冶炼硅铁工艺设计设计

1、学院学生课程设计论文题目：冶炼硅铁工艺设计学生：邱江学号：202111103052所在院系：材料工程学院专业：冶金专业班级：08冶金有色班指导教师：苟淑云职称:教授2021年6月6日学院教务处制学院本科学生课程设计任务书题目冶炼硅铁工艺设计1、课程设计的目的使学生融会贯穿相关专业课程理论知识,培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的水平,从而加深对所学理论知识的理解、掌握与应用.本课题是为了使学生了解硅铁的生产原理、主要原料及工艺.2、课程设计的容和要求包括原始数据、技术要求、工作要求等1生产硅铁的根本工艺和主要工艺参数；预计所需的主要原材料种类及数量,主要产品成分等.可以与进行物料平衡和

2、热平衡计算的同学一起商定有关参数.2提交30005000字的设计说明书,在说明书中须按规注明设计的依据及主要参考文献；3、主要参考文献1春德.?铁合金冶金学?.冶金工业.2卫.?铁合金生产?.冶金工业.3袁熙志.?冶金工艺工程设计?.冶金工业.4承武.?炼钢学?下册.冶金工业.4、课程设计工作进度方案第十六周：对选定题目进行分析,查阅相关文献资料,做好原始记录,确定相关参数.第十七周：撰写课程设计说明书,并进行修改、完善,进行课程设计辩论,提交设计说明书.指导教师签字日期年月日教研室意见：年月学生签字：接受任务时间：年月日注：任务书由指导教师填写.课程设计论文指导教师成绩评定表题目名称冶炼硅铁

3、工艺设计评分工程分值得分评价涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律,工作刻苦努力,具有良好的科学工作态度.02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料.03课题工作量7按期圆满完成规定的任务,工作量饱满.能力水平35%04综合运用知识的水平10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题,能正确处理实验数据,能对课题进行理论分析,得出有价值的结论.05应用文献的水平5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的水平.06设计实验水平,方案的设计水平5能正确设计实验方案,独立进行装置安装、调试、

4、操作等实验工作,数据正确、可靠；研究思路清晰、完整.07计算及计算机应用水平5具有较强的数据运算与处理水平；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等.08对计算或实验结果的分析水平综合分析水平、技术经济分析水平10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的水平.成果质量45%09插图或图纸质量、篇幅、设计论文规化程度5符合本专业相关规或规定要求；规化符合本文件第五条要求.10设计说明书论文质量30综述简练完整,有见解；立论正确,论述充分,结论严谨合理；实验正确,分析处理科学.11创新10对前人工作有改良或突破,或有独特见解.成绩指导教师评语指导教师签名：年月曰1 前言1.1 硅铁简介铁合金

5、是指一种或几种以上的金属或非金属元素于铁组合成的合金,硅铁即是硅与铁的合金.硅铁是炼钢和铸造的重要原料,它能改善钢和铸件的物理化学性能和机械性能,提升钢和铸件的质量.1111.2 硅铁的冶炼简介硅铁是以焦炭、钢屑、石英(或硅石)为原料,用电炉冶炼制成的.传统炼制硅铁时,是将硅从含有2的硅石中复原出来.冶炼硅铁大多使用冶金焦作复原剂,钢屑是硅铁的调节剂.2 原料2.1 原料及其要求2.1.1 含硅原料及其要求含原料一般采用SiO2含量很高的石英和石英岩(通称为硅石).表1为各种硅石的质量和物理性能.用于冶炼硅铁的硅石必须符合以下各项要求：(1) SiO2含量大于97%(2)有害杂质含量低.硅石中

6、主要杂质Al2.,MgO,CaO,PO和Fe?.除Fe2.外,其他氧化物均是有害物质,其中沁O必须小于1%CaO和MgO之和也应小于1.(3)有良好的抗爆性.(4)有一定的粒度.硅石的粒度根据电炉的容量、工作电压、硅石个所用复原剂的性质以及操作水平确定,一般大型电炉的硅石入炉粒度为40120mm小型电炉为2580mm表1各种硅石质量的物理性能品特SiOjF皿的能理性生AhO,CaO强度性潞点K：带用注460.770450.2701306fi较好莪好1750合川不值095603bauJR一般1730江厚96,780S70.780.410,160,79ft一般1700-1730够水97.1B0腐0

7、M0.66差差)7002.1.2 炭质复原剂及其要求铁合金生产中,用的最多、最广且价格最最廉价的复原剂是炭质复原剂.硅铁生产所用的炭质复原剂主要为冶金焦,其主要理化性能指标要求如下表1.止匕外,对冶金焦的灰分组成也有一定要求,具体为FeO约45%CaO约227%SiO2约25%MgO勺1.0%,Al2.0.4%？2.0.04%.为了增大炉料的比电阻,增加化学活性,也有搭配使用气煤焦2.1.3含铁原料及其要求电炉冶炼硅铁时,一般采用钢屑作含铁原料,钢屑在SiO2复原过程中有促进作用.冶炼时,希望钢屑能较快融化,以便吸收硅或有效地破坏SiC为此,要求钢屑长度不能超过100mm为保证硅铁的化学成分和

8、在质量,不允许使用合金钢钢屑、有色金属屑和生铁屑,而只能使用碳素钢钢屑.钢屑不应夹带杂质,生铁严重和沾有油污的钢屑不能入炉,铁屑的寒铁量应大于95%表2冶炼硅铁用冶金焦的理化性能指标固定碳灰分拄发分水分硫电阻率(11000C)气孔率粒%8214360.6120030543203 冶炼设备3.1 变压器与断网炉用变压器将从电网获取的高压电、小电流转换成符合冶炼的低电压、大电流,经短网、铜瓦送到电极后,转化为炉所需热能.短网的阻抗对节电和有效利用电能影响很大.短网的合理布置及结构,对提升功率因数和电效率降低电能损失有重要意义.短网应尽量降低各导电部位的长度和通电后的温度,温度越高导体电阻越大,新的

9、电炉设计逐步趋于用通水导电铜管替代铜3.2 电极把持器系统电级把持器是炉最重要的部件之一,它与电极压放、升降装置及铜瓦等一起保证电炉的送电、负荷调整、电极下放等.由于该设备的烟罩,全部构件包括液压、水路、绝缘等都处在高温区,承受高温幅射气流的冲刷,工环境极为恶劣,特别是“刺火时,受到更高温度气流的冲刷.3.3 烟罩在生产时,冶炼工艺要求电极极心圆在炉料作用下仍能保持稳定的尺寸.现设计的矮烟罩,较过去的高烟罩不仅有利于烟气回收,而且对固定电极柱稳定极心圆直径也很有作用.目前多采用水冷钢骨架,顶部和侧面焊有Y型怫钉,喷涂耐热高温混凝土或耐火材料,其使用寿命长、维修量小.3.4 炉体设备炉体包括炉壳

10、和炉衬.炉衬要承受高温电弧和电流的冲刷及炉渣侵蚀.直接与电弧和铁水接触的炭砖最易氧化,因此炉壳不仅有足够的强度,而且必须非常严密.3.5 液压系统液压限制和驱动是电炉实现自动限制的重要保证.新设计的系统采用箱体阀块集成化的模式,大大简化管路布置,整个结构紧凑,便于安装检修.阀件工作面和接头经过特殊处理,耐磨无泄漏,工作十分可靠,为工艺操作提供了保证34 硅铁生产工艺流程4.1 硅铁冶炼根本原理用碳复原二氧化硅是冶炼硅铁时的根本反响.生产上为了把氧从二氧化硅中除去,在矿热炉创造高温条件,以焦炭中的碳夺取硅石(SiO)中的氧,生成的CO气体通过料层从路口逸出,硅石中的硅便复原出来.冶炼硅铁时,炉的

11、反响机理可用图1描述HFr!TC-Sit：Si仇LSiO；*三FcSiTC-*504C图1硅铁冶炼反响机理4.2 冶炼机理冶炼硅铁总的反响方程式为犯+2cMSi+2C0tAtf1=167400-86.40T%=1938KSi+Fe=Site6=-羽500-0.64/实际上硅铁反响机理是非常复杂的,尽管研究者们提出来的复原机理不完全相同,但有几点公认是无疑的,即在冶炼过程中有中间产物碳化硅和一氧化硅产生,而且在碳化硅和一氧化硅的生成与分解在二氧化硅的整个复原过程中起着重要作用.在较低温度下,二氧化硅与碳作用：SiOjTc-SC+2COfC=6703543,89T=1523K在较高温度下,二氧化硅

12、被复原成一氧化硅：SiO,+CnSiO+2C0t%=159600-77.94T加=2048K而且碳化硅在高温下因二氧化硅和一氧化硅的存在而被破坏：2SiC+SiO2=3Si+2COf G=973a0-47.64T=2043KSiC+SiO=2S1+cot %=49)50-24.59T%=I999K铁存在时对SiO2的复原过程有很大的影响,把铁反响出来的硅溶解,使硅脱离反响区,还加速了Si反响的进行,同时铁与硅生成稳定的化合物硅化铁(SiFe),并放出一定的热量,使二氧化硅的复原温度降低.另外中间化合物碳化硅被铁破坏(Fe+SiC=SiF+CAG0=9900-9.14TT开=1083K),结果使

13、硅的生成容易些4从以上的分析中可以看出,生产中限制复原剂的参加量是很重要的.还原剂过多,会使SiC生成量增加,使炉底积存的碳化硅越来越多.反响复原剂过少,SiO2不能充分地复原,价低了硅的回收率5.4.3 合金成分的限制合金含硅量越高,要求复原温度就越高,对原料质量性能和炉况操作维护要求更高,由于硅石质量性能较差,难以保持较高的炉温,复原反响速度与炉料融化速度不匹配而恶化炉况.为了加快复原反响速度,增加配铁量降低硅的复原温度,因此合金含硅量按75%诺铁国际下限才S制,即按72Si074%a操控.4.4 冶炼操作为了减少炉况波动,统一操作,坚持混合料参加,维护电极稳定,增强炉料均匀透气,保持较大

14、地竭,预防生料进入地竭造成三相负荷不平衡,热量分布不均,降低反响速度.在配电操作中,须密切关注炉况.正常情况下,电极电流几乎全部进入地竭区,支路电流占很小比例,因此在配电时必须关注三相电极电流和对地电压的平衡,通过观察电极周围火焰和沉料情况判断该相电极放弧做功好坏,假设对放弧做功差的某项电极急于下插来增大做功,这样只会增加支路电流,增加热损失,而对进入地竭培竭区得功率增加很有限,应准确分析原因,如电极结渣或大量生料进入培烟区,及时与电炉操作工联系加以处理.保持三个培竭稳定良好的放弧做功状态,保持较高的反响区温度,到达稳定良好的炉况6.5硅铁生产中杂质元素的限制5.1 铝的限制方法5.1.1 精

15、料入炉复原剂采用低灰分010%的蓝炭.在转炼的头一个班就全部使用蓝炭,减少灰分中Al2.的带入量.5.1.2 炉外精炼按要求的铝含量,出铁后,按一定比例参加氧化性四元渣即：SiO2一CaO-CaF-Fe0系低熔点四元渣,并加顶吹氧进行炉外精炼,吹氧压力5kg为宜.5.1.3 中频炉生产重熔法由于在炉外顶吹精炼吹氧时,在没加装中间包及更先进精炼设备时,铁水温度损失大,铁损多,生产更低铝含量的硅铁就较为困难,所以该公司就采用中频炉进行生产：在保证温度的前提下,进行二次精炼,进行更进一步的脱铝操作,能使合金中Al0.1%.5.2 钙的限制方法1入炉硅石需洗选干净,尽可能地把混入硅石中的杂石、风化石挑

16、选干净,减少其带入量(2)由于各元素和氧的亲和力强弱顺序为：C、CaAl、Si、Fe,硅铁中杂CaAl对氧的亲和力大于Si、Fe,所以硅铁中杂质Ca、Al会优先于Si和Fe氧化生成CaO和ASO.所以在必要的情况下可采用吹压缩空气或氧气进行脱钙处理.一般硅铁生产过程中,只要能把混入硅石中的杂石、风化石挑选干净,合金中含钙量就能限制在0.5%以下,如客户需要更低钙含量的硅铁,就可采用炉外精炼(吹氧和压缩空气)的方法进行处理.5.3 碳的限制方法5.3.1 限制浇铸温度碳在硅铁合金中的溶解度随温度降低而减少.碳在固相硅和硅化物中的溶解度是相当有限的,在液态合金中碳的溶解度随着温度升高而增加,所以浇

17、铸温度的限制对合金中碳的含量有直接关系.资料说明,浇铸温度低于1550C,可使碳化物尽可能多地析出.常用的降温方法有镇静、倒包和摇包处理等.5.3.2 合理限制用碳量在硅铁生产过程中,SiC的生成和分解是一个重要的因素.当炉子上部温度大于1500C时那么发生以F反响：4C+2SiO=2SiC+2COT而炉子下部温度大于1800c时,那么发生SiC分解反响,即：3SiO2+2SiC二Si+4SiO+2COT所以在生产过程中限制复原剂的加人量很重要,复原剂过多,会使SiC生成量增加,从而造成合金中碳含量增加.为此在生产中复原剂的参加量一定要适宜.5.3.3炉外精炼(1)吹氧降碳由于碳极易与氧结合,

18、吹氧几乎能使全部游离的碳迅速与氧结合并析出硅液.在吹氧过程中,不但增强氧与游离碳的迅速结合,也增强了合金的搅拌,改善了碳化物的析出条件,使碳人物能迅速析出液面.(2)重熔降碳碳化硅与硅铁密度相差较小(SiC:3.21g/cm3、75SiFe:3.5g/cm3),弥散在合金中的碳化硅析出速度较慢,有相当一局部聚集在晶界.重熔合金时这一局部碳化硅进一步聚集,使颗粒变大,从而使SiC的上浮条件更为有利,合金中碳含量得到进一步降低.此方法在该公司中频炉上得到验证,能使硅铁合金中碳含量降到0.03%以下.(3)预防外来污染在硅铁镇静过程中,采用锯未、蔗渣及干稻草进行保温,禁止使用焦粉,严禁使用石墨粉涂刷

19、铁水包和锭模壁,预防合金增碳706硅铁牌号及用途6.1 硅铁牌号和化学成分硅铁按硅及其杂质含量,分为十六个牌号,具化学成分如表3:(根据GB2277-87)表3硅铁牌号和化学成分牌号化学成分Si围AlCaMnCR不大于PSCFeSi90A11.587.0-95.01.50.50.40.20.040.020.2FeSi90A1387.0-95.03.00.50.40.20.040.020.2FeSi75A110.5-A74.0-80.00.51.00.40.30.0350.020.1FeSi75A110.5-B72.0-80.00.51.00.50.50.040.020.2FeSi75A11.0

20、-A74.0-80.01.01.00.40.30.0350.020.1FeSi75Al1.0-B1172.0-80.01i1.51.00.50.50.040.020.2FeSi75A11.5-A74.0-80.01.51.00.40.30.0350.020.1FeSi75A11.5-B72.0-80.01.51.00.50.50.040.020.2FeSi75A112.0-A74.0-80.02.01.00.40.30.0350.020.1FeSi75A112.0-B74.0-80.02.01.00.40.30.040.020.1FeSi75A112.0-C72.0-80.02.0-0.50.

21、50.040.020.2FeSi75-A74.0-80.0-0.40.30.0350.020.1FeSi75-B74.0-80.0-0.40.30.040.020.1FeSi75-C72.0-80.0-0.50.50.040.020.2FeSi6565.0-72.0-0.60.50.040.02-FeSi4540.0-47.0-0.70.50.040.02-6.2 硅铁的用途(1)硅和氧很容易化合成二氧化硅.所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂,同时由于SiO2生成时放出大量的热,在脱氧同时,对提升钢水温度也是有利的.硅铁作为合金元素参加剂.广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢

22、之中,以外硅铁在铁合金生产及化学工业中,常用作复原剂含硅量达95%-99%.纯硅常用制造单晶硅或配制有色金属合金.(2)硅铁在钢工业、铸造工业及其他工业生产中被广泛应用.硅铁是炼钢工业中必不可少的脱氧剂.炬钢中,硅铁用于沉淀脱氧和扩散脱氧.砖坯铁还作为合金剂用于炼钢中.钢中添加一定数量的硅,能显著提升钢的强度、硬般钢中含硅度和弹性,提升钢的磁导率,降低变压器钢的磁滞损耗0.15%-0.35%,结构钢中含硅0.40%1.75%,工具钢中含硅0.30%1.80%,弹簧钢中含硅0.40%2.80%,不锈耐酸钢中含硅3.40%4.00%,耐热钢中含硅1.00%3.00%,硅钢中含硅工%3%更高.(3)高硅硅铁或硅质合金在铁合金工业中用作生产低碳铁合金的复原剂.