Процессы и аппараты технологии получения алюмокремниевых сплавов электротермическим способом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

ФГБОУ ВПО ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлургии цветных металлов

Курсовая работа по дисциплине

Металлургия лёгких металлов

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОКРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Выполнил студент группы МЦз - 09

А.А. Демин

Иркутск 2014 г.



СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

2.1 Требования к сырью

2.2 Теоретические основы восстановления алюмосиликатов углеродом

2.2.1 Восстановление кремнезема углеродом

2.2.2 Восстановление оксида алюминия углеродом

2.2.3 Восстановление алюмосиликатов углеродом

2.3 Технология выплавки алюминиево-кремниевых сплавов

2.4 Электропечи для выплавки сплавов

2.5 Газоотвод и газоочистка

2.6 Материальный и тепловой балансы процесса плавки

3. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИЛУМИН

4. ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМОКРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ВЫВОД

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



1. ВВЕДЕНИЕ

Значительная часть алюминия применяется в различных отраслях промышленности в виде сплавов на его основе. Из общего количества алюминиевых сплавов, используемых в промышленности, литейные алюминиево-кремниевые сплавы занимают 30-40%. В последние годы наметилась тенденция к увеличению доли производства алюминиево-кремниевых сплавов.

Существовавшая до последнего времени единственная технология производства литейных алюминиево-кремниевых сплавов предусматривала сплавление чистого алюминия с кристаллическим кремнием и другими присадками. В условиях широкого применения литейных алюминиево-кремниевых сплавов и сокращения запасов высококачественного сырья для производства алюминия методом электролиза криолито-глиноземных расплавов оказывается более эффективным получение этих сплавов методом прямого восстановления в руднотермических электропечах.

Как известно, электротермический способ производства обладает целым рядом преимуществ перед электролизом в расплавленных солях. Он позволяет заменить большое количество относительно небольших малоэффективных (использование тепла в них 30-35%) электролизных ванн на теплотехнически более выгодные высокопроизводительные агрегаты. Кроме того, к сырью для прямого восстановления предъявляются менее жесткие требования, чем к сырью для электролиза, что исключает целый ряд дорогостоящих переделов, не выделяются высокотоксичные фтористые соединения и облегчается улавливание и очистка выделяющихся газов; расширяется сырьевая база производства алюминия.

В нашей стране в промышленном масштабе осуществлен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов, содержащих около 60% алюминия, методом восстановления в руднотермических электропечах большой мощности с последующим разбавлением полученного сплава алюминием.

При работе по этому способу исключено производство электролитического алюминия, проще аппаратурное оформление процесса и меньше капитальные затраты, а также используются новые виды сырья, уменьшается расход электролитического алюминия на 20-25% и полностью исключается применение чистого кремния.



2. ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Технологическая схема промышленного получения алюминиево-кремниевых сплавов методом восстановления в электропечах большой мощности включает следующие этапы: дробление и дозирование исходных сырьевых материалов, смешение, окускование и сушка окускованной шихты; восстановление шихты в рудовосстановительных электропечах с получением первичного алюминиево-кремниевого сплава; рафинирование полученного сплава от неметаллических включений; переработка рафинированного сплава на конструкционные алюминиево-кремниевые сплавы.

2.1 Основные требования к сырью

алюминиевый кремниевый сплав электропечь

В качестве сырья для прямого получения алюминиево-кремниевых сплавов путем рудовосстановительной плавки могут быть использованы различные природные алюмосиликаты: каолины, кианиты, силлиманиты, дистенсиллиманиты. Установлено, что удельный расход электроэнергии на выплавку сплава практически не зависит от минералогического состава кремнезем-глиноземного сырья. Это объясняется тем, что теплота превращения одних модификаций в другие и разница в тепловых эффектах муллитизации различных модификаций кремнезем-глиноземистых веществ незначительны по сравнению с тепловым эффектом реакции восстановления глинозема и кремнезема.

Основным требованием к исходным рудам является ограничение содержания примесей железа, титана, кальция и щелочных металлов. При повышенном содержании примесей железа и титана в сырье невозможно получать кондиционные литейные сплавы в соответствии с существующими требованиями. Для удаления из сплава примесей необходима специальная металлургическая очистка.

Ограничения содержания оксида кальция обусловлены его способностью к шлакообразованию в процессе рудовосстановительной плавки. Восстановленный кальций, содержащийся в сплаве, удаляется в процессе рафинирования.

При наличии щелочей в сырье происходит спекание колошника, а при большом их количестве - и оплавление.

Следует ограничивать содержание оксида магния, так как на его восстановление и испарение затрачивается энергия, что приводит к увеличению расхода электроэнергии. Общим требованием ко всем видам глиноземсодержащего сырья является ограничение суммы оксидов железа и титана, которая не должна превышать 1,5%.

Тип используемого восстановителя в основном определяет физико-химические свойства шихты и показатели технологического процесса. Для процесса получения алюминиево-кремниевых сплавов главным физико-химическим свойством углеродистых восстановителей является величина объемного содержания восстановителя в шихте, или степень развитости его поверхности на единицу твердого углерода. От этого свойства зависит тугоплавкость шихты, характер спекания брикетов на колошнике печи, газопроницаемость и равномерность схода шихты в процессе плавки.

Величина пористости окомкованной шихты мало изменяется в зависимости от типа углеродистых восстановителей, поэтому не является определяющим фактором для выбора типа восстановителя и методов окускования шихты. Относительная механическая прочность брикетов обратно пропорциональна объемному содержанию восстановителя в шихте.

Требования, предъявляемые к углеродистым восстановителям, зависят от типа используемого глинозем-кремнеземсодержащего сырья (каолин, кианит и др.) и содержания алюминия в сплаве.

Основные требования к углеродистым материалам: минимальное содержание золы и главным образом-примесей железа и титана, отрицательно влияющих на выход продукции при дальнейшей переработке сплава; повышенная реакционная способность и низкая электропроводность; способность совместно с другими компонентами шихты к окомкованию, обеспечивающая достаточную механическую прочность и термостойкость гранул или брикетов в условиях руднотермической плавки; обеспечение равномерного схода шихты и высокой газопроницаемости колошника печи при плавке.

2.2 Теоретические основы восстановления алюмосиликатов углеродом

2.2.1 Восстановление кремнезема углеродом

Общие закономерности восстановления кремнезема углеродом могут быть определены путем термодинамического анализа системы Si-O-C.

Основными суммарными реакциями, связанными с получением кремния, являются:

SiO₂ + C = SiO + CO; SiO₂ + 3C = SiC + 2CO;

SiO₂ +2SiC =3Si+ 2СО; SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

в идеальных условиях, когда не накапливается в печи карбид кремния и не происходит улетучивания оксида кремния (II)-SiO, реакция восстановления протекает по последнему уравнению.

Термодинамические расчеты показывают, что образование карбида кремния и элементарного кремния вероятно при температурах соответственно более 1525 и 1650^° C.

На основе кинетических исследований, химического, кристаллооптического и рентгеноструктурного анализа продуктов взаимодействия кремнезема с углеродом подтверждена определяющая роль в восстановительном процессе промежуточных соединений-оксида кремния (II) и карбида кремния. Процесс идет с участием оксида в газообразном состоянии. Таким оксидом в системе Si-O-C может быть только SiO.

Заметное восстановление SiO₂ из окомкованных шихт начинается при 1300^° C и резко возрастает до 1450^° C. При дальнейшем повышении температуры до 1900^° C суммарная скорость процесса изменяется практически прямо пропорционально температуре. Единственным конденсированным продуктом восстановления является карбид кремния. Скорость карбидообразования значительно возрастает при температуре около 1600 ^° C, что находится в соответствии с данными термодинамических расчетов.

В начальный момент кинетика процесса обеспечивается появлением жидкой фазы (при 1400^° C и выше) и поверхность соприкосновения между оксидом кремния и углеродом становится большей.

По мере повышения температуры наблюдается улучшение кристаллизации карбида кремния и рост размера зерен; при 2000-2200^° C он представлен гексагональной разновидностью.

Кремний в зависимости от соотношения кремнезема и углерода в шихте появляется при 1800-1900^° C.

При восстановлении кремнезема углеродом имеет место перенос активных частиц оксида к восстановителю и адсорбция на нем, химическое взаимодействие оксида и углерода с образованием твердого продукта и десорбция газообразных оксидов углерода с поверхности восстановителя.

В связи с указанным большое влияние на эффективность восстановительного процесса имеет способность углеродных материалов к сорбции оксида кремния (II)-SiO. Для предварительной оценки реакционной способности восстановителя может служить величина его удельной поверхности или насыпная масса.

2.2.2 Восстановление оксида алюминия углеродом

Восстановление оксида алюминия углеродом является более сложным процессом, чем восстановление кремнезема. Основным отличием восстановления углеродом оксида алюминия от восстановления кремнезема является способность последнего разлагать образующиеся карбиды. Оксид алюминия в условиях протекания восстановительной плавки не способен разлагать образующиеся карбиды и оксидкарбиды алюминия.

По аналогии с восстановлением кремнезема можно представить процесс восстановления оксида алюминия следующими суммарными реакциями:

Al₂O₃+ 3C = 2Al + 3CO; 4Al + 3C = Al₄C₃;

2Al₂O₃ + 9C = Al₄C₃ + 6CO.

В результате восстановления получается смесь металлического алюминия 60-80% карбида алюминия 20-35% и оксида алюминия 3-5%.

Термодинамический анализ системы Al-O-C дает ориентировочное представление о протекании процесса в связи с недостаточной надежностью термодинамических данных промежуточных соединений и отсутствием надежных данных о взаимной их растворимости.

Взаимодействие оксида алюминия с углеродом до 1650°C протекает в небольшой степени. В результате реакции образуется алюминиевая шпинель Al₃O₄. С ростом температуры и появлением жидкой фазы взаимодействие резко возрастает. Образованием жидкой фазы обусловливается ускорение процесса. Основным конденсированным продуктом восстановления на этой стадии является карбид алюминия, содержание которого возрастает до 1950°C. Металлический алюминий появляется при 1900°C.

В процессе восстановления при температурах, близких к 2000°C, содержание карбида алюминия снижается и одновременно возрастает содержание свободного углерода, что обусловлено разложением карбида алюминия.

При взаимодействии глинозема с углеродом имеют место потери алюминия в виде субоксида - Al₂O, а при температурах выше 2050°C и в виде парообразного алюминия. Это приводит к снижению содержания металлического алюминия в конденсированных продуктах восстановления.

При восстановлении углеродом глинозема, как и кремнезема, кинетику процесса определяют два фактора: появление жидкой фазы и субоксида алюминия Al₂O, которые обеспечивают необходимый контакт между оксидом и углеродом.

Механизм взаимодействия оксида алюминия с углеродом аналогичен таковому для кремнезема.

2.2.3 Восстановление алюмосиликатов углеродом

Восстановление алюмосиликатов углеродом. Процесс совместного восстановления оксидов алюминия и кремния основан на свойстве SiO₂ вступать во взаимодействие с карбидом алюминия по реакции

2Al₄C₃ + 3SiO₂ = 8Al + 3Si + 6CO

При восстановлении алюмосиликатов карбид алюминия практически не образуется.

Процессы восстановления различных алюмосиликатов, а также маложелезистых бокситов и механических смесей оксидов алюминия и кремния имеют много общего. Первичным является процесс муллитизации, Максимальное развитие муллитизации наблюдается при использовании силлиманита, меньшее-каолинита, в еще меньшей степени муллитизация протекает при использовании смесей оксидов. Существенного различия в поведении тех или других алюмосиликатов при их восстановлении не наблюдается. На кинетику процесса оказывает влияние не столько природа минерала, сколько соотношение оксидов кремния и алюминия в шихте.

При восстановлении алюмосиликатов первым восстанавливается SiO₂-оксид кремния (IV), или кремнезем; этот процесс не зависит от восстановления оксида алюминия. Разница в температурах начала заметного их восстановления значительна. К началу восстановления оксида алюминия большая часть кремнезема переходит в карбид кремния.

Восстановление кремнезема из алюмосиликатов и смесей оксидов алюминия и кремния в связи с избытком углерода протекает в более благоприятных условиях и завершается при более низких температурах, чем восстановление одного кремнезема.

Восстановление оксида алюминия протекает за счет оставшегося углерода, а после его израсходования - за счет карбида кремния. В этой связи восстановление оксида алюминия протекает в менее благоприятных условиях по сравнению с восстановлением оксида кремния. Особенно неблагоприятны условия заключительной стадии процесса, когда газообразный субоксид алюминия реагирует с карбидом кремния.

Образование алюминиево-кремниевого сплава начинается при температуре около 1800°С, и с этого момента содержание карбида кремния уменьшается.

Появление жидкой фазы при совместном восстановлении оксидов алюминия и кремния наблюдается при более высокой температуре, чем при восстановлении одного кремнезема.

Относительное расположение углеродных материалов по степени активности при восстановлении кремнезема сохраняется и при восстановлении оксида кремния из алюмосиликатов. О влиянии же углеродного материала на процесс восстановления оксида алюминия из алюмосиликатов можно сказать, что здесь воздействует не столько восстановительная активность и адсорбционная способность к Al₂O, сколько структура образовавшегося карбида кремния. В этой связи требования к углеродным материалам для восстановления алюмосиликатов должны базироваться на основе получения в процессе восстановления мелкозернистого карбида кремния с максимально развитой и активной поверхностью.

Для оценки эффективности электротермического способа производства пользуются коэффициентом извлечения () Этот коэффициент учитывает степень извлечения полезных составляющих из шихты в процентах и определяется как отношение количества полученного металла (P₁ кг) к количеству этого металла (P₂ кг), поступившего на восстановление в руднотермическую печь с шихтовыми материалами:

.

2.3 Технология выплавки алюминиево-кремниевых сплавов

Для осуществления непрерывного процесса в руднотермической электропечи необходимо применение шихты в окомкованном виде, так как при применении мелкая шихта оказывает значительное сопротивление прохождению реакционных газов, что затрудняет протекание процесса. Кроме того, при работе на мелких материалах много их теряется вследствие пылеуноса.

Окомкованне шихты можно производить тремя способами: агломерацией, грануляцией и брикетированием. Для осуществления агломерационных методов окомкования руды в производстве алюминиево-кремниевого сплава. требуются цементирующие материалы типа содового раствора. Процесс ведется на ленточных агломерационных машинах с просасыванием воздуха через шихту. Сложность получения в этом случае однородного по своим качествам агломерата тормозит применение этого процесса.

Гранулы или «окатыши» размером до 50-60мм. получают из мелкоизмельченной шихты при добавлении в нее связующего. В качестве связующего могут быть использованы каменноугольные пеки, глины или так называемый сульфитный щелок. Основными требованиями, предъявляемыми к связующему, являются: отсутствие в их составе вредных примесей и способность смачивать материалы шихты. Наиболее удовлетворяет этим требованиям сульфитный щелок - продукт переработки древесины с помощью бисульфата кальция. Производство «окатышей» на тарельчатых грануляторах осложняется необходимостью получения гранул примерно одного размера, тогда как они в значительном количестве получаются мелкими, не пригодными для рудовосстановительной плавки.

Наиболее распространено брикетирование шихты. При правильном дозировании и хорошем смешении шихтуемых материалов получаются однородные по свойствам брикеты, удовлетворяющие требованиям электроплавки. Как правило, для получения шихты заданного состава применяется автоматизированный весовой способ дозирования. Материалы шихты смешиваются в смесителях непрерывного действия, где одновременно со смешиванием шихта уплотняется.

Для брикетирования применяют прессы валкового типа; на поверхность валков насаживают стальные бандажи с симметрично расположенными полуовальными или шаровыми углублениями. Усилие прессования брикетов подбирают таким образом, чтобы полученные брикеты имели достаточно высокую газопроницаемость и в то же время были плотными, не разрушались при дальнейшей обработке, транспортировке и в процессе плавки.

Брикетированную шихту перед загрузкой в руднотермическую электропечь подвергают сушке. Эта операция во многом влияет на прочность брикетов. С уменьшением в брикетах влаги от 12-14% механическая прочность их поднимается до 10,0-15,0 МПа. В то же время температура сушки должна быть достаточно низкой, чтобы не допустить возгорания восстановителя, входящего в состав шихты. Сушку брикетов осуществляют в туннельных печах или на конвейерных устройствах с газовым или электрическим обогревом.

Электрический режим выплавки алюминиево-кремниевого сплава зависит от типа и мощности руднотермичесной печи и указан в рабочей технологической инструкции. Работа печей с отклонением от заданного электрического режима допускается лишь после перепуска электродов и после простоев печи, когда необходимо постепенное повышение мощности. Разогрев печей после капитального ремонта ведут, постепенно набирая мощность.

Сушку и предварительный разогрев ванны после продолжительных простоев и капитальных ремонтов осуществляют с помощью газового нагрева. Формирование и коксование электродов в случае применения самообжигающихся электродов осуществляются одновременно с разогревом ванны печи.

Загрузку шихты и подъем уровня колошника производят постепенно, в течение 10-15 суток непрерывной работы печи. Очередной перепуск электродов на печи после ее остановки на текущий ремонт или после длительного простоя осуществляют не ранее, чем через 2-3часа работы.

Загрузка брикетированной шихты из печных бункеров на колошник печи осуществляется через течки золотниковыми питателями с дистанционным управлением. Загрузку шихты следует производить по мере ее схода и образования вокруг электродов конусов из шихты. Свежую холодную шихту загружают после предварительной опиковки колошника в местах прогаров или проседания шихты у электродов.

В процессе плавки необходимо добиваться: равномерного выделения газов по всей поверхности колошника, не допуская образования так называемых «свищей»; глубокой и устойчивой посадки электродов в шихте и свободного выхода сплава из летки. Глубокая и устойчивая посадка электродов достигается соблюдением установленной дозировки шихты, выдерживанием электрического режима по заданным соотношениям тока к напряжению, своевременной разработкой шахт вокруг электродов и периодической корректировкой хода печи замесами из смеси необходимых компонентов.

Не допускается усиленного схода шихты и обвалов гарниссажа в середине колошника и в междуэлектродных зонах во избежание увеличения шлакообразования и нарушения сообщения между подэлектродными зонами - тиглями. Для предупреждения обвалов гарниссажа и активизации работы середины колошника, а также для компенсации выгоревшего из брикетов углерода периодически загружают восстановитель на середину колошника и в междуэлектродные зоны.

При больших отклонениях от заданного содержания углерода в шихте загружают в печь корректирующую шихту. При избытке восстановителя в шихте загрузку корректирующей смеси производят после предварительного снижения уровня колошника у электродов, последующей подачи свежих брикетов и наведения равномерных конусов у электродов. При недостатке восстановителя эту смесь подают в места усиленного спекания и замедленного схода шихты. Для уменьшения выгорания угля смесь прикрывают свежими порциями шихты из брикетов.

Сплав выпускают из печи непрерывно через рабочую летку в ковш, футерованный одним рядом шамотного кирпича и внутренним слоем формовочного песка, набиваемого пневмомолотком с помощью шаблона. Ковш устанавливают под летку просушенным и прогретым.

Летка должна быть глубокой и свободной от шлака, для чего во время выпуска сплава ее периодически прожигают электрической дугой с помощью графитового электрода. Прожиг летки должен быть кратковременным и эффективным. При ухудшении выхода сплава и шлака осуществляют глубокое зондирование летки деревянной жердью; затем летку разогревают электрической дугой. При больших затруднениях выпуска сплава прожиг летки осуществляют кислородом. При этом принимают меры предотвращения загрязнения сплава железом. При необходимости на период ремонтов или в других случаях летку закрывают огнеупорной смесью.

Технологическое обслуживание колошника печи осуществляется специальными самоходными машинами с индивидуальным приводом. Чаще используют машины на электрическом ходу. Если в конструкции печи не предусмотрены загрузочные течки, то загрузка, шихты осуществляется самоходными завалочными машинами.

2.4 Электропечи для выплавки сплавов

Электрические рудовосстановительные печи в зависимости от специфических условий процесса восстановления тех или других компонентов строят на мощность от 5000 кВ•А до более 100000 кВ•А. Такие печи имеют круглую, овальную или прямоугольную ванну, в которую введены, как правило, три или шесть электродов.

По сравнению с известными ферросплавными процессами для выплавки алюминиево-кремниевых сплавов требуется более низкое напряжение при большой силе тока. Повышенное напряжение и связанный с этим подъем электродов вызывает рассеяние энергии вместо требуемой концентрации ее, особенно в нижней зоне шахты печи.

Электрический обогрев рудовосстановительных печей может быть осуществлен различными способами. В одних случаях можно применять обогрев теплом горения электрической дуги, в других - нагрев электросопротивлением.

В производстве алюминиево-кремниевых сплавов применяются электрические печи мощностью 15000-35000 кВ•А (Рис.1).



Рис.1. Руднотермическая электропечь РКО-16,5-Кр. 1-короткая сеть; 2-зажимное кольцо; 3-устройство для перепуска электродов; 4-гидроподъемник; 5-механизм вращения; 6-аппарат для прожига леток.

В связи с необходимостью периодической обработки колошника эти печи открытого типа. Ванна имеет круглую форму и снабжена механизмом вращения вокруг центральной оси. В результате вращения ванны огнеупорная футеровка получает более однородную тепловую нагрузку и значительно уменьшается количество спеков внутри шахты.

Металлический кожух ванны футерован изнутри огнеупорным кирпичом и обожженными угольными блоками. При правильно подобранных геометрических параметрах печи и электрическом режиме плавки в шахте ванны всегда образуются и сохраняются гарниссажи, защищающие футеровку от разрушения.

Загрузка материалов происходит с площадки печи.

Открытая печь оборудована газосборными колпаками, которые закрываются шторами. Шторы при необходимости можно открыть. При нормальной эксплуатации шторы почти полностью закрывают печь, отчего значительно сокращается подсос воздуха.

Газосборный колпак подвергается действию не только электромагнитных сил, но и высоких температур, а также химическому воздействию агрессивных веществ. Поэтому он изготавливается преимущественно из немагнитных, жароупорных и химически стойких сортов стали. К крышке газосборного колпака подведены газоходы вытяжной вентиляции, а также предусмотрены отверстия для электродов и в большинстве случаев для течек подачи шихты.

Электроды печей для выплавки алюминиево-кремниевых сплавов могут быть как самообжигающимися, так и предварительно обожженными. Выбор типа электродов обусловлен экономической целесообразностью.

Самообжигающиеся электроды формируются в металлическом кожухе, преимущественно стальном, который по мере сгорания электродов переходит в сплав, ухудшая его качество. При использовании высококачественной шихты или применении алюминиевых сплавов для изготовления кожухов электродов предпочтение отдается самообжигающимся электродам как более экономичным.

При работе на предварительно обожженных электродах возможно несколько снизить требования, предъявляемые к сырью, и, следовательно, расширить сырьевую базу. В любом случае с применением обожженных электродов улучшаются условия труда и снижаются потери сплава при рафинировании. В настоящее время промышленностью выпускаются такие электроды диаметром до1400мм.

Наиболее сложным узлом в конструкции рудовосстановительной электропечи является электрододержатель. Назначение электрододержателя: обеспечивать электрический контакт между токопроводящими щеками и электродом; удерживать и перемешать электрод в печи по мере необходимости; осуществлять перепуск электрода по мере его окисления.

Электрододержатели подвергаются термическим, механическим, химическим и электромагнитным воздействиям и в значительной мере определяют надежность и время работы электропечи. Для самообжигающихся и предварительно обожженных анодов конструкция электрододержателей принципиально не отличается. Электрододержатель должен быть сконструирован так, чтобы иметь гарантию непрерывного движения токоподводящих щек для самообжигающихся анодов. Он должен иметь мощное водяное охлаждение, которое позволяло бы токоподводящим контактным щекам с зажимным кольцом двигаться вблизи поверхности шахты, не подвергаясь термическому разрушению.

Токоподводящие щеки выполняются водоохлаждаемыми из электропроводных сплавов, как правило, на основе меди. Устройства для прижатия щек могут быть винтовыми, пружинными или гидравлическими. Для восприятия радиальных усилий при зажатии электрода контактными щеками предусматривается специальное водоохлаждаемое кольцо.

Для удержания электродов и выполнения операций их перепуска по мере окисления в конструкции печи имеются два прижимных кольца с пневматическим или гидравлическим приводом. По конструктивному оформлению эти кольца похожи на зажимное устройство контактных щек.

Привод для осуществления операций перепуска электрода устроен таким образом, что в то время как одно из прижимных колец удерживает электрод, второе из них перемешается в вертикальном направлении. Для маневрирования электродами во время плавки служит механизм перемещения электродов с электромеханическим или гидравлическим приводом. На больших печах с несколькими электродами для удержания электрододержателя и его перемещения в вертикальном направлении, как правило, применяются гидроподъемные устройства для каждого электрода. Все операции управления механизмами электропечей осуществляются дистанционно с пульта управления.

От конструкции электрододержателя сильно зависят индуктивные потери токоподвода: держатель препятствует перекосу электродов и позволяет осуществлять перепуск при полной токовой нагрузке.

Для установления желаемой мощности служат ступени напряжения трансформаторов. Изменением положения электродов достигается постоянство мощности в определенном состоянии процесса эксплуатации электропечи и симметричность распределения мощности по электродам.

Электрический режим определяется оптимальными для данного процесса размерами печи. На основе выбранных размеров печи устанавливают диапазоны напряжения и силы тока одного или нескольких трансформаторов, а также конструируют шинопроводы.

Исходя из производительности рудовосстановительной печи и конечного ее продукта, при расчете получают необходимую мощность установки. Напряжение на электродах определяют для каждого металлургического процесса, а затем определяют силу тока и диаметр электродов.

Конечным результатом расчета печи наряду с установлением электрических характеристик является ее общая геометрия.

Электроэнергию для заводов по производству сплавов, как правило, подводят от сетей высокого напряжения. К высоковольтному вводу подсоединяют либо трансформатор печи, либо регулирующий трансформатор.

Миниыизация потерь мощности обусловливается небольшим сопротивлением проводников вторичной цепи, подходящих к электродам. К этим проводникам по причине сильных электромагнитных полей, которые образуются в самой узкой зоне, подводится еще и индуктивное реактивное сопротивление, которое снижает коэффициент мощности. Хорошая компенсация достигается, если вторичное трехфазное включение располагается вблизи печи или непосредственно у электродов, а токопроводы расположены в шахматном порядке.

Если дальнейшее уменьшение индуктивной реактивной мощности путем конструктивных мероприятий невозможно, а нужно повысить коэффициент мощности, применяют подключение емкостной реактивной мощности, т. е. присоединяют к цепи конденсаторные батареи.

В отечественной практике питание трехэлектродных электрических печей для получения алюминиево-кремниевого сплава осуществляется от группы из трех однофазных трансформаторов, соединенных на «звезду» или «треугольник». Для регулирования электрического режима печные трансформаторы снабжены несколькими ступенями напряжения.

2.5 Газоотвод и газоочистка

При выплавке алюминиево-кремниевого сплава с использованием электропечи мощностью 16500 кВ•А за каждый час выделяется выше 150000м³ различных газов. Эти газы увлекают с собой в виде мелких частичек (пыли) продукты конденсации разложившихся и испарившихся компонентов шихты и сплава. Содержание пыли в газах составляет 1-1,3 г/м³

Пыль содержит в основном Al₂O₃ до 50% SiO₂ около 30 %, а также оксиды других элементов. В отходящем газе содержится SO₂ до 200 мг/м³ (приведено к нормальным условиям).

Пыль и газы, выделяющиеся из печи, улавливаются газосборными укрытиями и по системе газоходов направляются на очистку. Для очистки газов применяются установки сухой и мокрой очистки. К установкам сухой очистки относятся электрофильтры и рукавные фильтры. Для мокрой очистки применяются различные аппараты, позволяющие производить улавливание твердых частиц орошением водой или слабыми газопоглощающими растворами.

Доля мелкой фракции в пыли реакционных газов процесса восстановления алюминиево-кремниевого сплава очень велика, что затрудняет ее осаждение.

В отечественной практике для очистки реакционных газов применяются турбулентные промыватели, орошаемые слабым содовым раствором для улавливания и нейтрализации в газах серусодержащих соединений.

Очищенный газ проходит через систему циклонов-каплеуловителей и направляется в вентиляционную трубу. Растворы собираются в баки-отстойники, где осветляются и вновь поступают в систему газоочистки.

2.6 Материальный и тепловой балансы процесса плавки

Анализ материальных балансов процесса производства алюминиево-кремниевых сплавов при оптимальных режимах плавки показывает, что при использовании в качестве сырья каолина и глинозема, а в качестве восстановителя - каменного угля и нефтяного кокса можно достичь весьма высокого извлечения в сплав основных компонентов. Так, в первичный сплав (с учетом настылей, образующихся при рафинировании) переходит 88-92% Al и 90-95% Si. Характерно, что в металлической фазе алюминия содержится на 10-15% больше, чем кремния. Основные статьи потерь - пылеунос с отходящими газами и переход в неметаллическую фазу. Последнее в большей степени характерно для кремния.

Материальные балансы показывают, что железо и титан полностью восстанавливаются и переходят в металлическую фазу первичного сплава, что следует помнить при выборе сырьевых материалов и конструкции печей.

Тепловые балансы показывают, что на основные реакции восстановления расходуется до 80% тепла, подводимого к ванне электропечи; до 10% тепла расходуется на дегидратацию каолина и нагрев влаги, а также на коксование самообжигаюшегося анода. Основные статьи потерь - расход тепла на шлакообразование, потери тепла с отходящими газами и теплоотдача через корпус печи. Потери тепла на шлакообразование составляют около 5%, а потери с отходящими газами - около 4%.

Уменьшения потерь по этим статьям можно добиться в результате работы на оптимальных технологических и электрических режимах, при уменьшении количества «свищей», а также при повышении качества брикетов (повышении точности дозирования исходных компонентов и повышении механической прочности брикетов).

Дальнейшее значительное улучшение технико-экономических показателей производства алюминиево-кремниевых сплавов может быть достигнуто в результате осуществления следующих мероприятий: разработки эффективной схемы рафинирования сплава - сырца при минимальных потерях металлов; переработки металлизированных отходов рафинирования в рудовосстановительных электропечах, что позволит сократить потери металлов и частично реализовать затраты тепла на восстановление металла, увлекаемого шлаками; уменьшения шлакообразования в рудовосстановительных электропечах.



3. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ СИЛУМИН

Как известно, в ассортимент продукции выпускаемой алюминиевыми заводами России входит алюминиево-кремниевый сплав - силумин, который содержит 10 - 12 % Al и 88 - 90 % Si. Силумин является литейным сплавом, обладающим высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью. Силумин широко применяется в автомобильной промышленности и самолётостроении. Обычно этот сплав получают путём сплавления в миксере чистого алюминия и кремния. Основным недостатком этого способа является высокая себестоимость получаемого металла.

Производство силумина электротермическим способом позволяет значительно снизить затраты на его получение за счёт высокой удельной производительности агрегата. Так в одной промышленной электропечи за сутки можно выплавить около 30 т металла, в то время как 1 электролизёр даёт 500 кг.

Электротермический способ производства силумина заключается в углетермическом восстановлении алюмосиликатов в дуговой электропечи. В дуговых электропечах прямого нагрева преобразование электрической энергии в тепловую осуществляется путём горения дуги между графитовым электродом и поверхностью металла.

Сырьём для получения алюмокремниевого сплава являются природные алюмосиликаты:

дистен - силлиманит - кианит - андалузит

Основным требованием к алюмосиликатным материалам является минимальное содержание железа, т.к. его повышенное содержание приводит к значительным потерям сплава при рафинировании.

В качестве восстановителя используются древесный уголь, коксовая мелочь, малозольные угли.

Технологическая схема получения алюмокремниевого сплава электротермическим способом представлена на схеме.

Подготовка шихты для плавки заключается в дроблении и измельчении дистен - силлиманитов и восстановителей, дозировке всех компонентов, их смешениии в присутствии связующего. В качестве связующего обычно используется отход гидролизного производства - сульфитно - щелочная барда. Полученную смесь брикетируют, а брикеты после сушки направляют на электроплавку.

В промышленном масштабе этот процесс осуществляется на Днепровском алюминиевом заводе (г.Запорожье).

Плавка осуществляется в дуговых электропечах мощностью 16,5МВт. Печь работает на переменном токе промышленной частоты.Ток подводится с помощью 3-х графитовых электродов от трансформатора, обеспечивающего напряжение между электродом и угольной подиной 60-70 В.

Для защиты огнеупорной футеровки печи от разрушения в печи формируется специальный гарниссаж, состоящий из непроплавленной шихты.

Брикеты подаются на колошник печи и с помощью специальной опиковочной машины подгребаются к электродам. По мере нагрева брикетов они начинают плавится, проходят кольцевой зазор между электродом и гарниссажем и попадают в около электродное пространство, где происходит восстановление оксидов алюминия и кремния. Образующийся алюмокремниевый сплав накапливается в под электродном пространстве.

Алюмокремниевый сплав полученный в электропечи направляют на производство электротермического силумина.

Электротермический силумин получают путём ликвации Al - Si сплава с выделением легкоплавкой эвтектики содержащей 12 % Si и образованием твёрдой фазы состоящей из интерметаллических соединений Al₃FeSi и Al₄FeSi₃. Отделение жидкой фазы от твёрдой осуществляют при температуре 575^°С методом фильтрации.

На практике силумин получают в специальных ковшах. В качестве фильтрующего материала используют слой кварцевого песка с размером частиц 2,5 мм, который засыпают между двумя перфорированными стальными листами. Слой песка толщиной 6 мм достаточен для удержания 200 - 250 мм жидкого сплава.

Выпущенный из печи расплавленный алюмокремниевый сплав заливают в фильтровальный аппарат (Рис.2), где он охлаждается до температуры 575° С, после в аппарате создают разряжение и осуществляют фильтрацию.



Рис.2 Аппарат для фильтрования силикоалюминия.

В нижней части аппарата скапливается товарный силумин, а на фильтре остаётся твёрдая фаза содержащая от 55 до 80 % кремния, которая используется в чёрной металлургии в качестве раскислителя.



4. ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМОКРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Основным поводом для исследований и неоднократных попыток внедрения электротермического метода производства Al-Si сплавов явилось широкое распространение в природе алюмосиликатных пород: глин, первичных и вторичных каолинов, кианитов, силиманитов, бокситов с высоким содержанием кремнезема и т.д. Вместо того чтобы производить сложную химическую переработку по удалению кремнезема из алюмосиликатных пород, целесообразнее одновременно использовать содержащиеся в них алюминий и кремний для получения товарных продуктов, в частности Al-Si сплавов, широко используемых сейчас в качестве литейных сплавов. Более половины всех литейных алюминиевых сплавов изготовляют на основе силумина.

Исследования, проведенные в ряде стран, неизменно сопровождались расчетом экономической эффективности метода. Одним из основных показателей технико-экономической целесообразности внедрения метода является расход электроэнергии, который зависит от вида агрегата, в котором получают чистые металлы. Современные электролизеры мощностью 500-1000 КВт имеют тепловой к.п.д. 34-40% против 64-75% для рудовосстановительных печей мощностью 10-21МВт.

При электротермическом методе значительно снижаются затраты на капитальные вложения. Вследствие увеличения съема сплава с 1м² печного агрегата при равной производительности цеха по алюминию снижается количество и объем оборудования, падает расход цветных металлов для подвода тока большой силы, нет необходимости в затратах для строительства подстанций для преобразования переменного тока в постоянный.



ВЫВОД

Таким образом, при крупном промышленном производстве преимущество электротермического метода заключается в упрощении схемы подготовки и удешевления сырья, снижении расхода электродов за счет замены анодной массы углем, вводимым в качестве восстановителя, в использовании более мощных и производительных металлургических агрегатов, в сокращении количества фтористых солей и амортизационных расходов в связи с уменьшением капитальных вложений.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Троицкий И.А., Железнов В.А. «Металлургия алюминия» М.: Металлургия, 1984г. 400с.

2.Москвитин В.И., Николаев И.В., Фомин Б.А. «Металлургия легких металлов» М.: Интермет Инжиниринг, 2005г. 416с.

3.Гасик М.И., Емлин Б.И., Климкович Н.С., Хитрик С.И. «Электроплавка алюмосиликатов» М.: Металлургия, 1971г. 304с.

4.Металлургия легких металлов: конспект лекций / сост.: Владимир Ильич Седых, Ольга Викторовна Белоусова. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008г. 74 с.

Размещено на Allbest.ru

...