Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Класифікація феросплавних процесів - файл 1.doc


Класифікація феросплавних процесів
скачать (161.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc162kb.29.11.2011 06:42скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Лекція №1

КЛАСИФІКАЦІЯ ФЕРОСПЛАВНИХ ПРОЦЕСІВ

Класифікація металів – феросплавних елементів

Відповідно до сучасної класифікації метали поділяються на дві основні групи: чорні і кольорові. До першої групи відноситься залізо у всім різноманітті продуктів, де воно є основним металом – чавун, сталь різного хімічного складу і феросплави. Друга група поєднує практично всі відомі метали. В залежності від фізико-хімічних властивостей метали підрозділяються на наступні групи: 1) легкі (Аl, Ва, Ве, K, Са, Li, Мg, Nа, Rb, Si, Sr, Тl, Сs); 2) рідкі (V, W, Gа, Нf, Y, Gе, Мо, Rе, РЗМ, Se, Та, Тi, Те, Zr); 3) важкі (Аs, Вi, Сd, Со, Cu, Сr, Mn, Нg, Ni, Sb, Sn, Рb); 4) благородні (Аu, Аg, Ir, Оs, Рt, Rd, Rh, Ru) і радіоактивні (Рu, Ро, Ra, Nр, Тh, U).

Цілий ряд елементів, які відносяться до групи кольорових металів, є основою сплавів, називаних феросплавами і які представляють собою двохкомпонентні або більш складні композиції відповідних металів і неметалів із залізом. Умовно, метали і неметали, які складають основу феросплавів, можна називати феросплавними елементами. До них відносяться елементи: Мn, Si, Сr, Са, Al, Ва, Sr, Мg, Тi, V, W, Мо, Nb, РЗМ, Sе, Та, Те, Zr, Ni, B. В феросплавах у великих або менших кількостях присутні елементи-домішки*: S, Р, Сu, Sn, Sb, Ві, О, Н, N та ін.

Порівняльна діаграма поширеності цих елементів у природі представлена

^ Середній вміст елементів в земній корі (за А.П. Виноградовим)


Атомний номер

Елемент

Вміст елементу, (кларк), г/т

Атомний номер

Елемент

Вміст елементу, (кларк), г/т

5

B

12

40

Zr

170

6

C

200

41

Nb

20

7

N

19

42

Mo

1,1

8

O

470000

47

Ag

0,07

9

F

660

52

Te

0,001

11

Na

25000

56

Ba

650

12

Mg

18700

57

La

49

13

Al

80500

58

Ce

70

14

Si

295000

59

Pr

9

15

P

930

60

Nd

37

16

S

370

61

Pm

-

19

K

25000

62

Sm

8

20

Ca

33000

63

Eu

1,3

21

Sc

10

66

Dy

5

22

Ti

4500

67

Ho

1,7

23

V

90

68

Er

3,3

24

Cr

83

69

Tu

0,27

25

Mn

1000

70

Yb

3,3

26

Fe

46500

71

Lu

0,8

27

Co

18

72

Hf

1,0

28

Ni

57

73

Ta

2,5

29

Cu

47

74

W

1,3

30

Zn

83

75

Re

0,0007

31

Ga

19

79

Au

0,0043

32

Ge

1,4

80

Hg

0,083

33

As

1,7

82

Pb

16

34

Se

0,05

83

Bi

0,009

38

Sr

340

90

Th

13

39

Y

29

92

U

2,5


Виділяють групи «великих» і «малих» феросплавів.

I. Група великих феросплавів (крупнотоннажні сплави): 1) кремністі феросплави (феросиліцій всіх марок, кристалічний кремній); 2) марганцеві феросплави (високо-, середньо- і низьковуглецевий феромарганець), товарний і переробний силікомарганець, металевий марганець, азотований марганець, марганцеві лігатури; 3) хромисті феросплави (високо-, середньо- і низьковуглецевий ферохром, товарний і переробний феросилікохром, металевий хром, азотований ферохром, лігатури складних композицій).


Рис. 1. Поширеність елементів у земній корі

II. Група малих феросплавів (малотоннажні феросплави): 1) феровольфрам; 2) феромолібден; 3) ферованадій; 4) сплави лужноземельних металів (ЛЗМ) (силікокальцій, силікобарій, силікомагній, силікостронцій, комплексні сплави систем Fе-Sі-Мg-Са; Si-Са-Ва-Fе; Si-Ва-Fе; Si-Ва-Sr та ін.); 5) фероніобій і сплави систем Ni-Nb, Nb-Тa-Fе; Nb-Та-Мn-Аl-Si-Тi; Nb-Та-Аl; 6) феротитан і сплави систем Fе-Si-Тi, Тi-Сr-Аl; Тi-Сr-Аl-Fе, Тi-Ni; 7) феробор, фероборал і лігатури з бором (Ni-В, Сr-В, грейнал В-Si-Аl-Тi-Zr); 8) сплави з алюмінієм (силікоалюміній, фероалюміній, феросилікоалюміній, сплави систем Fе-Аl-Мn-Si, Fе-Мn-Аl; 9) сплави з рідкоземельними металами (РЗМ) систем РЗМ-Si; Се-Si-Fе; РЗМ-Аl-Si, феросилікоцирконій, фероалюміноцирконій; 11) феронікель і ферокобальт.

Основні компоненти феросплавів називають ведучими елементами. Ступінь відновлення і переходу елементу в метал або вилучення ведучого елемента визначає техніко-економічну ефективність і доцільність застосованої технології. Аналіз і порівняння показників виробництва феросплавів з сировини різного складу і способу одержання в печах різної конструкції і потужності проводяться за умови перерахування кількості феросплавів у базові тонни. Базова тонна – 1 т феросплаву, руди, концентрату зі строго визначеним вмістом ведучого елементу або його сполук. Наприклад, у відповідності зі стандартом феросиліцій марки ФС45 може містити 41–47% Si, а за базову тонну прийнята 1 т сплаву з 45% Si.

Властивості феросплавів багато в чому залежать від фізико-хімічних властивостей ведучих елементів, які представляють собою метали перших трьох великих періодів, точніше, перехідні метали першого (Sс, Тi, V, Сr, Мn, Fе, Со, Ni), другого (Y, Zr, Nb, Мо), третього (Lа, Та, W) періодів, а також метали, які знаходяться на початку великих періодів (Mg, Са, Sr і Ва) Періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва. Властивості металів визначаються будовою s-, р-, d- і f-електронних оболонок*. Відповідно до зміни електронної конфігурації металів закономірно змінюються їх властивості. Наприклад, температура плавлення металів, як характеристика опору кристалічних решіток тепловим коливанням, у кожному великому періоді в міру заповнення рівнів електронами підвищується, досягаючи максимальних значень для хрому (1-й період), молібдену (2-й період) і вольфраму (3-й період), а потім знижується (рис.2). Такий же характер спостерігається для температури кипіння металів, як міри енергії міжатомного зв'язку (рис. 3), теплоти випару, валентності і деяких інших властивостей елементів.


Рис. 3.2. Температура плавлення елементів Рис. 3.3. Температура кипіння елементів елементів
Основну кількість феросплавів використовують у сталеплавильному виробництві для легування і розкислення сталі, а також для легування і модифікування чавуну і сплавів, виготовлення зварювальних електродів, виробництва хімічних сполук, як вихідний матеріал для захисних покриттів на металевих конструкціях і пристроях, при збагаченні корисних копалин. Феросплави слугують також вихідною сировиною при одержанні особливо чистих речовин (елементів і сполук) і широко використовуються в якості відновників у металотермічних процесах.

Більшість феросплавів містить відносно велику кількість заліза. Це обумовлено тим, що у вихідній сировині разом з ведучим елементом завжди присутні оксиди заліза, що не є шкідливою домішкою для більшості феросплавів. Більш того, залізо, розчиняючи відновлений ведучий елемент, знижує активність останнього і температуру плавлення феросплавів, підвищує об’ємну масу ряду феросплавів і збільшує корисне використання ведучих елементів при розкисленні і легуванні сталі і сплавів. Утворення металевих розчинів відновлених елементів в залізі знижує активність ведучого елемента в розчині, що зменшує зміну енергії Гібса процесу відновлення. Так, при утворенні розчинів на основі заліза відновлення ведучого елементу можливо при більш низьких температурах з кращим результатом вилучення, тому часто залізо спеціально вводять у шихтові матеріали (у виді стружки, рідше у виді оксидів). Вартість відновлених елементів у феросплавах нижча, ніж чистих.
^ Загальні вимоги до якості феросплавів

Якість феросплавів характеризується вмістом і межами коливань ведучого елементу, концентрацією регламентованих супутніх домішок (С, S, Р, кольорових металів, N, Н, О та ін.), гранулометричним складом, об’ємною масою, станом поверхні кусків, злитка, температурою плавлення, вмістом неметалевих включень, вкраплень шлаку, кисню, водню та інших.

^ Хімічний склад. Основним показником якості феросплавів є його хімічний склад і, насамперед, вміст в ньому ведучого елементу. При цьому важлива сталість вмісту легуючого елементу у феросплаві окремих плавок, поєднаних в одну партію.

Гранулометричний склад. Важливою характеристикою якості феросплавів є його гранулометричний склад, оскільки при правильному його виборі прискорюється процес розплавлення, забезпечується високе засвоєння легуючого елементу сталевою ванною.

За вимогою споживачів феросплави поставляються зі строго заданим гранулометричним складом. Важливе значення мають також механічні властивості феросплавів, оскільки від них залежить вибір дробильних пристроїв для одержання сплавів, заданого гранулометричного складу.
^ 3.3. Класифікація феросплавних процесів за видом застосованих відновників
Ця ознака є основною, тому що від типу відновника залежать не тільки фізико-хімічні процеси, які визначають сутність технології різних феросплавів, але і практичні прийоми ведення процесу, тип застосованого пічного агрегату, хімічний склад одержуваного сплаву та область його використання. За цією ознакою процеси виробництва феросплавів класифікуються на вуглецевотермічні (ВТП), силікотермічні (СТП) і алюмінотермічні (АТП).
Вуглецевотермічні процеси. При вуглецевотермічних процесах відновником оксидів є твердий вуглець. В загальному виді сумарні реакції можуть бути представлені в такий спосіб:

2/у МехОу + 2С = 2х/уМе + 2СО + ∆Н1;

2/у МехОу + (2 + 2х/z)С = 2х/уzМеzСy + 2СО + ∆Н2.

Головна особливість цього процесу полягає в тому, що одним із продуктів відновлення є монооксид вуглецю, видалення якого з ванни забезпечує необоротність реакції. Вуглецем можуть бути відновлені всі елементи з їх оксидів при високих температурах процесу, тому що хімічна спорідненість вуглецю до кисню з підвищенням температури збільшується. Вуглець має невисоку вартість, при цьому можливе використання вуглецевих матеріалів різної якості.

До недоліків вуглецю як відновника відносяться наступні фактори: 1) при відновленні оксидів утворюються карбіди елементів, тому при невеликій концентрації кремнію сплави містять підвищену кількість вуглецю; 2) реакції відновлення оксидів протікають з поглинанням великої кількості тепла, тому потрібно застосування електричних дугових печей великої потужності.
Силікотермічні процеси. Силікотермічне відновлення металів з оксидів відбувається за реакцією:

2/уМехОу + Si = 2х/уМе + SiО2 –∆НSi.

Відновлення оксидів кремнієм ведуть із застосуванням комплексних переробних феросплавів типу Ме-Fе-Sі, де Ме – Мn, Сr.

В силікотермічних процесах кремній в якості відновника використовують у виді силікомарганцю, феросиліцію, феросилікохрому та ін., які попередньо одержують відновленням кремнію з кремнезему (а також марганцю і хрому з їх оксидів) вуглецем.

Таким чином, технологічна схема виробництва низьковуглецевих феросплавів включає стадію виплавки переробних сплавів: феросилікомарганцю і феросилікохрому. В деяких випадках в якості відновника при силікотермічному процесі застосовують феросиліцій марок ФС75 або ФС65 (виплавка феровольфраму, феромолібдену, ферованадію та ін.). В результаті відновлення оксидів кремнієм шлак збагачується кремнеземом. Без зменшення активності SiО2 не можна досягти високого ступеню відновлення ведучого елементу, тому необхідно вести плавку флюсовим способом.

Кремній в якості відновника може використовуватися і при відновленні оксидів елементів, які мають більш високу хімічну спорідненість до кисню ніж кремній. При цьому задовільне вилучення ведучого елементу досягається введенням в шихту надлишкової кількості кремнію. Кінцевий продукт одержують з високою концентрацією кремнію (силікотермічний силікокальцій та ін.).

Кремній, який має досить високу хімічну спорідненість до кисню, може служити відновником елементів з таких оксидів, як Сr2O3, МnО, МоO3, WО3, V2O3 та ін. Відновлення оксидів кремнієм супроводжується виділенням тепла, якого недостатньо для ведення позапічного силікотермічного процесу, тому застосовують електропечі відносно невеликої потужності (2500 – 7000 кВ∙А).

Кремній як відновник має наступні недоліки: 1) внаслідок утворення кремнезему збільшується кількість шлаку, при цьому зростає активність SiО2, виникають міцні силікати нижчих оксидів ведучого елементу; подальше відновлення можливе при введенні в шлак (шихту) оксидів з основними властивостями (СаО); 2) при температурах виплавки феросплавів кремній утворює з металами розчини, які мають негативні відхилення від властивостей ідеальних розчинів, що свідчить про міцність зв'язку Ме-Sі та затрудняє одержання сплавів з низькою концентрацією кремнію.
^ Алюмінотермічні процеси. Алюмінотермічне відновлення металів з оксидів протікає за реакцією:

2/уМехОу + 4/3Аl = 2х/уМе + 2/3Аl2O3 –∆НАl

і супроводжується значним тепловим ефектом (–∆НAl). Основні особливості алюмінотермічного процесу: виділення значної кількості тепла в результаті протікання реакції відновлення і можливість проведення процесів без підведення електричної енергії, поза піччю. При цьому досягаються високі температури (2400–2800 K), які забезпечують одержання шлаку і металу з температурою, яка перевищує початок кристалізації, хороше розділення металевої і шлакової фаз, високу швидкість процесу.

При алюмінотермічних процесах для відновлення металів з оксидів не потрібно додаткового підведення тепла (використання електропечі), за винятком особливо міцних оксидів (наприклад, одержання феросилікоцирконію), коли ведуть плавку в дугових електропечах. Можливість самовільного (без підведення тепла для нагріву) протікання процесу алюмінотермічного відновлення визначається такими факторами, як тепловий ефект алюмінотермічного відновлення, теплоємкість і теплопровідність шихти і продуктів плавки, інтенсивність теплообміну з навколишнім середовищем, теплота метало- і шлакоутворення і т. і. Основною умовою здійснення алюмінотермічної плавки без підведення тепла ззовні є перевищення теплового ефекту відновлення (Qекз) над тією кількістю тепла (Qp), яке необхідно для нагріву, розплавлення продуктів реакції і нагріву розплаву до температури, яка забезпечує досить повний розподіл металевої і шлакової фаз, а також для компенсації теплових витрат (QII) в процесі плавки: QекзQp + QII.

Достоїнством алюмінотермічних процесів є: 1) можливість відновлення більш широкої гами елементів з хімічною спорідненістю до кисню меншою, ніж у алюмінію; 2) відновлення оксидів і одержання сплавів і технічно чистих металів з низькою концентрацією вуглецю і домішок кольорових металів; 3) простота апаратурного оформлення процесу, невеликі капітальні витрати; 4) ведення процесу в горні, який нахиляється, з випуском шлаку і металу; 5) можливість попереднього розплавлення оксидів і флюсів в електропечі, що дозволяє значно інтенсифікувати процес і зменшити витрату алюмінію; 6) використання високоглиноземистих шлаків для одержання синтетичних шлаків, а також високоглиноземистого цементу.

До недоліків алюмінотермічного процесу відносяться: 1) висока вартість і дефіцитність алюмінію; 2) можливість утворення нижчих оксидів ведучих металів, зменшення термодинамічної імовірності відновлення цих оксидів і вилучення металів з шихти; 3) утворення високоглиноземистого шлаку з високою в'язкістю, що викликає втрати відновленого металу у виді корольків.
^ Класифікація феросплавних процесів за технологічними ознаками
Різноманітність використовуваних відновників обумовлює ряд особливостей феросплавних процесів, що є підставою для їх класифікації за різними технологічними ознаками.

Безперервні і періодичні процеси. Феросплавні процеси підрозділяються на безперервні і періодичні. Безперервні процеси характеризуються безперервним завантаженням шихти в рудовідновну електропіч із закритим колошником і періодичним (або безперервним) випуском феросплаву і шлаку. Шихта розташована в печі на визначеному рівні протягом всього процесу. Електроди постійно занурені в шихту, а випуск металу і шлаку ведеться періодично або безперервно. При цьому використовують печі великої одиничної електричної потужності (16,5–81 МВ∙А), а в якості відновника застосовують вуглецеві матеріали (кокс, напівкокс, рідше антрацит, вугілля).

Періодичні процеси ведуть з використанням визначеної кількості шихтових матеріалів, призначених для однієї плавки. Завантажена в піч шихта цілком проплавляється з відновленням оксидів ведучих елементів. Випуск продуктів плавки (металу і шлаку) ведуть періодично; найчастіше випускають з печі метал і шлак одночасно.

^ Безшлакові і шлакові процеси. До безшлакових процесів відносять виплавку феросплавів, при яких кількість шлаку незначна і складає 3—5% від маси металу (наприклад, виплавка кристалічного кремнію, феросиліцію, феросилікохрому). При безшлакових процесах шлак утворюється оксидами, які містяться у невеликих кількостях в рудах, концентратах, в золі коксику, і не відновленими під час плавки. Шлакові процеси супроводжуються утворенням значної кількості шлаку. Кратність шлаку може складати 1,2–1,5 при виплавці високовуглецевого феромарганцю і феросилікомарганцю та 2,0–3,5 при одержанні низьковуглецевого ферохрому і металевого марганцю силікотермічним способом.
^ Флюсові і безфлюсові процеси. Виплавку феросплавів при періодичному процесі найчастіше ведуть флюсовим способом, хоча у визначених умовах доцільна безфлюсова плавка. При флюсовому способі відновлення оксидів ведучого елемента відбувається по реакціях:

2МеОSiО2 + 2С + СаО = 2Ме + СаO∙SiО2 + 2СО;

2МеО + Si + СаО = 2Ме + СаO∙SiО2;

3МеО + 2Аl + СаО = 3Ме + СаОАl2O3.

Введення флюсу знижує активність SiО2 в шлаку, що супроводжується збільшенням виходу відновленого металу.

В якості флюсів використовують матеріали, які містять СаО, МgО та інші компоненти, які утворюють найбільш міцні хімічні сполуки з оксидами — продуктами реакцій відновлення. При цьому зменшується в'язкість шлаку, знижується (або підвищується) температура плавлення шлаку, зменшується концентрація у феросплаві домішок, що приводить до більш повного вилучення ведучого елементу і підвищенню якості феросплаву. Можлива електропічна плавка і безфлюсовим методом. При цьому знижується витрата електроенергії і збільшується продуктивність печі, але ступінь відновлення ведучого елемента зменшується. Шлак містить значну кількість оксидів ведучого елементу і його звичайно використовують для виплавки феросплавів вуглецевовідновним способом. При цьому зменшується витрата флюсу і підвищується наскрізне використання ведучого елементу. Однак безфлюсовий спосіб може бути здійснено при використанні високоякісних руд і концентратів з низьким вмістом фосфору та інших домішок. Вибір варіанта технології плавки з введенням флюсу в шихту або без флюсу визначається якістю одержуваного феросплаву, його економічністю, можливістю підвищення продуктивності печі.

* Віднесення перерахованих елементів до домішок умовно, тому що в одній групі феросплавів – це домішки, в іншій – легуючі елементи (ферофосфор, азотований марганець, азотований ферохром).

* Позначення електронних оболонок походить від перших букв відповідних слів: s – sharpe (різкий); p – principal (основний); d – diffuse (дифузійний); f – fundamental (фундаментальний).



Скачать файл (161.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации