Отчет по ознакомительной практике на ОАО ММК

      Восстановителем может служить элемент, обладающий более высоким хи-мическим сродством к кислороду, чем элемент, который необходимо восстано-вить из оксида. Иначе говоря, восстановителем может быть элемент, образующий более химически прочный оксид, чем восстанавливаемый элемент. Восстановите-льные процессы облегчаются, если они проходят в присутствии железа или его оксидов. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое сое-динение, железо уменьшает его активность, выводит его из зоны реакции, препятствует обратной реакции - окислению. В ряде случаев температура плав-ления сплава с железом ниже температуры плавления восстанавливаемого элемента, следовательно, реакция может протекать при более низкой температуре.

      В зависимости от вида применяемого восстановителя различают три основ-ных способа получения ферросплавов: углевосстановительный, силикотермиче-ский и алюминотермический. Наиболее дешевым является углерод, поэтому его используют при производстве углеродистых ферромарганца и феррохрома, а также всех сплавов с кремнием (кремний препятствует переходу углерода в сплав). Реакции восстановления металлов из их оксидов углеродом эндотермич-ные, поэтому углевосстановительный процесс требует подвода тепла - обычно это тепло, выделяемое электрическими дугами ферросплавной печи. Выплавку фер-росплавов углевосстановительным процессом осуществляют в так называемых восстановительных (рудовосстановительных) ферросплавных печах, работающих непрерывным процессом, т.е. с непрерывной загрузкой шихты в печь и периоди-ческим выпуском продуктов плавки.

      Силикотермическим и алюминотермическим способами получают ферро-сплавы с пониженным или очень низким содержанием углерода: среднеуглеро-дистые и малоуглеродистые ферромарганец и феррохром, безуглеродистый фер-рохром, металлические хром и марганец, ферросплавы и лигатуры с титаном, ванадием, вольфрамом, молибденом, цирконием, бором и другими металлами. Эти сплавы выплавляют в рафинировочных ферросплавных печах, работающих периодическим процессом с выпуском из печи металла и шлака по окончании плавки. Когда выделяющегося при экзотермических реакциях тепла достаточно для получения металла и шлака в жидком виде, плавку проводят в футерованных шахтах (горнах).

      2. Рафинировочные ферросплавные печи.

      Рафинировочные ферросплавные печи служат для выплавки ферросплавов с низким содержанием углерода; они работают с выпуском сплава и шлака после окончания плавки. Они имеют круглую открытую ванну, а в остальном по своему устройству они ближе к дуговым сталеплавильным печам, на базе которых их конструируют.

      Печи делают наклоняющимися, в связи с чем ванну крепят на люльке с механизмом ее наклона; ванна оборудована механизмом вращения, обеспечива-ющим ее круговое или возвратно-поступательное вращение в процессе плавки. Механизмы перемещения электродов и электрододержатели такие же, как в дуговых сталеплавильных печах; эти механизмы опираются не на люльку, а на пол цеха и при наклоне ванны электроды не наклоняются. Электроды применяют как самоспекающиеся, так и графитированные. Загрузка шихты такая же, как в восстановительных ферросплавных печах.

      3. Загрузка шихты в ферросплавные печи.

      Шихту в ферросплавные печи загружают сверху из специальных печных карманов (бункеров), расположенных на некоторой высоте над печью и оборудо-ванных затворами. После открывания затвора материал по труботечке ссыпается в печь.

      В закрытые печи материалы подают двумя способами. Один из них предус-матривает поступление материала из течки в воронку, расположенную концентри-чески вокруг электрода и далее в печь через кольцевой зазор между отверстием в своде и электродом. Во втором случае материал из труботечки попадает в печь через отверстие в своде.

      В первом случае шихта располагается в печи конусом вокруг электродов, во втором - в стороне от электродов под загрузочными течками. В открытые печи шихта из печных карманов также подается по труботечкам (лоткам), но их можно направить в определенное место ванны. Применяют также бросковые машины, передвигающиеся по рельсам вокруг печи; рабочий орган машины - лоток (лопата), вмещающий ~ 25 кг шихты, совершает бросковые движения. Доставку материалов в печные карманы из шихтового отделения ферросплавного цеха осуществляют несколькими способами. В шихтовых отделениях сырые материалы проходят специальную переработку и подготовку: их дробят, сортируют на фракции нужной крупности, некоторые материалы промывают и сушат. Далее во многих цехах материалы наклонным ленточным конвейером или скиповым подъемником доставляют в плавильный корпус цеха в бункеры, расположенные вблизи печей, а из них порциями с помощью дозировочной саморазгружающейся рельсовой тележки загружают в печные карманы. В ряде цехов материалы из дозировочных бункеров шихтового отделения доставляют системой конвейеров непосредственно в печные карманы.

      4. Производство ферросилиция.

      Ферросилиций применяют для раскисления и легирования стали и в качес-тве восстановителя при производстве некоторых ферросплавов. В электрических печах выплавляют ферросилиций различных марок с содержанием кремния от 19-23 % (сплав ФС20) до 92-95% (сплав ФС92). При содержании кремния в сплаве в пределах 50-60 % и при загрязнении его фосфором и алюминием сплав рассыпа-ется в порошок с выделением ядовитых летучих соединений. Поэтому сплав такого состава заводы не выпускают. Помимо кремния ферросилиций содержит железо и ряд примесей. Следует отметить, что ферросилиций содержит мало углерода, несмотря на применение углеродистого восстановителя и угольной футеровки печи. Объясняется это тем, что в присутствии кремния растворимость углерода в сплаве уменьшается. Чем больше в сплаве кремния, тем меньше сплав содержит углерода.

      Для получения заданного содержания кремния в сплаве в шихту вводят рас-считанное количество железа в виде измельченной стружки углеродистой стали; железо, кроме того, облегчает восстановление кремния. В качестве     восстанови-теля при выплавке ферросилиция применяют металлургический кокс кусками размером 10-25 мм.

      Ферросилиций выплавляют в круглых печах различной конструкции -- вращающихся и стационарных, открытых и закрытых. Рабочий слой футеровки выполняют из углеродистых блоков. Печь имеет две летки, одну рабочую и другую резервную. Плавку ведут непрерывным процессом. На колошник печи сверху непрерывно загружают шихту, а сплав периодически выпускают через летку. Процесс плавки происходит главным образом у электродов, под которыми горят электрические дуги. Здесь в зоне дуг в шихте образуется полость ("тигель") с очень высокой температурой. Стенки тигля непрерывно оплавляются, кремнезем восстанавливается, кремний растворяется в жидком железе, жидкий сплав опускается на подину, а новые порции шихты - в зону реакций. Кремний восстанавливается твердым углеродом по реакции:

SiO₂ + 2С = 4Si- 2СО₂ - 635096 Дж,

идущей с большой затратой тепла, теоретическая температура ее начала равна 1554 °С. В присутствии железа восстановление кремния облегчается и идет при более низких температурах, поскольку железо, растворяя кремний, выводит его из зоны реакции, что сдвигает равновесие этой реакции вправо, в сторону восстано-вления кремния. Чем больше железа в шихте, тем при более низкой температуре происходит восстановление кремния и образование ферросилиция.

      Нормальный ход печи характеризуется медленным опусканием электродов по мере их сгорания и равномерным оседанием шихты вокруг этих электродов. Сплав выпускают 12-20 раз в сутки. Вскрытие летки производят прожиганием электрической дугой или кислородом, пробиванием железным прутом или при помощи бура. По окончании выпуска летку закрывают конической пробкой из смеси электродной массы и песка или огнеупорной глины и кокса.

      5. Производство углеродистого ферромарганца.

      Ферромарганец применяют для раскисления и легирования стали. Марга-нцевые руды содержат много фосфора, поэтому и в ферромарганце содержание этого вредного элемента высокое.

      Для выплавки ферромарганца используют неофлюсованный и офлюсован-ный марганцевый агломерат и концентраты марганцевых руд, железорудные ока-тыши либо железные руды или железную стружку и иногда известняк. Углероди-стый ферромарганец выплавляют флюсовым или бесфлюсовым методом. Во втором случае процесс ведут без добавки извести и получают, кроме углеродис-того ферромарганца, еще бесфосфористый марганцевый шлак (около 50 % MnO и менее 0,02 % Р). Такой шлак используют вместо марганцевой руды для выплавки силикомарганца или малофосфористых марганцевых сплавов. Бесфлюсовым методом, перерабатывают богатые руды, а бедные руды с повышенным содержа-нием кремнезема - флюсовым методом. Выплавляют углеродистый ферромарга-нец в закрытых печах с угольной футеровкой, печи круглые и прямоугольной формы. При бесфлюсовом процессе шихтой служит марганцевый концентрат (агломерат), содержащий более 48 % Mn, кокс и железорудные окатыши либо железная стружка.

      Плавку ведут непрерывным процессом при напряжении 110-160 В; невы-сокое напряжение желательно, чтобы уменьшить перегрев ванны и потери марганца в результате его испарения. Электроды погружают в шихту на глубину 1200-1500 мм. Вследствие глубокой посадки над зоной высоких температур находится большой слой шихты.

      Высшие оксиды марганца (MnО₂, Mn₂О₃ и Mn₃О₄) непрочны и легко восста-навливаются оксидом углерода отходящих газов при низких температурах вверху слоя шихты. Оксид MnО восстанавливается в высокотемпературных приэлектрод-ных зонах по следующим реакциям, протекающим со значительной затратой тепла:

MnО + С = Mn + СО - 288290 Дж

3MnO + 4С = Mn₃С + 3СО - 780800 Дж.

      Теоретическая температура начала этих реакций равна соответственно 1420 и 1227°С, в связи с чем преимущественное развитие получает восстановление по второй реакции, и сплав поэтому содержит много углерода. Сплав и шлак выпус-кают через летку одновременно в футерованный ковш или в стальной ошлакован-ный изнутри ковш, обеспечивая при этом отделение шлака (один из способов отделения состоит в том, что сплав, как более тяжелый, остается в ковше, а шлак переливается через сливной носок ковша в чугунные изложницы). Сплав разлива-ют в изложницы или на разливочной машине в чушки. При бесфлюсовом процес-се степень извлечения марганца в сплав равна ~ 60 %. При флюсовом процессе количество шлака равно 1,4-1,8 т/1т сплава; он содержит 8-20% Mn.

      6. Производство силикомарганца.

      Выплавляют товарный силикомарганец для раскисления и легирования стали и передельный, используемый при выплавке низко- и среднеуглеродистого ферромарганца и металлического марганца. Товарный силикомарганец выплавля-ют непрерывным процессом в закрытых печах с угольной футеровкой при рабо-чем напряжении 120-200в. Шихтой служат марганцевые материалы (руда, концен-трат, шлаки производства углеродистого и среднеуглеродистого ферромарганца), кокс, кварцит. Шихту загружают в печь равномерно, поддерживая у электродов возвышающиеся на 300мм конусы, глубина посадки электродов равна 1,6-2,3 м.

      В высокотемпературных зонах у электродов происходит восстановление углеродом марганца и кремния из MnO и SiO₂; часть марганца и кремния восстанавливается из образующегося в зонах восстановления шлака (из силикатов марганца MnO*SiO₂). Для улучшения восстановления кремния требуются кислые шлаки (с высоким содержанием SiO₂) и высокие температуры (более высокие, чем при плавке углеродистого ферромарганца; температура силикомарганца и ферро-марганца на выпуске составляет соответственно 1500 и 1350 °С). Восстанавлива-ется и переходит в сплав 65-75 % марганца и ~ 40 % кремния шихты. Сплав и затем шлак выпускают через ~ 2 ч; сплав - в футерованный шамотом ковш, шлак - в стальную чашу. Сплав разливают в чушки на разливочной машине или в чугун-ные изложницы. Шлак гранулируют.

      7. Производство углеродистого феррохрома.

      Из всех легирующих элементов в сталях наибольшее применение находит хром. Для легирования стали хромом в нашей стране производят 17 марок ферро-хрома. Эти сплавы в основном отличаются по содержанию углерода, которое изменяется от 0,01 до 9 %.

      Для выплавки углеродистого феррохрома применяют хромовые руды в основном Донского месторождения (Казахстан), которые содержат 30-58% Сr₂О₃, остальное FeO, MgO, А1₂О₃, SiC. В связи с истощением богатых руд в последние годы используют бедные (с содержанием до 30 % Сr₂О₃) руды, подвергая их обо-гащению и иногда агломерации. В качестве флюса применяют кварцит, необхо-димый для получения требуемых свойств и состава (27-32 % SiO₂) шлака.

      В качестве восстановителя применяют отсортированный кокс размером 10-25мм, содержащий не более 0,5 % S и не более 0,04% Р.

      В состав хромовой руды входят оксиды железа, они вносят в сплав требуе-мое количество железа.

      Углеродистый феррохром выплавляют непрерывным процессом в открытых и закрытых печах с магнезитовой футеровкой. Хромовую руду (или ее часть) берут тугоплавкую, трудновосстановимую (содержащую магнохромит MgO* Сr₂О₃, восстанавливающийся углеродом при 1546°С) и плохо растворимую в шлаке, что обеспечивает   формирование   над   расплавом   феррохрома   так   называемого "рудного слоя", необходимого для окисления избыточных углерода и кремния в образующемся феррохроме.

      Шихту загружают равномерно по поверхности колошника. Процесс плавки характеризуется следующим строением ванны по высоте: слой твердой шихты с проходящими здесь процессами твердофазного восстановления, зона плавления пустой породы и восстанавливающегося металла со слоем жидкого шлака внизу (у конца электродов), "рудный слой", слой жидкого сплава. Газовых полостей под электродами нет.

      Восстановление хрома протекает по следующим реакциям:

1/З Сr₂О₃ + С = 2/ЗСr + СО - 270100 Дж;

1/З Сr₂О₃ + 9/7С = 2/21Сr₇С₃ + СО -250200 Дж.

      Термодинамически легче идет восстановления с образованием карбида хро-ма Сr₇С₃, и эта реакция наиболее вероятна. Из оксидов железа руды углеродом легко восстанавливается железо, причем этот процесс опережает восстановление хрома; железо, растворяясь в карбиде хрома, облегчает восстановление последнего.