Ферросплавная печь: основные моменты

Ферросплавные печи – это вид электрических агрегатов, предназначенный для выплавки ферросплавов. Нагревание шихты в таких устройствах происходит под действием электрической дуги. Ферросплавы – это общее название соединений железа с различными химическими элементами (кремнием, марганцем, хромом и др.). Они применяются в металлургическом производстве для легирования железа, что улучшает его характеристики. Ферросплавные устройства также называют рудно-термическими печами для производства ферросплавов. Это агрегаты, в которых руда подвергается тепловой обработке с целью получения различных материалов.

Устройство ферросплавных печей зависит от тех технологических процессов, которые происходят в агрегате: электро- и металлотермических. Их маркировка дает представление о конструкции оборудования и указывает на мощность трансформатора, которая измеряется в МВА. Буквы в маркировке расшифровываются следующим образом:

1. Р – рудно-термическая.
2. К – круглая ванна. П – прямоугольная ванна.
3. О – открытая печь. З – закрытая герметичным сводом.

Ферросплавное оборудование подразделяется на устройства непрерывного и периодического действия. Первые – восстановительные, а вторые – рафинировочные.

На следующих рисунках показана печь РКЗ в разрезе и в плане. Как видно, агрегат имеет форму невысокого цилиндра (шахты) с 3 электродами.

Электрические проводники в ферросплавных печах бывают трех видов: графитированные, угольные и самоспекающиеся. Для получения первого типа чистые углеродистые материалы прессуют, после чего обжигают при температуре 2600 °С. Чтобы получить угольные электроды, сначала дробят антрацит и каменноугольный кокс, затем добавляют к ним связующие материалы, прессуют и обжигают при температуре 1300 °С. Получение самоспекающихся электрических проводников осуществляется путем заполнения специальных форм электродной массой, которая постепенно спекается в процессе погружения емкостей в рабочее пространство печи.

Из всех видов графитированные со специальной пропиткой считаются наиболее качественными. Плотность тока в них составляет 20 А/см². В то же время самоспекающиеся являются наименее дорогостоящими. Однако плотность тока в них заметно ниже – 5-7 А/см². Потому их приходится делать значительно большего диаметра.

Ферросплавная печь футеруется угольными блоками и шамотным кирпичом. Первые используются для подины и нижней части стен, второй материал – для верха боковых конструкций. На поде общий слой футеровки достигает 1,8 м (1,2 м – угольные блоки, 0,6 м – теплоизоляция), а на стенах – 0,5 м. Если необходимо получить ферросплавы с низким содержанием углерода, угольные блоки заменяют магнезитом.

Принцип работы ферросплавной печи

Чтобы шихта в устройстве плавилась равномерно и не образовывались спеки, некоторые агрегаты оборудуются механизмом вращения, для чего в конструкции предусматриваются ходовые колеса и кольцевые рельсы. Этот процесс осуществляется в пределах определенного сектора (обычно не более 130 градусов) и является реверсивным.

Свод печи разделен на шесть секций с циркулирующей в них жидкостью. Внизу он покрыт слоем жаростойкого бетона. В отличие от самой печи, этот элемент конструкции установлен неподвижно. В нем имеется ряд отверстий для противовзрывных люков, загрузочных воронок и газоотводных трубок.

Плавильный процесс в печи осуществляется постоянно. Чтобы электроды все время находились погруженными в шихту, через загрузочные воронки материал (агломерат, флюсы, окатыши, топливо) подается порциями (колошами). На колошниках (верхней части агрегата) постоянно должна лежать шихта в виде конуса вокруг каждого электрода.

Электрическая дуга, проходя между проводниками, создает под слоем шихты зону реакции, имеющую форму стакана. Его стенки оплавлены при температуре около 2000 °С. Внутри этой зоны отмечается реакция восстановления при показателе 2100-2200 °С. Здесь содержимое находится в жидкой и газообразной формах. Тепловая энергия поступает благодаря электрической дуге. При этом она идет не только на плавление продуктов реакции, но и на прогревание шихты выше реакционной зоны. Часть тепла выводится вместе с газообразными продуктами, в том числе с парами оксидов и металлов.

Благодаря тому, что над зоной реакции находится примерно метровый слой шихты, теплоту газов удается эффективно использовать на ее нагревание. Смесь углеводородов, которая отводится из рабочего пространства печи, после очистки от пыли называют ферросплавной, неочищенные газы – колошниковыми. Когда шихта поступает непосредственно в зону реакции, она уже довольно хорошо прогрета газообразными продуктами и очищена от летучих компонентов. Когда готового металла и шлака набирается определенное количество, они выгружаются из печи с помощью сливного желоба.

Конструкция ферросплавных устройств такова, что подсчитать, сколько металла выплавлено, невозможно. Потому приблизительные расчеты ведутся исходя из мощности агрегата и количества энергии, требуемой для получения тонны ферросплава. Например, мощность печи составляет 1,5 МВт. На изготовление 1000 кг продукта необходимо 3 МВт•час электроэнергии. Нужно определить, сколько металла будет получено за восемь часов работы. Для этого выполняются простые расчеты: на производство одной тонны металла нужно 3/1,5=2 часа, а за 8 часов будет выплавлено 8/2=4 т ферросплава.

Температура плавления разных ферросплавных материалов отличается. Например, для ферромарганца она составляет 1220-1260 °С. Разливается вещество на ленточных машинах при показателе 1340-1380 °С. Печной выпуск имеет температуру 1500-1600 °С. Когда в ферросплавной печи восстанавливаются окислы, происходит выделение значительного количества окиси углерода:

MnO+C=Mn+CO-288,288 кДж/моль

На сегодняшний день актуальным остается вопрос эффективного использования колошникового газа. Иногда он идет на обжиг известняка или же применяется в качестве топлива для котельных. Но часто это вещество просто сжигается в свечах над цехом. Ферромарганцевый колошниковый газ имеет примерно следующий состав (в объемных долях):

СО — 80…90%; СО2 — 2…10%; Н2 — 2…6%; СН4 — 0…5%; N2 — 0…3%; О2 — 0,04…0,08%.

Такая смесь обладает довольно высокой теплотой сгорания (9-10 МДж/м³).

Для разных сплавов удельный расход энергии отличается:

• для ферросилиция (75% кремния): 570 кг у. т./т кварцита или 8,5-8,8 МВт•час/т ферросилиция; это соответствует 1040-1080 кг у. т./т ферросилиция;
• для ферромарганца (76% марганца): 120-130 кг у. т./т концентрата или 3,8-4,1 МВт•час/т ферромарганца; это соответствует 460-510 кг у. т./т ферромарганца;
• для высокоуглеродистого феррохрома (60% хрома): 230-240 кг у. т./т концентрата или 3,7-4 МВт•час/т концентрата; это соответствует 450-490 кг у. т./ т феррохрома.

Особенности изготовления углеродистого ферромарганца

Производство высокоуглеродистого ферромарганца осуществляется двумя методами: флюсовым и бесфлюсовым. Главное их отличие состоит в том, что происходит при обработке с фосфором, содержащимся в шихте. До 90% этого химического элемента попадает в готовый продукт, от 5 до 10% уходит в шлак и примерно столько же испаряется.

Бесфлюсовый процесс отличается тем, что при нем в шихту не добавляют известняк или известь. Вместо этого используют коксик в качестве восстановителя и железную стружку. В результате планируется получить некоторое количество ферромарганца, засоренного фосфором, и много шлака с низким содержанием фосфора. Засоренный ферромарганец имеет незначительную ценность в металлургии.

В то же время малофосфористый шлак подлежит дальнейшей обработке флюсовым методом для получения таких ценных материалов, как низкофосфористые ферромарганец и силикомарганец. Образующийся при этом шлак называют отвальным.

В таблицах приняты следующие составы материалов:

1. Марганцевый агломерат: MnO 50 %; CaO 5; SiO2 28; MgO 2; FeO 4; l2O3 4; Fe2O3 2; Mn3O4 5; P2O5 ~0,41 %.
2. Малофосфористый шлак: MnO 60 %; SiO2 30; CaO 4; Al2O3 3; R2O 2; MgO 1; P2O5 ~0,02 %.
3. Ферромарганец: Mn 76 %, C 6,6; Si 1,2; Fe 16; P ~0,45 %.
4. Отвальный шлак: MnO 12 %; CaO 37; SiO2 33; MgO 8; FeO 1; Al2O3 7; P2O5 ~0,035 %.
5. Колошниковый газ: СО 92 % (масс.); СО2 6,5; Н2 0,15; летучие 1,5 %.

При составлении балансов приняты следующие реакции:

1. Реакции шлакообразования: MnO + SiO2 = MnSiO3; 2MnO + SiO2 = 2MnO⋅SiO2; CaO + SiO2 = CaO⋅SiO2; MgO + SiO2 = MgO⋅SiO2.
2. Реакции восстановления оксидов: MnО → Mn + 0,5 O2; SiO2 → Si + O2; Fe2O3 → 2 Fe + 1,5 O2; P2O5 → 0,5 P4 + 2,5 O2.

Как следует из приведенной ниже таблицы, удельный расход электричества в рабочем пространстве печи составляет 12550 /3,6 = 3486 кВт⋅ч/т или 430 кг у.т./т ферромарганца. Если принять потери электроэнергии в подводящих токопроводах и в печном трансформаторе 10 %, то для ферросплавной установки расход энергии составит 3486 х 1,1 = 3835 кВт⋅ч/т или 470 кг у.т./т.

Как экономить энергию

Среди перспективных направлений снижения потребления энергии при ферросплавном производстве отмечают следующее:

1. Химическая теплота ферросплавных газов может быть использована для предварительного нагревания шихты в той же печи либо в отдельной.
2. Физическая теплота расплавленных в устройстве материалов может быть применена для нагрева воды, образования пара и подогрева шихты.
3. Для оборудования печи необходимо отдавать предпочтение более дешевым самоспекающимся электродам (вместо графитированных и угольных). Это позволит существенно снизить затраты времени на регламентированные простои, вследствие чего в окружающую среду будет уходить меньшее количество теплоты.
4. Для кладки печи необходимо использовать огнеупорные материалы, обладающие невысокой теплопроводностью.