способ перевода режима работающей печи при выплавке кремнистых ферросплавов с карборундного метода на бескарборундный

Формула изобретения

Способ перевода режима работающей печи при выплавке кремнистых ферросплавов с карборундного метода на бескарборундный, включающий регулирование шихтового, электрического и электродного режимов ее работы путем изменения количества углерода в шихте, отличающийся тем, что осуществляют одновременно следующие операции: выжигание подового гарниссажа путем погружения в ванну печи электродов с рабочими тиглями до околоподового пространства при уменьшении подачи избыточного углерода в шихту вплоть до достижения стехиометрического его количества и ликвидации шихтовой электропроводности при наращивании дуговой электропроводности до 100% и выпускают металл из печи при одновременном контроле всех упомянутых режимов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии, к ферросплавной промышленности, а именно к выплавке кремнистых ферросплавов (рассматривается выплавка ферросилиция ФС-75).

Известен способ выплавки ферросилиция, получивший наибольшее распространение в мире, который заключается в том, что в ванну печи по труботечкам непрерывно подают шихту, состоящую из кварцита, кокса и железной стружки. По самоспекающимся электродам в ванну печи, к рабочим тиглям подводится электроэнергия. Технологический процесс протекает при температуре электрической дуги и, выплавленный металл, скапливающийся в ванне, периодически выпускают из печи в ковш. Особенность технологии такого способа заключается в том, что печи могут работать только при наличии в шихте избыточного углерода (ИУ) по отношению к теоретически необходимому его количеству. Это вызвано тем, что силовые токи идут по пути минимальных электросопротивлений, а это пути с максимальной электропроводимостью. Необходимую температуру в 5-6 тыс. градусов в печи создает электрическая дуга. Для этого необходима дуговая электропроводность (ДЭ). Такую электропроводность создает только электропроводность металла. Если металл находится рядом с рабочим тиглем, то это способствует 100% дуговому режиму печи. В ванне печи, выплавляющей кремнистые ферросплавы, в силу особых карборундных условий рабочие тигли находятся над подовым гарниссажем (ПГ), на высоте 1-1,5 метра выше пода печи. Наплавляемый металл, стекает на под печи. В этом случае в системе общей электропроводности ДЭ может составлять от 10% до 40% и не обеспечивает полной рабочей токовой нагрузки и мощности печи. Чтобы поднять мощность до рабочего состояния, необходима дополнительная электропроводимость. Эта дополнительная шихтовая электропроводность (ШЭ) и поддерживается избытком углерода в шихте. Но не сам избыточный углерод создает шихтовую электропроводность. Попав в рабочий тигель, избыточный углерод не находит кислорода для взаимодействия с ним и реагирует со свободным кремнием, образуя газообразный карборунд. Карборундный газ, заполняя ванну печи, начинает кристаллизоваться на зернах кокса и на своих собственных кристаллах, связывая коксовые зерна карборундной сетью. Это явление и вызывает электрическую проводимость шихты. Вот почему необходимо поддерживать избыточный углерод в шихте. Количество избыточного углерода в шихте колеблется от 1-2% до 10-15% и выше. Однако, чем выше избыток углерода в шихте, тем тяжелее протекает главный технологический процесс, тем в большей мере ухудшаются все производственные показатели, тем чаще возникают и тяжелее протекают технологические расстройства работы печи. Математически выведена зависимость между избытком углерода в шихте и показателями работы печи. В таблице 1 приведены данные карборундной зависимости (КЗ) при производстве ФС 75 в открытой печи (см. В.П. Солошенко, В.И. Ерко, Н.В. Рукавишников - «Некоторые аспекты производства ферросилиция на СЗФ. Современные проблемы металлургии. Том 6. Днепропетровск 2003 г.»). При наличии избытка углерода в шихте, шихта, попав в рабочий тигель (РТ), прореагирует в соответствии со стехиометрией, избыточный углерод в рабочем тигле кислорода не встретит, он прореагирует с уже восстановленным кремнием.

Si+C=SiC (газ)

В.А. Кравченко и С.И. Хитрик отмечают, что карбид кремния при нормальных условиях не плавится и при температуре выше 2600°C частично разлагается на Si и С или возгоняется, не диссоциируя (см. В.А. Кравченко, С.И. Хитрик. О реакциях карбида кремния с металлами и окислами при выплавке ферросплавов. Известия высших учебных заведений, Черная металлургия, 1960, № 4). По данным Каменцева (см. М.В. Каменцев. Искуссвенные абразивные материалы.Машгиз.1950) в интервале 2300-2700°C содержание паров кремния над карбидом кремния не превышает 5-10%, т.е. карбид кремния испаряется, почти не разлагаясь.

Также известно, что порошкообразный SiC возгоняется в атмосфере аргона при 2500°C и осаждается на более холодной подложке в виде чешуйчатых монокристаллов размерами до 2×2 см ² (см. ). Образовавшийся газообразный карборунд, как невостребованный продукт выйдет из рабочего тигля в пространство ванны и уйдет на колошник, где сгорит. При этом происходят как потери кремния, ведущего элемента при выплавке ферросилиция, так и потери электроэнергии, которая была затрачена на восстановление этого кремния. Газообразный карборунд также формирует в ванне печи подовый гарниссаж, который занимает всю нижнюю часть ванной печи до половины ее высоты. Помимо снижения дуговой нагрузки, наличие в ванне печи ПГ препятствует выходу шлака, нарушая технологичность, создает недостаток свободного объема ванны для приема наплавленного металла, при этом высокий уровень металла в ванне приводит к аварийным ситуациям на горне.

Таким образом, избыточный углерод создает условия потери наиболее экономичного полного дугового режима работы печи, однако он необходим для сохранения работоспособности печи за счет дополнительной шихтовой электропроводности. Но тепло, выделяемое шихтовой электропроводностью, техпроцессом используется только частично, как предварительный подогрев шихты. Его основную часть составляют тепловые потери. И.Т. Жердевым было установлено, что в ванне печи к каждому электроду относятся по 3 зоны прогрева. То есть в ванне существуют 3 вида электропроводности: дуговая (ДЭ), шихтовая (ШЭ) и электропроводность расплава (РЭ). Характер распределения электроэнергии по зонам следующий: в шихте выделяется от 60 до 82% энергии, в дуге от 10 до 40%, и в расплаве 6-10%. То, что в дуговой печи, при выплавке ферросилиция дуговая электропроводность занимает в лучшем случае 40% от общей мощности, говорит о крайне неудовлетворительной технологии. В рамках таблицы карборундной зависимости эта технология находится в строках 2-15. Среднегодовые показатели удельного расхода электроэнергии (УРЭ) на выплавке ФС - 75 по отдельным заводам и в разные годы составляют от 9000 до 11500 кВт.ч/т. Основной причиной неудовлетворительной работы печей по данной технологии является избыточный углерод в шихте. Окончательно структурирует технологию производное избыточного углерода - карборунд. В этой связи мы предлагаем именовать эту технологию карборундной. В этой же таблице карборундной зависимости, когда избыточного углерода совсем нет, значит, нет и газовой фазы карборунда в ванне печи. Этот метод работы печи мы предлагаем назвать бескарборундным. На эту технологию при пуске печей с новой ванной за всю историю выплавки кремнистых ферросплавов еще никто не выходил. Однако в производственной практике были случаи спонтанного выхода на бескарборундную технологию. На то же указывает и математический расчет в таблице карборундной зависимости.

Известен метод выплавки ферросилиция, при котором в ванну печи по труботечкам непрерывно подают шихту, состоящую из кварцита, кокса и железной стружки с избытком углерода в шихте (см. В.Е. Лейкин, П.А. Сахарук, Электрометаллургия стали и ферросплавов, Москва, 1960 г.). Основным недостатком этого метода является то, что печь работает с расстройствами технологического характера. Приведенный расчет шихты, рекомендованный для производственников, дает недопустимо большой избыток углерода в шихте, представленный как выход на стехиометрию. В то время как в ванну должно попасть 135 кг сухого кокса, а предлагается 152,28 кг для реагирования с кварцитом, т.е на 12,6% углерода больше теоретически необходимого количества. Известен способ управления технологией электродуговой восстановительной плавки, включающий регулирование шихтового, электрического и электродного режимов, а также изменения избытка или недостатка углерода в шихте, переключения ступеней напряжения, перемещения и перепуска электродов, при котором определяют электрические параметры состояния фаз и зон рабочего пространства шихты, дуги, расплава, их отклонение от заданных на текущий момент восстановительного цикла и осуществляют оперативное регулирование шихтового, электрического и электродного режимов по указанному отклонению (см. пат RU № 2268556, МПК H05B 7/148, F27B 3/08, опубл. 20.01.2006).

Известный способ имеет следующие признаки, общие с заявляемым способом: регулирование шихтового, электрического и электродного режимов путем изменения количества углерода в шихте. Недостатком прототипа является то, что, пытаясь автоматизировать процесс выплавки кремнистых ферросплавов, авторы не обращают внимания на технологические особенности, связанные с наличием карборундных структур в ванне и в шихте, обусловленных присутствием избыточного углерода и являющихся основной причиной нестабильной работы печи.

При фактическом избытке углерода в шихте (только с ним, как было показано выше, могут работать печи), идет трактовка о работе печей то с избытком, то с недостатком углерода в шихте. Имея ввиду то, что центр балансирования, который находится между избытком-недостатком, и есть стехиометрия. Фактически углерод, при котором существует этот баланс, находится значительно выше стехиометрии. При каком избытке углерода работает печь в данный период, мы можем определить, зная удельный расход электроэнергии по табл.1. Это и будет «стехиометрия» на уровне, скажем, в 7-8% избытка. Здесь и будут колебания токовой нагрузки, которые воспринимаются как избыток или недостаток углерода, хотя это колебания электропроводности в ванне печи, вызванные другими причинами.

Задачей настоящего изобретения является разработка специальной переходной технологии, служащей для перевода работающих печей с карборундного метода работы на бескарборундный.

Поставленная задача в способе перевода работы печи на выплавку кремнистых ферросплавов с карборундного метода на бескарборундный, включающем регулирование шихтового, электрического и электродного режимов, а также изменение количества углерода в шихте, решена тем, что осуществляют одновременно следующие операции: выжигание подового гарниссажа путем погружения в ванну печи электродов с рабочими тиглями до околоподового пространства, при уменьшении подачи избыточного углерода в шихту вплоть до достижения стехиометрического его количества и ликвидации шихтовой электропроводности при наращивании дуговой электропроводности до 100%, изменение режима выпусков металла из печи и контроль всех упомянутых режимов.

Новым в изобретении, которое заявляется, является то, что одновременно осуществляют следующие операции: выжигание подового гарниссажа путем погружения в ванну печи электродов с рабочими тиглями до околоподового пространства, при уменьшении подачи избыточного углерода в шихту вплоть до достижения стехиометрического его количества и ликвидации шихтовой электропроводности при наращивании дуговой электропроводности до 100%, изменение режима выпусков металла из печи и контроль всех упомянутых режимов.

Поставленная задача решена с помощью переводной технологии, включающей в себя следующие мероприятия, проводимые постепенно и одновременно:

1) Ликвидация подового гарниссажа за счет его выжигания

2) Погружение в ванну печи электродов и рабочих тиглей до околоподового пространства

3) Снижение избытка углерода в шихте до нуля

4) Ликвидация электропроводностей шихты и расплава с одновременным наращиванием дуговой электропроводности до 100%.

Приведенные мероприятия позволяют выйти из режима карборундной технологии и перейти в режим работы бескарборундной технологии, с производственными показателями, соответствующими данным, приведенным в табл.1 при 0 избытке углерода в табл.1.

Техническим результатом настоящего изобретения является ввод печи в устойчивую работу и достижение минимальных расходов сырья и электроэнергии на выплавленную тонну металла (5,52 колоши шихты и 8000 кВт.ч/т на открытых печах и в закрытых печах 7850 кВт.ч/т), и, как следствие, увеличение производительности печей на 10-30% в зависимости от принятого состояния печи на момент начала перевода работы, избавление от технологических расстройств, снижение аварийности и горячих простоев печей на 75-80%, возможность перевода высокопроцентного ферросилиция в закрытый режим (под свод), увеличение использования ведущего элемента до 100% за счет прекращения образования карборунда, улучшение качества металла за счет снижения восстанавливаемости примесей (Al, Са, Mg) и отсутствие выбросов кремнеземистой пыли в атмосферу.

Суть настоящего изобретения заключается в том, что для перевода печей из карборундной технологии в бескарборундную создана специальная переводная технология, в которой заложены технические и технологические мероприятия, которые позволяют одновременно выплавлять металл, освобождать ванну от карборундных структур типа подового гарниссажа, и электропроводимостей шихты и расплава, наращивая дуговую электропроводность, что позволит снижать избыток углерода в шихте, образование газообразного карборунда в атмосфере ванны, позволяет опускать электроды и рабочие тигли в район околоподового пространства до полной ликвидации подового гарниссажа, избавиться от излишних электропроводностей и подойти к отсутствию избыточного углерода в шихте.

Заявленный способ был проверен экспериментально.

На Серовском заводе ферросплавов (1961 г.) спонтанно был осуществлен переход промышленной печи, выплавлявшей ФС-75, на бескарборундный метод работы. В цеху № 1 печь № 3 проработала в устойчивом технологическом режиме по бескарборундному методу 3 месяца, затем была переведена на выплавку силикохрома. При этом удельный расход электроэнергии составил 8000 квт.ч/т.

Единственно удобным сплавом для перевода в бескарборундный метод является ФС-75. После этого при необходимости можно перевести печи на любой из сплавов ферросилиция вплоть до кристаллического кремния, придерживаясь при этом стехиометрии по кремнию, железу и главное по углероду, чтобы не уйти в карборундный режим. Для кристаллического кремния желательно подобрать необходимый восстановитель. Что бы иметь возможность с достаточной точностью контролировать стехиометрию по углероду, необходимо исключить из шихты древесный уголь при переводе печи и при дальнейшей ее работе.

Таблица 1
Избыток углерода в шихте %	Количество карборундных колош на тонну сплава (перерасход шихты)	Перерасход электроэнергии кВтч/на тонну сплава	УРЭ на тонну сплава	Извлечение кремния в %
0	0	0	8000	100
1	0,1126	163	8163	98
2	0,23	333	8333	96
3	0,3525	510	8510	94
4	0,48	696	8696	92
5	0,6133	889	8889	90
6	0,7527	1091	9091	88
7	0,8986	1303	9303	86
8	1,0514	1524	9524	84
9	1,2117	1757	9757	82
10	1,38	2000	10000	80
11	1,5569	2257	10257	78
12	1,743	2527	10527	76
13	1,9394	2812	10812	74
14	2,1466	3112	11112	72