость процесса, увеличиваются потери сплава в виде корольков. Объем горна используется полезно только на 30 %.

Разработана технология выплавки металлического хрома с выпуском расплава. Промышленные плавки проводятся в наклоняющемся плавильном реакторе, позволяющем проплавлять одновременно свыше 5 т шихты (рис. 10.7).

Футеровка реактора выполнена клиновым и прямым магнезитовым кирпичом без связки, щели между кирпичами засыпаны магнезитовым порошком; для облегчения разборки футеровки кожух реактора имеет съемное днище. Высота рабочего пространства 860 мм, диам. 1490 мм; общая толщина подины 375 мм, толщина стен 250−300 мм. Плавильный реактор имеет массивный сливной носок, позволяющий выпускать расплав непосредственно в изложницу. С целью снижения тепловых потерь реактор имеет футерованный свод.

Изложница для приема расплава (рис. 10.8) собирается на футерованной плавильной вагонетке, подиной служит блок металлического хрома (железа) высотой 200−250 мм, стенками – сборные чугунные кольца. Использование горячих изложниц недопустимо, так как при этом происходит подплавление стенок нижнего кольца в зоне расположения жидкого металла.

10.1.4.РАФИНИРОВАНИЕ ФЕРРОСПЛАВОВ ОТ ПРИМЕСЕЙ


В ферросплавах присутствуют две группы примесей: вредные (S, P, As, примеси цветных металлов) и нежелательные (С, Si, Al, газы).

Источником вредных примесей являются шихтовые материалы, а присутствие нежелательных примесей обусловлено технологией производства ферросплава.

Низкое содержание вредных примесей в ферросплавах, как правило, достигается использованием для их производства чистых шихтовых материалов. Если исходная руда содержит много вредных примесей, то на стадии подготовки ее к плавке стремятся создать условия для максимального их удаления. В частности, при пирометаллургической и химической подготовке марганцевых руд существенно снижается содержание в руде фосфора. Для снижения содержания серы титановые концентраты подвергают окислительному обжигу.

Поведение вредных примесей в плавильном агрегате обусловлено конкретными физико-химическими особенностями восстановительного процесса. В восстановительных условиях фосфор и сера восстанавливаются полностью. Фосфор в металл переходит на 60–80 %, остальные – в газовую фазу. Сера переходит в металл на 0,6–10 %, остальное в шлак и газовую фазу.

Снижению содержания фосфора в металле в процессе выплавки сплавов способствует обработка расплава щелочно-земельными, редкоземельными элементами, введение в зону восстановления паров воды. Снижению содержания серы способствуют перечисленные выше факторы, а также повышение основности шлака введением флюсов (извести) и обработка расплава сульфидобразующими элементами типа Mn, Si, Al, Ca, Mg, РЗМ. Сульфиды этих элементов нерастворимы в металле и переходят в шлак.

Рафинирование сплавов от цветных примесей возможно в вакууме. Вакуумной обработке подвергают сплавы в твердом и жидком состоянии.

Рафинирование ферросплавов от нежелательных примесей (С, Si, Al) осуществляется вне восстановительного агрегата. Для рафинирования используют обработку расплавов окислительными шлаками, шлаковыми смесями, продувку расплава кислородом. Для обработки применяют различные агрегаты: индукционная печь, конвертер, вакуумная печь сопротивления, печи спецэлектрометаллургии – ЭШП, ВДП, ЭЛП, плазменные печи и др.
  1   2   3   4
написать администратору сайта