Физико-химические основы производства высокоуглеродистого феррохрома в печах постоянного тока

Актюбинский завод ферросплавов

Актюбинский завод ферросплавов — предприятие-первенец черной металлургии Казахстана. Выпускает сплавы железа с хромом, титаном и др. металлами. АЗФ ныне реорганизованное предприятие в составе ТНК «Казхром».

Строительство завода началось в 1940 году близ месторождений хромитовых руд (г. Хромтау). В 1943 году 20 января была запущена первая печь «Комсомолка» и получены первые тонны важнейшего для страны металла. (В 1943 году произведена первая плавка феррохрома.) В 1951 году налажены производство ферротитана, в 1958 — феррохрома. В последующие годы внедрена технология получения феррохрома вакуумтермическим способом. Продукция выпускается по отечественным и европейским стандартам, экспортируется в страны Европы, Японию и США.

Основные цеха

АЗФ в своем составе имеет 4 основных электроплавильных цеха и восемь вспомогательных, обеспечи-вающих работоспособность основных. Предприятие АЗФ ТНК «Казхром» располагается на 3-х площадках:

· площадка № 1 – Завод феррославов;

· площадка № 2 – Карьер «Шолоксай-Южный»;

· площадка №3 – Резиденция АО «ТНК Казхром».

· Площадка №4 – Плавильный цех

На предприятии имеются полигоны для размещения отходов производства и потребления: шлакоотвал площадью 47 га и площадка строительных отходов (ПСО) площадью 1,78 га. На шлакоотвале размещаются от-вальные шлаки, на ПСО – производственно-строительные отходы.

Строительство и ввод в эксплуатацию цеха увеличат извлечение хрома, снизят расход восстановителей за счет подогрева шихты отходящими газами, расход электроэнергии и количество образующейся пыли, а также полностью утилизируют образующиеся при производстве феррохрома текущие шлаки.

Кроме того, установка современной плавильной печи приведет к существенному улучшению состояния окружающей среды и повышению безопасности на производстве.

Подсобные цеха

Цех по переработке шлаков - вторичный цех Актюбинского завода ферросплавов, включающий в себя четыре больших производственных участка.

Практически на всех участках ведутся дробильно – сортировочные работы. В участок №1 также входит дополнительно полигон шлака и металлоотходов, где вручную осуществляется выборка металла от шлака.

Участок №2 состоит из установки по обжигу титано – ильменитового концентрата и отсадочный комплекс.

Участок №3 , известный также как ВПШ (внецеховая переработка шлакапредназначен для переработки шлака из цехов №1 и №2. В цеху имеется 3 печи, производительностью по 12 т в сутки. Их мощность составляет 45 мВт. Отходы собственного производства вывозятся на цех переработки шлака, где они дробятся и перерабатываются не феррохромовый металоконцентрат. Щебень, которая при необходимости подается в печные бункеры через ЦПШ фракциями 0 – 80 мм. Отвальный шлак, полученный при производстве феррохрома на специальном оборудовании вывозится в цех шихтоподготовки. Перед подачей в цех отходы и шлак дробятся на устройстве МО – 35 до размера частиц около 80 мм и подаются в печные бункера.

Шлаки от производства плавильного цеха №1 используется как строительный материал.

Участок №4 производит дробление щебня до фракции различных размеров, но в основном наиболее частой является фракции щебня 5 – 20, т.е. строительный

щебень. До внедрения метода стабилизации, самораспадающиеся шлаки второго плавильного цеха складировались на шлакоотвале, где превращались в ферропыль.

Завод перерабатывает шлаки до 300 тонн. Основным сырьем для производства ферросплавов является хромовая руда Донского горно- обогатительного комбината (г. Хромтау) с содержанием основного компонента 47-50 %.

Печи в основных цехах

На Актюбинском заводе ферросплавов для выплавки ­силикомарганца и углеродистого ферромарганца уста­новлены прямоугольные закрытые печи.

На первом цехе работают 7 основных и 2 дополнительных печей. На втором цехе 7 печей . Обе цехи имеют ферросплавные открытые печи. Новый плавильный №4 цех включает в себя четыре печи постоянного тока нового поколения общей производительностью 440 тыс. тонн высокоуглеродистого феррохрома в год.

В зависимости от осуществляемого технологического процесса электрические печи, предназначенные для производства ферросплавов, разделяют на две основные группы: рудовосстановительные печи и печи для рафинировочных процессов. Рудовосстановительные печи непрерывного действия; в них дуги все время закрыты слоем твердой шихты. В печах с закрытой дугой требуемый металл восстанавливается из руды и сплавляется с железом. Мощность рудовосстановительных печей для производства ферросплавов в настоящее время превышает 48000 кВА. Рафинировочные печи работают подобно сталеплавильным с проплавлением шихты.Плавка в них протекает частично с закрытой, частично с открытой дугой; процесс производства цикличный.

Рудовосстановительные печи непрерывного действия в них дуги все время закрыты слоем твердой шихты. В печах с закрытой дугой требуемый металл восстанавливается из руды и сплавляется с железом.

Ферросплавная открытая печь. Печи могут быть круглыми или прямоугольными. Схема ферросплавной печи, установленной в цехе, приведена на рис. 110. Ко­жух печи сваривается из толстого листового железа и опирается на укрепленные в фундаменте двутавровые.

Открытые ферросплавные печи имеют много недос­татков. Главный из них в том, что через открытый ко­лошник выделяется большое количество тепла и отхо­дящих газов, вследствие чего затрудняется работа обо­рудования и персонала, напрасно сгорает большое коли­чество восстановителя. Эти недостатки устраняются при работе закрытой печи (рис. 111). Закрытая печь мощно­стью 40 MB-A имеет кожух диаметром 10,8 м, высоту плавильного пространства 3,5 м. Свод ферросплавной печи выполняют либо из жаропрочного железобетона, либо из шамотного фасонного кирпича в каркасе из во — доохлаждаемых труб. Свод опирается на перекрытие ко­лошниковой площадки, уплотнение между сводом и ван­ной осуществляется с помощью песочного затвора. В сво­де имеется одно или два отверстия для отсоса печных газов, которые подвергаются очистке. Очистка газов происходит промывкой водой в трубах «Вентури».

Среднее количество отходящих газов для небольшой печи мощностью 7,5 MB-A составляет 200 000 м3/ч, су­точный выброс пыли при выплавке ферромарганца 4,7 т; при производстве ферросилиция 1,2 т. Из этих данных видна необходимость обязательной газоочистки.

Продукция завода

Ферросиликомарганец (силикомарганец) МнС-17. Сплав железа с другими элементами получил название ферросплав, именно к данной категории относится силикомарганец. Кремний, железо и марганец - основные составляющие вещества, гораздо в меньших объемах присутствуют: фосфор, сера и углерод. Второе название ферросплава - ферросиликомарганец 17.

По причине того, что материал является источником марганца и кремния, производство силикомарганца неразрывно связано с выплавкой стали. В ходе химических реакций образуется соединение MnS - сульфид марганца, препятствующий возникновению вредного FeS. Наблюдаются и другие положительные эффекты:

Самый востребованный сорт, реализуемый нами по оптимальной цене - это ферросиликомарганец 17

Производство ферромарганца ФМн 78 ИФМн 88 .Основным оборудованием для изготовления продукта являются закрытые электропечи. В ряде случаев допускается применение открытых конструкций. Форма печей - круглые (с вращением ванны) и прямоугольные. Плавка происходит при следующих показателях:

• мощность до 30 МВА

• напряжение 110-160 В

Более высокое напряжение чревато тем, что могут произойти нарушения в технологическом процессе.

Производство ферромарганца отлажено и ведется в соответствии с актуальными стандартами. Наибольшим спросом пользуются марки ФМн 78 и ФМн 88, обладающие лучшими потребительскими характеристиками. По желанию клиента соотношение входящих в состав компонентов, может изменяться. Подобные коррективы не должны противоречить ГОСТ на ферромарганец.

Феррохром — сплав железа и хрома (около 60 %), применяется для легирования стали и сплавов. Основные примеси — углерод (до ~5 %), кремний (до 8 %), сера (до 0,05 %), фосфор (до 0,05 %). Получают при восстановлении достаточно богатых (с высоким содержанием оксида хрома и высоким отношением оксид хрома/оксид железа) хромитовых руд (или концентратов) углеродистым восстановителем (обычно кокс). Большая часть феррохрома в мире производится в Южной Африке, Казахстане (корпорация «Казхром» группы ENRC) и Индии, так как эти страны имеют большие внутренние ресурсы хромитов. Крупнейшим потребителем феррохрома является производство стали, особенно производства нержавеющей стали с содержанием хрома от 10 до 20 %. Феррохром часто классифицируется по количеству углерода и хрома, которые в нём содержатся.

Основная часть

Физико-химические основы производства высокоуглеродистого феррохрома в печах постоянного тока

4.1.1 Высокоуглеродистый феррохром в УПЗ ПЦ №4 производится на печах постоянного тока единичной мощностью 72 МВт непрерывным процессом с использованием открытой ванны жидкого шлака и металла. Схематическое строение печи указано в Приложении А.

4.1.2 Шихта в печь загружается постоянно через труботечки, расположенные на центральной и периферийной части свода пропорционально мощности печи. Соотношение скорости загрузки шихты к потребляемой активной мощности является ключевым параметром управления технологическим процессом выплавки углеродистого феррохрома в печах постоянного тока, определяющий производительность печи,

температурный режим, стойкость футеровки и т.д.

4.1.3 Восстановление оксидов железа и хрома, хромовых руд твердым углеродом начинается при температуре от 1150 до 1200 ºС и заканчивается при температуре от 1300 до 1400 ºС. При сравнительно невысокой температуре восстановления оксида хрома и железа, температура плавле­ния высокоуглеродистого феррохрома составляет от 1600 °С до 1650 °С. Температура плавления феррохрома зависит от содержания в ней хрома и углерода, и определяется по диаграмме состояния системы Cr-Fe-C (Приложение В).

4.1.4 Для сохранения жидкоподвижности металла процесс необходимо вести с его перегревом от температуры ликвидуса на 50 °С до 100 °С. Перегрев металла осуществляется за счет выбора шлака определенного состава в соответствии с диаграммой состояния системы MgO-Al₂O₃-SiO₂ (Приложение Г). Для формирования шлака необходимого состава и свойств в шихте используют флюсы: кварцит и/или боксит.

4.1.5 Высокоуглеродистый феррохром марки ФХ800, ФХ850, ФХ900 получают путем восстановления оксидов хрома и железа хромовой руды углеродом по следующим общепринятым химическим реакциям:

Cr₂О₃ + 3С = 2Cr + 3СО;                                                                  (1)

2/3 Cr₂О₃ + 18/7С = 4/21 Cr₇С₃ + СО;                                              (2)

FeO + C = Fе + СО;                                                                           (3)

3FeO + 4C = Fе₃С + 3СО.                                                                 (4)

Фактически восстановление оксидов железа и хрома из руд совершается путем более сложных кристаллохимических превращений. Восстановленный до карбида хром растворяется в ранее полученном железе. Продукты восстановления состоят из карбидов железа и хрома (Fe,Cr)₇C₃ и (Fe,Cr)₃C₂. Полученный сложный карбид хрома содержит в себе более 9,5 % углерода.

4.1.6 Для снижения содержания углерода в углеродистом феррохроме необходимо частичное обезуглероживание карбидов хрома содержащим оксиды хрома шлаком по реакции:

Cr₇С₃ + Cr₂О₃ = 9Сr + 3СО.                                                              (5)

Получение стандартного углеродистого феррохрома возможно только при частичном обез­углероживании комплексных карбидов хрома и железа. Образовавшиеся в верхних горизонтах ванны печи капли металла с комплексными карбидами хрома и железа проходят через окислительный шлак и взаимодействуют с оксидами хрома и железа, частично рафинируясь от углерода.

4.1.7 Реакции разрушения карбидов железа и хрома могут происходить при наличии следующих условий:

- необходимой концентрации оксидов хрома в шлаке за счет искусственного создания небольшого недостатка восстановителя, благодаря чему добиваются снижения содержания углерода до определенного уровня;

- высокой температуры процесса за счет подбора оптимального состава шлака;

4.1.8 Технологические особенности процесса выплавки высокоуглеродистого феррохрома в печах постоянного тока приводят к следующим преимуществам перед печами переменного тока:

- прямое использование в шихте мелкой хромовой руды, восстановителей и флюсующих без предварительного их окускования;

- раздельный выпуск металла и шлака через отдельные летки, что значительно снижает потери металла со шлаками при выпуске;

- более высокое извлечение хрома (до 90 %), чем получаемое в традиционных печах

с закрытой дугой;

- независимость от ограничений, налагаемых удельным электрическим

сопротивлением шихты и продуктов реакции в печи;

- более широкий выбор восстановителей, возможность использования в шихте антрацита или спецкокса, избегая, таким образом, зависимости от дорогих

восстановителей, таких как металлургический кокс;

- большая гибкость управления технологическим процессом меньшая инерция, чем в печах переменного тока с наполненной шихтой;

- большая гибкость в управлении электрическим режимом с возможностью независимого выбора тока и напряжения.

4.1.9 Использование открытой ванны жидкого шлака и металла без наличия слоя шихтовых материалов приводит к возникновению следующих недостатков печей постоянного тока:

- низкая тепловая эффективность (КПД) печей постоянного тока, так как из-за излучения открытой дуги и расплавленной ванны теряется больше энергии на стенках и своде печи;

- высокий удельный расход электроэнергии, чем в традиционных печах с закрытой дугой при той же руде;

- высокая тепловая нагрузка на футеровки боковых стен и свода и, соответственно, их низкая стойкость;

- высокая степень испарения продуктов плавки (в частности Mg, SiO) и их вынос отходящими газами.