Ферросилиций

Для раскисления и легирования стали и в качестве восстановителя при производстве некоторых ферро­сплавов применяют ферросилиций.

В электрических печах его выплавляют различных марок с содержанием кремния 18-50% и 60-95%.

При содержании кремния в сплаве в пределах 50-60% и при загрязнении его фосфором и алюминием сплав рассыпается в поро­шок с выделением ядовитых летучих соединений. Поэтому сплав такого состава заводы не выпускают.

Рудной составляющей шихты являются кварциты, содержащие не менее 95% Si0₂, не более 0,02% Р₂О₅ и возможно меньше шлакообразующих примесей (глинозема). Кварцит дробят до кусков раз­мером 25-80 мм и отмывают от глины.

В качестве восстановителя при выплавке 45- и 75%-ного ферро­силиция применяют металлургический коксик кусками размером 10- 25 мм. Основные требования, предъявляемые к восстановителю: низкая зольность, высокое электросопротивление, низкое содержа­ние летучих, прочность кусков при нагреве. Древесный уголь, нефтяной и пековый коксик содержат мало золы, но они дороги. Размеры коксика «орешка» влияют на ход процесса плавки: если в коксике много мелочи, то затрудняется выход газов. Крупные куски увеличивают электропроводность шихты, уменьшается глу­бина посадки электродов, уменьшается производительность печи. Для получения нужной концентрации кремния в сплаве в шихту вводят измельченную стружку углеродистых сталей. Как уже упо­миналось выше, в присутствии железа облегчается ход процесса. Чугунную стружку не применяют, так как она содержит много фос­фора.

Ферросилиций марок Си45 и Си75 выплавляют в печах мощностью до 16,5 Мва при напряжении до 175 в. Выплавка 45%-ного сплава освоена в закрытых печах, которые позволяют использовать высоко­калорийный газ, уменьшить расход восстановителя и значительно улучшить условия труда. Технологически более сложный процесс выплавки 75%-ного сплава также начинают осваивать в закрытых печах.

Подину и нижнюю часть стен выкладывают угольными блоками, верхнюю часть стен - шамотным кирпичом. В печи две летки для выпуска сплава: одна рабочая и вторая резервная.

Медленное (реверсивное) вращение ванны на 40-50° в обе сто­роны облегчает ход плавки, так как способствует разрыхлению шихты и уничтожению настыли.

§ 3. Физико-химические условия процесса плавки

Кремний восстанавливается твердым углеродом по реакции

SiO_a + 2С = Si + 2CO - 635 096;

Н⁰₂₉₈ = 636 000 дж (151 800 кал).

В электропечи при  избытке восстановителя  образуется  карбид кремния

Si0₂ + ЗС = SiC + 2CO

Некоторая часть Si0₂ может быть восстановлена сначала до моно­окиси SiO и тогда процесс образования карбида кремния сводится к следующей схеме:

Si0₂ + С = SiO + СО

SiO + 2С = SiC + СО

Si0₂+3C=SiC+2CO.

Карбид кремния нежелателен, так как вследствие его тугоплав­кости (t_пл > 2700° С) загромождается нижняя часть печи и снижается ее  производительность.

Разрушение карбида кремния возможно свободным Si0₂ в при­сутствии  железа   по   реакциям

2SiC + SiO, = 3Si + 2СО;   Si + Fe = FeSi.

Чем больше железа в шихте, тем при более низкой температуре происходит получение ферросилиция. Избыток углерода в шихте приводит к накоплению в ванне печи карбида кремния и ухудшению работы печи. Недостаток углерода в шихте также отрицательно влияет на процесс, вызывая кварцевание ванны печи. Поэтому необходим строгий контроль за дозировкой шихтовых материалов.

Ферросилиций содержит менее 0,1% углерода, несмотря на при­менение углеродистого восстановителя и угольную футеровку печи. Объясняется это тем, что силициды прочнее карбидов. В присут­ствии кремния растворимость углерода в сплаве уменьшается. Чем больше в сплаве кремния, тем меньше он содержит углерода. Эта закономерность распространяется на все металлы. Ею пользуются, когда  нужно получить  малоуглеродистые ферросплавы.

В восстановительных условиях более 60% фосфора из шихтовых материалов переходит в сплав. Сера почти целиком улетучивается. При работе на богатых кварцитах шлака образуется мало: 2-6% от массы сплава, он содержит до 40%  А1₂0₃.

Технология плавки ферросилиция.

Плавку ведут непрерывно. Электроды глубоко (на 800-1500 мм) погружены в шихту. Расстояние от концов электродов до  подины  составляет  300-600  мм.

При загрузке перемешанных шихтовых материалов в печь стре­мятся создать и поддерживать вокруг электродов конусы шихты.

Газы, образующиеся в зоне реакций, стремятся подняться вверх по поверхности электродов. Назначение конусов шихты - затруд­нить газам выход в этих местах, уменьшить потери тепла и кремния. Чем шире конус шихты, тем дальше от электрода выделяются языки пламени (сгорание окиси углерода в С0₂), тем больше активная зона печи,   тем  лучше   оседает  шихта,   тем  выше   производительность.

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, новые порции шихты опускаются в зону реакций.

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. Большая цифра относится к Си75. Сплав выпускают в ковш и разливают в плоские чугунные изложницы или в слиточки на разливочной машине. Толщина слитка не должна превышать 100-120 мм во избежание ликвации кремния.

В себестоимости 75%-ного ферросилиция затраты на технологи­ческую электроэнергию превышают 45% от всех затрат. Применение в составе шихты карборундсодержащих отходов графитации с элек­тродного производства позволило уменьшить расход энергии. Рас­ход материалов и энергии на 1 т стали приведен ниже:

                                                                   Си45     Си75

Кварцит, кг...............................................    820      1820

Коксик, кг..............................................      250       810

Железная стружка, кг   ....                             600       213

Отходы графитации,  кг .   .   .   .                    380       -

Электроэнергия, квт-ч      .   .   .                   4360       8520