Технология сплава

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
1. Состав и применение сплава
2. Сырые шихтовые материалы
1. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ
2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
3. ПОДГОТОВКА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
4. ДОЗИРОВАНИЕ
5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
6. ВВЕДЕНИЕ  ПЛАВКИ
7. ОСНОВНЫЕ НАРУШЕНИЕ ХОДА ПЕЧИ
1. ПОВЫШЕННОЕ СОДЕРЖАНИЕ КРЕМНИЯ В МЕТАЛЛЕ
2. ПОВЫШЕННОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОКСИДА ХРОМА В ШЛАКЕ
3. ПОВЫШЕННОЕ СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В СПЛАВЕ
4. СРЫВ ПОДИНЫ
5. ЗАРАСТАНИЕ ВАННА ПЕЧИ ГАРНИСАЖЕМ
6. НАРАСТАНИЕ ПОДИНЫ ПЕЧИ
7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ СЛИТКОВ ШЛАКОМ
8. НЕРАССЫПАЮЩИЕ ШЛАКИ
8. ВЫПУСК ШЛАКА И МЕТАЛЛА
9. РАЗЛИВКА СПЛАВА
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАННЫ
2. РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ФЕРРОХРОМА
3. КОНСТРУКЦИЯ ПЕЧИ
4. ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
3. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение 

Сталеплавильное производство, особенно производство качественных сталей, не могло бы развиваться без ферросплавов – сплавов Fe с различными легирующими элементами: кремнием, хромом, марганцем, ванадием, титаном, молибденом и другими элементами.

В число этих сплавов, получивших название от латинского наименования железа « феррум», обычно включают и сплавы, где основой не является железо, например силикокальций, силикомарганец, силикохром. Кроме того, к группе ферросплавов относятся так называемые лигатуры- сплавы нескольких элементов на железной основе: хром-бор, никель-бор и др., а также ряд чистых продуктов- кристаллический кремний, металлический марганец, металлический хром. Ферросплавы и лигатуры служат для введения в сталь легирующих элементов- Mn, Cr, Si, V, Mo, W и дркгие.  Эти элементы вводят в сталь либо для раскисления, десульфурации и денитризации (то есть удаления из стали кислорода, серы и азота) либо для придания стали специальных повышенных свойств, таких как жаропрочность, хладостойкость, кислотоупорность, коррозионная стойкость, пластичность, твёрдость. Применяемая в современной технике сталь и изделия из неё должны работать при высоких и низких температурах, под воздействием агрессивных химических веществ, обладать хорошей обрабатываемостью и высокой прочностью.

Использование не чистых металлов, а ферросплавов для легирования  стали объясняется тем, что в  этом случае уменьшается угар легирующих элементов, облегчается введение их  в сталь и снижается стоимость  легирования так как получить металл в чистом виде, как правило, сложнее и дороже, чем в виде ферросплава или лигатуры.

1. Состав и применение сплава

       В природе  хром встречается главным образом  в виде оксидов, входящих в  состав хромшпинелидов. Содержание хрома в земной коре 0.03%.

       Хром  широко используют при производстве  сталей и жаропрочных сплавов  как легирующую добавку. При  добавлении хрома в сталь повышается  её износостойкость, твёрдость  и прочность, несколько снижая  при этом пластичность. Хромистые стали (с примерно 1% хрома 1% углерода) широко используют при изготовлении подшипников. Стали с 18% хрома и 8-10% никеля известны как нержавеющие и кислотоупорные. Сплавы с 60-80% никеля и 15-20% хрома обладают высоким электросопротивлением  и стойкостью к окалинообразованию, и используются для выполнения электронагревательных элементов. Получили большое распространение жаропрочные сплавы с 13-60% хрома на железной, никелевой и кобальтовой основе, используемые для изготовления деталей реактивных двигателей. Сплав хрома, молибдена и кобальта (космохром) не оказывает вредного воздействия на организм человека и используется в восстановительной хирургии.

Хромирование металлических  изделий, то есть покрытие их тонким слоем  хрома электрохимическим методом, увеличивает срок службы изделий. Широкое  применение находят оксиды хрома  при изготовлении красок; соединения хрома входят в состав многих огнеупорных  материалов (на пример хромомагнезит). Серийный выпуск сплавов хрома был начат только в тридцатых годах 20века на Челябинском ферросплавном заводе.

        В  качестве легирующей добавки  для производства качественных  сталей используют и низкоуглеродистый  феррохром.

        В  соответствии с требованиями  ГОСТ4751-91 «Феррохром», марки и  химический состав низкоуглеродистого  феррохрома должны соответствовать  требованиям, указанным в таблице  №1

Таблица №1 Феррохром низкоуглеродистый

По требованию потребителя  низкоуглеродистый феррохром изготавливают:

- с массовой долей фосфора  не более 0.02% в марках ФХ 005А,  ФХ 006А, ФХ 010А;

- с массовой долей хрома  не менее 60% и кремния 6.0-12.0% в марках ФХ 005А, ФХ 005Б, ФХ 006А,  ФХ 006Б, ФХ 010А, ФХ 010Б, ФХ 015А, ФХ 015Б, ФХ 025А, ФХ 025Б.

         Низкоуглеродистый феррохром изготавливают  в кусках массой не более  20кг и в соответствии с таблицей  №2

Таблица №2 Крупность феррохрома

Класс крупности указывают  цифрой в конце обозначения марки, например ФХ 010Б-4.

       Поверхность  и излом кусков феррохрома  не должны иметь резко выраженных  включений шлака, песка и других  инородных материалов. На поверхности  кусков допускается оксидная  плёнка и следы противопригарных  материалов.

        Феррохром  принимают партиями. Партия должна состоять из феррохрома одной или нескольких плавок одной марки и одного класса крупности. Массовая доля хрома в отдельных плавках партии не должна отличаться более чем на 4 %.

1. Сырые шихтовые материалы 

      При выплавке  рафинированного феррохрома флюсовым  методом шихта состоит из хромовой  руды, силикохрома и извести.

      Не допускается  загрязнение шихтовых материалов  углеродосодержащими примесями.

1. Гранулометрический состав шихтовых материалов.

       Руда хромовая ОАО « Донской ГОК» по гранулометрическому составу должна соответствовать требованиям, указанным в таблице №3

Таблица №3 Крупность руды хромовой

Хромовая руда месторождения Рай- Из (харп) должна соответствовать требованиям, приведённым в таблице №4

Таблица №4 Крупность руды харп

Для выплавки феррохрома марки  ФХ 010А используется ферросиликохром марки ФХС 48(п) 0 и 1 бункеров  (смотри таблицу № 4). Его изготавливают в кусках крупностью до 315 мм подлежащих дроблению в цехах- потребителях (цех №6).

Флюсы вводят в печь для  перевода пустой породы железосодержащей шихты в шлак требуемого химического  состава, обладающего определёнными  физическими свойствами.  В качестве флюсов (добавочных материалов) в производстве низкоуглеродистого феррохрома применяют  известь. Известь с вращающихся  печей изготавливают в кусках размером до 40мм. Кусков размером более 40мм должно быть не более 10% от массы  отгружаемой партии.

  Ферросиликохром, используемый для выплавки феррохрома изготавливают в кусках крупностью до 315мм, подлежащих дроблению в цехе- потребителе ( цех№6 ).

 1.2.2 Химический состав шихтовых материалов

     Руда хромовая  ОАО «Донской ГОК» должна соответствовать  ТУ 645 РК 0186760-12-2000 и отвечать требованиям,  указанным в таблице №5

Таблица №5 Требования к хромовой руде

Летним считается период с 16 апреля по 15 октября, зимним – с 16 октября по 15 апреля.

Химический состав руды месторождения  Рай- Из (харп) приведён в таблице №4.

Для выплавки феррохрома класса А содержание фосфора в ферросиликохроме не должно превышать 0.03%.

Требования к ферросиликохрому для выплавки низкоуглеродистого феррохрома обусловлены необходимостью получения наиболее низкого содержания углерода в нём. Использование ферросиликохрома с содержанием кремния 50-52%, что обеспечивает содержание в нём углерода не более 0.3% при требуемом содержании хрома.

Ферросиликохром марки ФХС 48 (п) разливается с отсечкой верхней и нижней части ковша в общем количестве не менее 10% от плавки и по содержанию углерода подразделяется на четыре бункера, указанные в таблице №6

    Таблица №6 Бункера ферросиликохрома

   Известь, используемая для выплавки сплава, должна соответствовать требованиям СТП 38- 2002 «Известь технологическая с вращающихся печей» приведены в таблице №7

Таблица №7 Требования к извести

Содержание фосфора в  извести, использующейся для выплавки феррохрома класса А не должно превышать 0.006%.

2. Подготовка шихтовых материалов

    Как правило, ферросплавные заводы используют руды и концентраты, не требующие дополнительные обогащения. Основным критерием при оценке качества руд является содержание в них ведущего элемента, оно должно быть максимально высоким.  Следует,  однако, учитывать, что запасы руд истощаются и поэтому в ферросплавном  производстве используются более бедные руды.

     Существенную роль при выборе руды играет её фракционный состав, который часто определяет технико-экономические показатели производства. Оптимальные размеры кусков руды зависят от  сорта руды, типа печи и способа производства.

     При выплавке рафинированного феррохрома восстановительные процессы идут в расплаве. Поэтому применяют порошковые руды, а при их отсутствии руду измельчают (дробят). Руду подвергают сушке до содержания влаги 0.5-1.5%, хотя при этом повышается улёт мелких фракций руды при плавке.

     В зависимости от наличия хромовой руды и содержания хрома в ней производиться усреднение руд по химико-минералогическому составу. В шихтовом дворе цеха отведён бункер усреднённых руд с запасом не менее, чем на двое суток работы.

    Доставка ферросиликохрома осуществляется в железнодорожных бортовках. Загрузку бортовок выполняют строго по бункерам и смешивание  ферросиликохрома не допускается. Поступающий в цех ферросиликохром, хранят в отдельных закромах шихтового двора, разделённых в соответствии с бункеровной. Он дробится в шихтовом дворе на щековых дробилках узла дробления ферросиликохрома до фракции 20-40мм.

Дроблённый ферросиликохром подаётся в печные бункера по системе ленточных транспортёров шихтового двора для плавки феррохрома.

     Применяют известь, полученную обжигом известняка газом в трубчатых вращающихся  печах. Эта известь совершенно не загрязнена углеродосодержащими материалами при обжиге, имеет ровный гранулометрический состав.

Технологическая известь  подаётся из цеха обжига известняка в  бункера печного пролёта по галерее  транспортёров или на склад шихты  думпкарами. Думпкары  разгружают в  отдельные бункера, исключающие  загрязнения извести посторонними примесями.

     Если поставляемая известь имеет габариты, значительно превышающие 40мм, её следует подвергать измельчению на валковой дробилке,  установленной в шихтовом дворе цеха.

3. Дозирование

      Для приёма шихтовых материалов из склада шихты и цеха извести в бункерном отделении на отметке +22.0м установлены два желобчатых ленточных транспортёра оснащённых автостеллами, по которым поступающая шихта распределяется по 24 сдвоенным бункерам.  Объём одного бункера 45м³, объём сдвоенного бункера- 90м³. Объёмный вес содержимого бункеров- 2500кг/м³. Конструкция бункеров - металлическая. Шихтовые материалы взвешиваются с помощью дозаторов ДИ-1200 или АВДИ-1200.

Вид сырья  в бункерах – хромовая руда, хромовый концентрат, ферросиликохром, известь.

Номера  бункеров для печи №36

Хромовая  руда          №№36, 37

Ферросиликохром    №№23, 24

Известь                      №№49, 50

На  бункерах с хромовой рудой для  стряхивания руды установлены вибраторы ИВ 98. Всего вибраторов 2 шт.

Под каждым бункером установлены электровибропитатели типа ИВ- 107 с нижним расположением вибратора и лотком 750×750мм. Всего питателей -6шт.

Вид дозировки  шихты - автоматическая, порционная система  «FESTO». Работает по принципу задания весов компонентов  и контроля  за  взвешиванием.

Из  сдвоенных бункеров с помощью  электро - вибропитателей шихта поступает в дозаторы, оборудованные весоизмерителями, входящими в систему «FESTO». Максимальная нагрузка весоизмерителя 2000кг, минимальное 200кг, допускаемая погрешность ±1%  (±20кг).

5. Физико-химические основы процесса

     Силикотермический процесс производства ферросплавов основан на восстановлении оксидов металлов кремнием и осуществляется в основном в рафинировочных электропечах. В общем виде суммарная реакция силикотермического восстановления может быть представлена в следующем виде:

Me_xO_y+ Si+  CaO= Me+CaO×SiO₂+Q_Si     (1)

Данная реакция слабо  экзотермическая, для её протекания следует дополнительно подводить  тепло извне.

Технологический процесс  выплавки феррохрома складывается из восстановления оксидов хрома и  железа, хромовой руды, кремнием, ферросиликохрома. При этом протекают следующие реакции:

2Cr₂O₃+3Si=4Cr+3SiO₂                      (2)

                           2FeO+Si=2Fe+SiO₂                              (3)

    По мере накопления в шлаке кремнезёма (SiO₂) затрудняется дальнейшее восстановление хрома и в сплаве остаётся не прореагировавший кремний. Для более полного восстановления хрома и обеспечения содержания кремния в пределах ГОСТ в шихту вводится известь. Оксид кальция извести связывает образовавшийся кремнезём в двухкальциевый силикат - прочное соединение по реакции:

   SiO₂+2CaO=2CaSiO₂                              (4)

Отношение CaO/SiO₂, характеризующее основность шлака, в двухкальциевом силикате составляет 1.87.  Полезное использование кремния для печей цеха№6 составляет 75%.

Реакция восстановления хрома  кремнием и окисление кремния  кислородом воздуха протекает с  выделением тепла в количестве 285000ккал (330 кВтч) на 1кг кремния. Поэтому ферросиликохром является не только восстановителем, но и энергоносителем, выделяемым при реакциях примерно 20% от прихода тепла.

     Количество извести должно обеспечивать наиболее полное связывание кремнезёма. Избыток извести увеличивает кратность шлака, что приводит к образованию хромита кальция CaO Cr₂O₃, затрудняющего восстановление хрома, кроме того образуются карбиды кальция (CaC₂), что повышает содержание углерода.

     Недостаток извести приводит к снижению основности шлака, что повышает содержание кремния в сплаве и получаются богатые шлаки, а также захолаживается печь  снижается восстановление хрома, образовываются неразлагающиеся шлаки и загрязняется сплав.

     Восстановительная атмосфера в печи, выплавляющей феррохром способствует переходу основной массы содержащегося в шихте фосфора в сплав.

     Степень перехода фосфора в сплав составляет 80-85%. В шлак переходит 2-5% фосфора в основном в виде Ca₃P₂, остальной фосфор удаляется в газовую фазу в виде P₄, P₂, PN

6.  Ведение плавки

В настоящее работе будем  рассматривать схему плавки без  переплава.

Основными задачами ведения  плавки является выплавка сплава заданной марки по содержанию углерода и кремния, класса по содержанию фосфора и соблюдения запланированного хрома. Это обеспечивается подбором шихтовых материалов и строгим  соблюдением режимов плавки.

     Выплавка низкоуглеродистого феррохрома включает два периода: восстановительный и рафинировочный.

     В восстановительный период необходимо максимально извлечь ведущий элемент из руды. в течение рафинировочного периода образовавшийся металл рафинируется от избытка кремния, при этом параллельно идут процессы до извлечения ведущего элемента из шлака.

     Рассмотрим схему введения плавки, когда задаётся равное количество восстановителя на шлаковый и металлический периоды плавки, часть навески ферросиликохрома задаётся на подину, оставшийся восстановитель задаётся вместе с рудно-известковой частью шихты.

     Выплавка низкоуглеродистого феррохрома производится в две завалки. После проплавления первой завалки производится выпуск шлака. Количество и соотношение компонентов шихты в завалках одинаково.

Величина завалки для  печей,  работающих, без переплава  составляет:

- хромовая руда                       5200кг                        

- известь                                   4539кг

- ферросиликохром                 1768кг

     Оптимальное количество выпусков- 7 в сутки. В среднем за плавку на каждые 100кг хромовой руды расход электроэнергии на печах, работающих без переплава составляет от 150 до 160 кВт ч. Расход электроэнергии на щлаковый период , как правило, превышает расход на металлический период на 1200-200 кВт ч.

     Процесс выплавки феррохрома на печах, работающих без переплава, складывается из следующих операций:

- после выпуска металла  обрабатываются борта и производится заправка ванны;

- на подину даётся для  набора нагрузки 700-1000кг ферросиликохрома из его общего количества в первой завалке;

- электроды опускают, «садят»  на восстановитель;

- после набора нагрузки  задаётся остальной ферросиликохрома вместе с рудно-известковой частью шихты;

- проплавление шихты;

- выпуск шлака;

- обрабатываются борта и производится заправка ванны;

- на подину даётся для  набора нагрузки 700-1000кг ферросиликохрома из его общего количества во второй завалке;

- посадка электродов на  восстановитель;

- после набора нагрузки  задаётся остальной ферросиликохром вместе с рудно-известковой частью шихты;

- проплавление шихты;

- выпуск металла и шлака.

При выплавке феррохрома марки  ФХ 010А порядок дачи ферросиликохрома с шихтой или в расплав- устанавливается в зависимости от текущего содержания углерода в сплаве ( контролируют по содержанию кремния в сплаве ) и состояния бортов ванны.

Контроль  за  рафинированием феррохрома старший плавильщик ведёт по содержанию кремния в сплаве.

Для определения содержания кремния из разных мест берут не менее трёх проб, содержание кремния  определяется на термоэлектрическом анализаторе.

 Пробы отбираются за 15 минут до окончания каждого  периода. Содержание кремния в пробах, отобранных в конце шлакового периода, не должно превышать 3%. Содержание кремния в пробах, отобранных в конце плавки, должно быть в пределах от 1.5% до 2%.

Оптимальным является содержание кремния в сплаве 0.6-1.2%. при снижении содержания кремния ниже 0.3% увеличиваются  потери не восстановленного хрома с  отвальными  щлаками.

     После выпуска шлака один раз в смену в конце первого металлического выпуска плавильщики отбирают пробу жидкого шлака. Проба отбирается стальной ложкой из второго ковша. Если во второй ковш шлака перешло мало, то пробу шлака отбирают из первого ковша. Основность должна быть 1.87. Состав его должен быть следующим:

CaO          48-51.0%

SiO₂          27.0-30.0%

Cr₂O₃        4.5-5%

FeO           0.8-1%

     Если содержание Cr₂O₃ более 5%, а содержание CaO выходит за пределы указанного интервала, то корректируются навески ферросиликохрома и извести.