Электрокорунд нормальный плавкой на выпуск

1. Аналитическая часть

 
   

1. Характеристика  абразивного материала и его  область применения

 

   Электрокорунд - искусственный абразивный материал, в состав которого входят преимущественно  закристаллизованный глинозём (алюминия окись) в форме α-фазы (корунда), а также окислы кремния, титана, кальция и железа. Получают плавкой глинозёмсодержащего сырья в дуговых печах с последующей кристаллизацией расплава. Плотность электрокорунда (кроме сферокорунда) 3,9-4,0 г/см³, микротвёрдость 19-24 Гн/м². Электрокорунд нормальный - электрокорунд, состоящий из корунда (до 95%) с небольшой примесью шлаков и ферросплава, широко используется для обработки металлов. Применяется для обработки высокопрочных сплавов, при скоростном и прецизионном шлифовании. Электрокорундовые зёрна, порошки и микропорошки составляют около 80% общего объёма производства абразивных материалов. Благодаря высокой огнеупорности, стойкости в кислотах и щелочах, хорошей теплопроводности, малому термическому расширению и низкой электропроводности электрокорунд широко применяется также для изготовления огнеупорных, химически инертных изделий, керамических деталей электровакуумных приборов, изоляторов и т. д. Электрокорунд используют и как наполнитель в жароупорных бетонах и массах для набивки тиглей индукционных печей. Значительное количество электрокорунда потребляет чёрная металлургия (получение синтетических шлаков для рафинирования жидкой стали). Области использования его непрерывно расширяются.

   Электрокорунд нормальный — абразивный материал, представляющий собой технический продукт, содержащий 93—98% минерала корунда и различные примеси, связанные в минералы.

   Основная  составляющая электрокорунда нормального  — минерал корунд имеет высокую  микротвердость (20,0—26,0 ГПа) и высокую  шлифующую (абразивную) способность (до 0,06 г).

   Производят  электрокорунд плавкой в дуговых  электропечах шихты — смеси сырьевых материалов — бокситов и углеродистого  материала, осуществляя восстановительную плавку с переводом окислов железа, кремния и части титана в ферросплав.

   Содержание  А1₂O₃ при этом повышается до 96-98 %. Основной минеральной фазой нормального электрокорунда является -Аl₂O₃, называемый физическим корундом, т. е. таким, который обладает высокими абразивными свойствами. Массовая доля примесных оксидов в зависимости от сорта шлифматериалов не превышает, %: 0,3 и 0,8 Fе₂O₃; 0,7 SiO₂; 0,3 и 1,6 СаО, а количество магнитного материала не более 0,08 и 1,3%. Содержание оксидов титана различного состава в пересчете на ТiO₂ должно быть не менее 1,6 и 2,4 %. Оксид кальция является исключительно вредной примесью. В структуре электрокорунда СаО образует с А1₂O₃ гексаалюминат кальция СаО∙6А1₂O₃, кристаллизующийся в виде самостоятельной фазы, не обладающей абразивными свойствами. В связи с этим для производства нормального электрокорунда пригодны бокситы и углеродистые восстановители с низким содержанием СаО. 

   1.2. Существующие схемы выплавки и обоснование выбранной технологии 

   Нормальный  электрокорунд получают в дуговых  электропечах мощностью 5-7 МВ-А при  плавке «на блок» и 10 МВ-А при плавке «на выпуск». При плавке на выпуск и при плавке на блок количество технологических операций примерно одинаково. Однако содержание и их характер в ряде случаев имеют существенное различие, хотя конечными продуктами является кусок нормального электрокорунда, который по своему химическому составу и другим показателям, характеризующим его качество, должен отвечать требованиям единых технических условий. Согласно действующему стандарту СТП-2-214-79 «Материал абразивный. Электрокорунд нормальный», массовая доля Al₂O₃ в отмагниченной пробе должна быть не менее 91 %, а количество магнитного материала не более 2,0%. После разделки слитка (при плавке на выпуск) размер кусков должен быть менее 300 мм.

   Плавка  на выпуск осуществляется в электропечах, значительно превосходящих по мощности печи для плавки на блок. Опыт показал, что плавка на выпуск характеризуется высокой концентрацией мощности в объеме расплава, более постоянным тепловым режимом, что позволяет осуществить несравненно белее полное выделение ферросплава и получить однородный продукт в слитках.

   Процесс плавки на выпуск состоит из следующих  стадии: розжиг печи; дозировка и  подача шихты в электропечь; плавка электрокорунда; проплавление колошника; выпуск расплава в изложницу; выпуск ферросплава; кристаллизация расплава электрокорунда, остывание и разделка слитков.

   Розжиг  вновь включаемой электропечи или  печи после длительной остановки ничем не отличается от розжига печи при плавке на блок.

   Дозировка и подача шихты в электропечь играют существенную роль в организации процесса плавки на выпуск. Дозирование по массе обеспечивает достаточную точность этой операции. Основная трудность состоит в том, что при дозировке боксита фракции 50—10 мм и углеродистого материала фракции 5—1 мм происходит сегрегация — разделение в бункерах, емкостях и пр. Для сохранения однородности шихты в печи ее подают небольшими порциями (0,5—1 т) по течкам. Конечно, сегрегация шихты может быть полностью ликвидирована, если шихту к плавке готовить окатыванием   или   брикетированием  тонкоизмельченных   компонентов.

   Плавка  электрокорунда производится при подаче в печь за первые 2—3 ч всей необходимой шихты. В последующие 3 ч осуществляется проплавление колошника с образованием расплава нужного качества. В этих часы происходит вскрытие колошника и отбирается штанговая или ковшевая проба расплава, по которой расплав корректируют.

   Вновь подготовленная изложница должна быть установлена под леткой сразу  после отправки предыдущей изложницы, наполненной электрокорундом.

   Режим плавки на каждой электропечи отрабатывается так, чтобы в электропечи наплавлялось столько расплава, сколько нужно  для заполнения изложницы. При наплавлении  большего количества расплава, чем  может принять изложница, требуется  прекратить выпуск, а это — сложная и трудоемкая операция. Очко изложницы забивают конусами — пробками, изготовленными из электродной массы с песком или из углеродистого материала,  смешанного с глиной.

   Действенным средством против переполнения также  является снижение нагрузки,   а если  нужно — то и  выключение электропечи.

   Совершенно  недопустим так называемый метод  загущения расплава в электропечи путем подачи углеродистого материала, шихты или чистого боксита. Часть указанных материалов увлекается расплавом в изложницу, и после прекращения выпуска расплав в изложнице покрывается коркой, под которой идут восстановительные процессы с выделением большого количества газов. Давление газов достигает десятков и даже сотен атмосфер, что приводит к самопроизвольному разлому слитков, часто с выбросом расплава, опасным и для обслуживающего персонала, и для оборудования.

   Выпуску расплава в изложницу предшествует разработка очка летки примерно за 30—40 мин до ожидаемого выпуска. Путем  кислородного прожига разрабатывается отверстие диаметром 50—100 мм и глубиной 700—1000 мм (в зависимости от мощности электропечи). Кислородный прожиг проводят с помощью стальных толстостенных трубок диаметром 15—17 мм с подачей кислорода под давлением до 1,5 МПа.

   После того как закончена доводка и  получен расплав нужного качества, плавильщик или мастер подает команду горновому для вскрытия очка летки. При правильной. подготовке для прожига вскрытие  очка  летки  занимает  всего   5—15 мин.

   Выпуск  расплава электрокорунда в изложницу  объемом 25 т продолжается 10—15 мин. Из струи расплава отбирается штанговая или ковшевая проба. После выпуска расплава из электропечи очко летки забивают пробками, состав которых приведен выше.

   Выпуск  ферросплава производят через 3—4 выпуска  электрокорунда. Как правило, вскрытие очка ферросплавной летки проводится электрическим прожигом с помощью стального прута — лома диаметром 20—30 мм, который подключается к шунтовому устройству на печи или к особому трансформатору. Прожигают отверстие диаметром 50—80 мм, глубиной 500—800 мм (в зависимости от мощности электропечи). Если ферросплавная летка забита, электрокорундом, то применяют кислородный прожиг. Последний используют и для окончательного прожига летки.

   После полного выхода ферросплава из печи летку заделывают   пробками   (конусами). 

   

3. Теоретические основы получения электрокорунда нормального.

 

   Нормальный  электрокорунд получают электроплавкой бокситов в присутствии углерода (антрацита или нефтекокса) в количествах, обеспечивающих восстановление оксидов железа, кремнезема и некоторых других примесей.

   Процесс получения электрокорунда заключается  в выделении глинозема из бокситов путем восстановительной плавки. Окислы Fе₂O₃, SiO₂ и TiО₂, сопутствующие глинозему в боксите, восстанавливаются, а глинозем, переходя в корунд (α-А1₂0₃), образует крупные кристаллы. В период плавки осуществляются следующие процессы:

   1) восстановление окислов железа, кремния и титана, сопутствующих глинозему в боксите;

   2) образование ферросплава из восстановленных  металлов;

   3) рафинирование расплава, т. е. осаждение образовавшегося ферросплава на под печи;

   4) кристаллизация расплава с образованием  возможно более крупных кристаллов  корунда.

   Получение электрокорунда нормального является сложным электротермическим процессом. Возможность выделения глинозема основана на большем сродстве кислорода к алюминию по сравнению с другими металлами, окислы которых содержатся в боксите. О степени сродства кислорода к металлам, а также о прочности окисла в условиях температуры Т судят по величине свободной энергии системы ΔF ,а также по изменению теплосодержания ΔH и энтропии ΔS, так как 

ΔF=ΔH-TΔS. 

   Изменение свободной энергии реакции, протекающей  в стандартных условиях при парциальных давлениях, равных единице, находят по следующему уравнению:

ΔF^o_T= -RT ln K_p

откуда

ln K_p= -ΔF^o_T/RT, или K_p= -ΔF^o_T/4,575T, 

где ΔF^o — свободная энергия при температуре Т и давлении р = 1 атм,

ln К_р — логарифм константы реакций;

R — газовая постоянная;

Т — температура в °К.

   Чем больше отрицательная величина свободной  энергии (ΔF^o_T) реакции образования окисла, тем химически прочнее будет данный окисел.

   В табл. 7 приведены характеристики окислов  при образовании их из элементов  по теплосодержанию ΔH° при 298° К.

   Из  сопоставления данных (отнесенных к 1 молю кислорода), приведенных в таблице, следует, что железо, кремний и титан имеют меньшее сродство к кислороду, чем алюминий, а следовательно, окислы их могут быть восстановлены при меньшей температуре, чем окись алюминия. Магний и кальций в свободном состоянии  

Характеристики  окислов по теплосодержанию, свободной энергии и энтропии