Изучение физико-химических свойств ферросплавов и рассчет электродуговой печи на производство ферросилиция

С целью определения распределения элементов в объеме исследуемого феррохрома, т.к. феррохром является многокомпонентным образцом, нами был установлен общий состав, состав феррохрома отдельного зерна и состав феррохрома отдельной точки до обжига и после таблицы 7, 8, 9.

Таблица 7. Общий состав феррохрома до и после обжига

Элемент	Масса % (до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
C	8,34	9,04	27,47	26,84
O	2,05	7,02	5,07	15,64
Cr	76,16	62,33	57,94	42,75
Fe	13,45	20,10	9,53	12,84
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Таблица 8. Состав феррохрома отдельного зерна до и после обжига

Элемент	Масса %(до обжиги)	После обжига	Атомная %	После обжига
C	8,38	9,01	27,53	13,21
O	2,13	14,60	5,26	32,20
Cr	75,67	61,45	57,44	41,72
Fe	13,82	18,58	9,77	11,74
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Таблица 9. Состав феррохрома отдельной точки до и после обжига

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
C	3,21	12,31	12,38	32,19
O	0,57	10,77	1,67	21,16
Na	0,02	-	0,03	-
Mg	0,05	-	0,09	-
Al	0,36	-	0,62	-
Si	0,32	2,12	0,54	2,37
Ca	0,19	-	0,22	-
Cr	87,33	52,59	77,86	31,78
Fe	7,95	22,21	6,60	12,50
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Результатами микроскопического анализа, было установлено, что содержание элементов в различных областях исследуемого объема феррохрома - разное. Содержание углерода при фиксировании общего состава - 8,34 масс. %, отдельного зерна - 8,38 масс. %, а отдельно взятой точки - 3,21 масс. %, такая неравномерность распределения характерна для всех определяемых элементов. В отдельно взятой точке были определены незначительные примеси - Na, Mg, Al, Ca. Следовательно, на распределение элементов влияет исходный состав, условия кристаллизации и тепловая предыстория образца.

Для определения содержания и распределения элементов в феррохроме после обжига нами также был снят состав в различных областях (таблица 7, 8, 9). Сопоставив результаты до и после обжига, можно сделать вывод, что распределение углерода выравнивается, что видно по результатам определения по всему образцу, так и по отдельно взятым участкам, и в отдельно взятой точке 12,31 масс. %. Таким образом, в результате тепловой обработки происходит гомогенизация сплава, выравнивание состава по всему объёму. Гомогенизация должна влиять на свойства сплава.

В этой связи далее нами будут рассмотрены результаты термического и магнитного анализов [7].

2.4.2 Результаты электронномикроскопического анализа ферросиликомарганца

На рисунке 12 и 13 представлены микрофотографии ферросиликомарганца до и после обжига.

Рисунок 12. Микрофотография ферросиликомарганца до обжига

Результатами микроскопического анализа было установлено, что ферросиликомарганец представлен плотными, хорошо упакованными частицами без трещин и пор. На отдельных зернах видны волнообразные наплывы, отражающие анизотропность свойств образцов. Образцы после обжига при увеличении 0,1 мм обладают более дисперсной структурой и плотной упакованностью, а также гексагональной центрированной кристаллической решеткой.

Рисунок 13. Микрофотография ферросиликомарганца после обжига

С целью определения распределения элементов в объеме исследуемого ферросиликомарганца, т.к. ферросиликомарганец является многокомпонентной структурой. Нами был установлен общий состав, состав ферросиликомарганца отдельного зерна и состав ферросиликомарганца отдельной точки до обжига и после таблицы 10,11,12.

Таблица 10. Общий состав ферросиликомарганца до и после обжига

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
C	10,13	12,25	31,40	7,31
Si	11,93	20,19	15,81	21,64
Mn	77,93	78,21	52,79	60,29
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Таблица 11. Состав ферросиликомарганца отдельного зерна до и после обжига

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
C	2,24	3,15	8,61	13,67
Si	11,66	8,67	19,18	14,01
Mn	70,77	72,23	59,52	61,58
Fe	15,33	17,21	12,69	14,74
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Таблица 12. Состав ферросиликомарганца отдельной точки до и после обжига

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
C	2,91	4,45	10,28	19.26
Si	20,11	16,1	30,40	25.37
Mn	63,73	65,45	49,25	50.2
Fe	13,26	14,3	10,08	11.09
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Результатами микроскопического анализа, было установлено, что содержание элементов в различных областях исследуемого объема ферросиликомарганца - разное. Содержание углерода при фиксировании общего состава - 10,13 масс. %, отдельного зерна - 2,24 масс. %, а отдельно взятой точки - 2,91 масс. %, содержание марганца, также зависит от области исследования. Наличие примесей не установлено.

Для определения содержания и распределения элементов в ферросиликомарганце после обжига нами также был снят состав в различных областях (таблица 10,11,12). Сопоставив результаты до и после обжига, можно сделать вывод, что содержание углерода увеличивается как по общему составу, так и по отдельно взятым участкам 4,45 масс. % - в отдельно взятой точке. Происходит и увеличение содержания марганца с 2,91 до 4,45 масс. %

Таким образом, тепловое воздействие (обжиг) также влияет на увеличение и сосредоточение углерода и марганца по отдельным областям в ферросиликомарганце [7].

2.4.3 Результаты электронномикроскопического анализа ферросилиция

На рисунке 14 представлена микрофотографии ферросилиция.

Рисунок 14. Микрофотография ферросилиция до обжига

Рисунок 15. Микрофотография ферросилиция после обжига

Результатами микроскопического анализа было установлено, что ферросилиций представлен плотными, хорошо упакованными частицами без трещин и пор. На отдельных зернах видны волнообразные наплывы, отражающие анизотропность свойств образцов. Образцы после обжига при увеличении 0,1 мм обладают скелетной структурой и плотной упакованностью, а также гексагональной решеткой.

С целью определения распределения элементов в объеме исследуемого ферросилиция, т.к. ферросилиций является многокомпонентной структурой. Нами был установлен общий состав, состав ферросилиция отдельного зерна и состав ферросилиция отдельной точки до обжига и после таблицы 13,14,15.

Таблица 13. Общий состав ферросилиция

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
Al	1,13	0,65	1,34	0,69
Si	75,34	97,40	85,27	98,33
Fe	23,53	1,95	13,39	0,99
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Талица 14. Состав ферросилиция отдельного зерна до и после обжига

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
Al	2,34	2,01	3,33	2,70
Si	43,86	52,30	59,79	67,60
Fe	53,79	45,69	36,88	29,70
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Таблица 15. Снимок отдельной точки

Элемент	Масса %(до обжига)	После обжига	Атомная масса %	После обжига
Al	1,21	1,06	1,52	1,26
Si	63,40	74,29	76,89	84,62
Fe	35,40	24,64	21,59	14,12
Всего	100,00	100,00	100,00	100,00

Результатами микроскопического анализа, было установлено, что содержание элементов в различных областях исследуемого объема ферросилиция - разное. Содержание кремния при фиксировании общего состава - 75,34 масс. %, отдельного зерна - 43,86 масс. %, а отдельно взятой точки - 63,40 масс. %. Установлено незначительное наличие алюминия.

Для определения содержания и распределения элементов в ферросилиции после обжига нами также был снят состав в различных областях (таблица 13,14,15). Сопоставив результаты до и после обжига, можно сделать вывод, что содержание кремния практически не изменяется.

Таким образом, тепловое воздействие (обжиг) влияет на содержание и распределение элементов в объеме исследуемого ферросилиция. Далее будут исследованы свойства ферросплавов при термическом воздействии [7].

2.5 Результаты термического анализа ферросплавов

2.5.1 Результаты термического анализа феррохрома

Термический анализ ферросплавов был выполнен на дифференциальном сканирующем термогравиметрическом калориметре STA 409 PC/PG компании NETZSCH (описание прибора приведено в разделе 2.1.3).

Навески ферросплавов составляли 91,0 мг, нагревались до 950 °С со скоростью нагрева 20 °С в минуту, в атмосфере вакуума (10 ⁵ Па). Результаты термогравиметрического анализа феррохрома (Cr 72,0) приведены в Приложении А таблица А.1.

Особый интерес для исследования ферросплавов представляют их фазовые и магнитные переходы, целью термического анализа феррохрома стало изучение фазовых и магнитных точек, фиксируемых на термограммах. В литературе приведено очень много данных по температурным минимумам магнитных точек, вследствие большой сложности их улавливания, т.к. хром и хромсодержащие сплавы обладают сильной способностью поглощать углерод, кислород и особенно азот, что приводит к неточности результатов.

Нами была изучена петля г-фазы, представляющая собой наиболее ярко выраженный фазовый переход, занимающий определенный интервал температур. По некоторым источникам петля г-фазы начинает фиксироваться от 840, 850 и даже от 796 °С. Такой разброс, авторами объясняется разным содержанием хрома в образцах.

Для уточнения температурного минимума нами был проведен дифференциальный термический анализ с маленькой скоростью нагрева 10 °С в минуту, и последующей обработкой данных с помощью построения производных, от полученных термогравиметрических кривых.

На термограммах фиксируются эндотермические пики при 475 °С - 477,1, 624,2 °С, 716,8 °С и 828,1 °С.

Пик при 475 °С - 477,1°С объясняется, как началом образования у-фазы, которая характеризуется гомогенностью, неустойчивостью и даже хрупкостью. Т.о. результаты подтверждают фиксирование пика при 475 °С - 477,1°С - так называемого «хрупкость при 475 °С». Данное явление связано с метастабильными реакциями, которые имеют очень сложную природу.

Ряд незначительных пиков в интервале температур от 400 до 600 °С, фиксируемых на производной DDSC можно объяснить образованием целого непрерывного ряда соединений (упорядоченных фаз) CrFe₃, CrFe, CrFe₂, Cr₂Fe, Cr₃Fe, что подтверждается диаграммами состояния системы Fe-Cr и литературными источниками.

Пик при 624,2 °С является температурным минимум промежуточной у-фазой, это подтверждается содержанием хрома образца - 72,0 %, т.к. эта фаза может быть зафиксирована только при значительном содержании хрома, пик при 716,8 °С является температурным пределом этой фазы. Данные выводы подтверждаются и тем, что феррохром обладает тетрагональной кристаллической решеткой, установленной нами с помощью рентгенографического анализа и межплоскостному расстоянию - d = 4,5.

Пик при 828,1 °С является температурным минимумом петли г-фазы, это и подтверждает фазовая диаграмма железо-хром, и результаты рентгенофазового и микроскопического анализов. Предел г-фазы был установлен при 1390 °С.

Таким образом, пик при 475 °С - 477,1°С - образования у-фазы, явление «хрупкость при 475 °С», при 624,2 °С - температурный минимум промежуточной у-фазы, пик при 716,8 °С является температурным пределом этой фазы, пик при 828,1 °С - температурный минимумом петли г-фазы, пик при 1390,0 °С является температурным пределом этой фазы [8-11, 35].

2.5.2 Результаты термического анализа ферросиликомарганца

Нами исследовался ферросиликомарганец с содержанием марганца - 67,8 %. Результаты термогравиметрического анализа ферросиликомарганца приведены в Приложении А, таблица А.1.

Интересными для изучения являются б > г, г > б и е фазы, температуры превращений которых очень сложно определить, вследствие возможной нечистоты сплавов.

На термограммах были зафиксированы эндотермические пики при 406,0, 461,2, 552,0, 660,2 и 700,0 °С.

Весь интервал температур от 400 до 910 °С является метастабильным, а следовательно протекание различных переходов и трансформаций возможно в значительных количествах. Пики при температурах от 461,2, 552,0 до 660,2 °С объясняются образованием пересыщенного твердого раствора б Ч, (ферросиликомарганец является твердым раствором), температура 552,0 °С - атермическое образование структур, эндотермический пик при 660,2 и 700,0 °С относятся к температурному гистерезису б - г превращений и последующему образованию нестабильной е фазы.

Противоречивыми являются и данные, связанные с образованием непрерывного ряда твердых растворов. Результатами рентгеноструктурного анализа нами было установлено, что ферросиликомарганец обладает г.ц.к. решеткой и образованием ряда сверхструктур, следовательно не исключено, что ряд температурных пиков от 400 до 900 °С можно также объяснить образованием непрерывного ряда твердых растворов, т.к. такой тип решетки способствует образованию ряда не всегда стабильных соединений [8-11, 36].

2.5.3 Результаты термического анализа ферросилиция

Нами исследовался ферросилиций с содержанием кремния - 44,5 %. Результаты термогравиметрического анализа ферросилиция приведены на рисунке 16.

Противоречивыми являются данные по образованию непрерывного ряда соединений, наличие области Fe₂Si и FeSi и установлению фазовых, магнитных переходов. Целью термического анализа ферросилиция было установление образования непрерывного ряда соединений и фазовых, магнитных переходов.

Противоречивыми являются данные по образованию непрерывного ряда соединений, наличие области Fe₂Si и FeSi и установлению фазовых, магнитных переходов. Целью термического анализа ферросилиция было установление образования непрерывного ряда соединений и фазовых, магнитных переходов.

На термограммах были зафиксированы эндотермические пики при 416,0, 420,2, 638,8, 658,0 и 767,2 °С.

Пик при 420,2 °С объясняется образованием б-фазы с образованием различных сверхструктур, что подтверждается и результатами рентгеноструктурного анализа.

Рисунок 16. Термогравиметрический анализ ферросилиция

Пики при 530,0, 638,8, 658,0 °С характеризуются образованием непрерывного ряда промежуточных соединений и переходом при температуре 658, 0 °С фазы б в фазу бЧ. Образование непрерывного ряда промежуточных соединений подтверждается результатами микроскопического и рентгеноструктурного анализов, которые установили гексагональную структуру ферросилиция, образование сверхструктурных линий, а также на термограмме ярко выраженный ряд эндотермических пиков. плавка ферросилиций магнитный термический

Эндотермический пик при 767,2 °С является фазовым переходом - точкой Кюри. В работах приводится множество данных по температуре точки Кюри 760, 765, 769 °С. С помощью построения дифференциальной кривой DDTA (первая производная от DTA) нами эта точка была определена при 767,2 °С.

Таким образом, исследования подтвердили образование непрерывного ряда соединений и фазовых, магнитных переходов [8-11].

2.6 Магнитные свойства ферросплавов

Противоречивыми являются данные по магнитным свойствам ферросплавов. В литературе приводятся различные температурные точки магнитных превращений ферросплавов, нет конкретики и в определении точки Кюри, а также практически отсутствуют данные по магнитной восприимчивости ферросплавов.

Целью магнитных исследований стало уточнение температур магнитных превращений, в частности температуры Кюри, определение магнитной восприимчивости ферросплавов.

Есть данные по температуре Кюри для феррохрома при 700, 720, 710 °С, такое не совпадение результатов объясняются разность составов исследуемых образцов. Особенно большое влияние оказывает содержание хрома, в зависимости от его содержания температура Кюри фиксируются при 660 °С в малохромистых сплавах и при 830 °С в феррохромах с высоким содержанием хрома.

С помощью дифференциального сканирующего калориметра и построением дифференциальной кривой нами был установлен эндотермический пик с большой амплитудой при 716,8 °С, который можно объяснить, как температура Кюри, термограмма представлена в Приложении А. Довольно высокая температура этой точки объясняется высоким содержанием хрома в образце - 76,16 масс. %. Также было установлено, что температура Кюри зафиксировалась на температурном пределе промежуточной у-фазы, которая была описана ранее. Такое возникновение точки Кюри можно объяснить метастабильностью сплава.

Температура Кюри в ферросиликомарганце не была определена, вследствие зафиксированного явления гистерезиса от 400 до 910 °С, который усложняет определение точки Кюри, необходимо использовать более подходящее оборудование.

Температура Кюри в ферросилиции была определена при 767,2 °С. В работах приводится множество данных по температуре Кюри 760, 765, 769 °С, нами эта точка была определена при 767,2 °С, термограмма представлена в Приложении Б, рисунки Б.1-Б.4.

Далее нами изучалась магнитная восприимчивость ферросплавов. Магнитная восприимчивость анализировалась на каппаметре KLY-2 (Чехия) с чувствительностью 3-5·10^-8 СИ. В таблице 22 приведены результаты магнитной восприимчивости ферросплавов до обжига и после.

Таблица 16. Результаты магнитной восприимчивости ферросплавов (х10^-6СИ)

Формула	Масса	чизм	чуд
FeCr (огарок)	0,20	1773	8865
FeSi	0,69	185	268
FeSiMn	1,98	572	289
FeCr	0,43	6830	15883

По результатам магнитной восприимчивости можно сделать вывод, что магнитной восприимчивость снижается после проведения обжига образцов. Возможно, это связано с потерей магнитных свойств и переходом из ферромагнитного состояния в парамагнитное. По номенклатуре Вюнша все ферросплавы относятся к ферромагнетикам и ферримагнетикам [6].

2.7 Математическое моделирование процесса термического разложения ферросплавов

Основными факторами, которые влияют на процесс термического разложения пирита являются:

- температура обжига, °С (Х₁);

- продолжительность обжига, время, мин (Х₂);

Граничные условия процесса термического разложения пирита представлены в таблице 17.

Таблица 17. Граничные условия процесса термического разложения пирита

Условия обжига	X1, (°С)	X2, продолжительность (мин)
Нижний уровень	200	30
Верхний уровень	900	120

Известно, что необходимое количество опытов N при полном факторном эксперименте (ПФЭ) определяется по уравнению (2.2.5):

N = n^k , (6)

где

n - количество уровней; k - число факторов, т. е. необходимое число опытов для оптимизации термического разложения пирита N = 2² = 4.

Полное уравнение регрессии запишется в виде:

Y = ₀ + b₁X₁ + b₂X₂ + b₁₂X₁X₂, (7)

где b - коэффициенты уравнения регрессии;

₀ - свободный член уравнения регрессии, определяемый по формуле:

Y₀ = = 2,306, (8)

в случае термического разложения пирита ₀ = 2,306.

Расширенные матрицы планирования ПФЭ и результаты 4 опытов двух параллельных экспериментов для процесса термического анализа ферросплавов приведены в таблице 25.

Коэффициенты уравнения регрессии определяли по уравнению:

b_j = . (9)

Значения b_j составили величины при термическом анализе ферросплава

b₁ = 0,134 b₁₂ = 0,023

b₂ = 0,04

Значимость коэффициентов уравнения регрессии можно проверять для каждого коэффициента в отдельности по критерию Стьюдента.

Дисперсия коэффициентов (S_bj) и воспроизводимости (S_восп) рассчитывались по выражениям:

S_bj = , (10)

где N - количество опытов (N= 4).

S_восп = , (11)

где

S_j² - дисперсия единичного измерения, определяемая по формуле:

S_j² = ( Y₁ - )² + (Y₁₁ - )² (12)

Рассчитанные величины дисперсии равны следующим значениям - при термическом анализе ферросплава:

S₁² = 0,000002 S₄² = 0,0002

S₂² = 0,00005 S_bj = 0,05

S₃² = 0,0002

S_воспр= 0,1

Оценку значимости коэффициентов проводили по критерию Стьюдента:

t_j = , (13)

в сопоставлении со справочным табличным его значением tкр. табл_.= 2,78 для уровня значимости р = 0,05 и числа степеней свободы:

t₁ = 2,79 - значим;

t₂ = 0,8 - не значим;

t₁₂ =0,46 -не значим;

f = N (m - 1), (14)

где m = 2 - количество параллельных опытов (m = 2 и f = 4 (2 - 1) = 4). Если t_j больше tкр. табл., то этот коэффициент значим. Незначимым при термическом разложении феррохрома оказался b₁ при значениях t₁.

Таблица 18. Расширенная матрица полного факторного эксперимента процесса термического разложения пирита

	Х1	Х2	Х1Х2	Y1	Y2
1	-	-	+	2,15	2,148	2,149
2	-	+	-	2,19	2,2	2,195
3	+	-	-	2,36	2,38	2,37
4	+	+	+	2,52	2,5	2,51

После исключения незначимого коэффициента уравнение регрессии имеет следующий вид:

Y_FeCr = 2,306 + 0,134 X₁ + 0,04 X₂ . (15)

Проверку адекватности полученного уравнения проводили по критерию Фишера:

F = S_ост.²/ S_воспр.², (16)

где

S_ост.² = , (17)

где L - количество значимых коэффициентов: L_FeCr = 2.

Тогда:

(18)

(19)

Полученные дисперсионные значения критерия Фишера для процесса термического анализа феррохрома оказались меньше табличного (0,113 < 6,9), следовательно, уравнения, при обжиге адекватно эксперименту [12,13,14].

2.8 Выводы по разделу физико-химические исследования

На рентгенограммах феррохрома четко зафиксированы структурные линии, относящиеся к образованию фазового перехода, определенного, как г-фаза и образованию целого ряда непрерывных соединений (упорядоченных фаз) CrFe₃, CrFe, CrFe₂, Cr₂Fe, Cr₃Fe. Межплоскостное расстояние при этом - 2,29263, 2,11614, 1,96160, 1,81159, 1,74924, 1,20784, 1,16898 (х10^-12м), было установлено, что феррохром обладает тетрагональной кристаллической решеткой.

Межплоскостное расстоянии ферросиликомарганца было определено как: 2,40596, 2,22569, 2,12475, 2,04499, 1,74924, 1,97081, 1,30677 (х10^-12м), тип решетки был - г.ц.к.

Межплоскостное расстояние (х10^-12м) ферросилиция было определено как, 3,14570, 2,37926, 1,92053, 1,63791, 1,35942, 1,27589, 1,24661, 1,10893, 1,04555, 0,95984, 0,91819, обладает - гексагональной структурой. На рентгенограммах четко фиксируется образование сверхструктурных соединений.

Результатами микроскопического анализа, было установлено, что содержание элементов в различных областях исследуемого объема феррохрома - разное. Содержание углерода при фиксировании общего состава - 8,34 масс. %, отдельного зерна - 8,38 масс. %, а отдельно взятой точки - 3,21 масс. %, такая неравномерность распределения характерна для всех определяемых элементов. В отдельно взятой точке были определены незначительные примеси - Na, Mg, Al, Ca. Следовательно, на распределение элементов влияет исходный состав, условия кристаллизации и тепловая предыстория образца. После обжига распределение углерода выравнивается, что видно по результатам определения по всему образцу, так и по отдельно взятым участкам, и в отдельно взятой точке 12,31 масс. %. Таким образом, в результате тепловой обработки происходит гомогенизация сплава, выравнивание состава по всему объёму.

Результатами микроскопического анализа ферросиликомарганца, было установлено, что содержание элементов в различных областях исследуемого объема ферросиликомарганца - разное. Содержание углерода при фиксировании общего состава - 10,13 масс. %, отдельного зерна - 2,24 масс. %, а отдельно взятой точки - 2,91 масс. %, содержание марганца, также зависит от области исследования. Наличие примесей не установлено. После обжига происходит увеличение содержания марганца с 2,91 до 4,45 масс. %. Таким образом, тепловое воздействие (обжиг) также влияет на увеличение и сосредоточение углерода и марганца по отдельным областям в ферросиликомарганце.

Результатами микроскопического анализа ферросилиция, было установлено, что содержание элементов в различных областях исследуемого объема ферросилиция - разное. Содержание кремния при фиксировании общего состава - 75,34 масс. %, отдельного зерна - 43,86 масс. %, а отдельно взятой точки - 63,40 масс. %. Установлено незначительное наличие алюминия. Содержание кремния после обжига практически не изменяется.

Результатами термического анализа феррохрома, было установлено, что пик при 475 °С - 477,1°С - образования у-фазы, явление «хрупкость при 475 °С», при 624,2 °С - температурный минимум промежуточной у-фазы, пик при 716,8 °С является температурным пределом этой фазы, пик при 828,1 °С - температурный минимумом петли г-фазы, пик при 1390,0 °С является температурным пределом этой фазы.

Термический анализ ферросиликомарганца показал следующее: весь интервал температур от 400 до 910 °С является метастабильным, а следовательно протекание различных переходов и трансформаций возможно в значительных количествах. Пики при температурах от 461,2, 552,0 до 660,2 °С объясняются образованием пересыщенного твердого раствора б Ч, (ферросиликомарганец является твердым раствором), температура 552,0 °С - атермическое образование структур, эндотермический пик при 660,2 и 700,0 °С относятся к температурному гистерезису б - г превращений и последующему образованию нестабильной е фазы.

Результаты анализа ферросилиция показали, что эндотермические пики при 530,0, 638,8, 658,0 °С характеризуются образованием непрерывного ряда промежуточных соединений и переходом при температуре 658, 0 °С фазы б в фазу бЧ. Образование непрерывного ряда промежуточных соединений подтверждается результатами микроскопического и рентгеноструктурного анализов, которые установили гексагональную структуру ферросилиция, образование сверхструктурных линий, а также на термограмме ярко выраженный ряд эндотермических пиков.

Эндотермический пик при 767,2 °С является фазовым переходом - точкой Кюри. В работах приводится множество данных по температуре точки Кюри 760, 765, 769 °С. С помощью построения дифференциальной кривой DDTA (первая производная от DTA) нами эта точка была определена при 767,2 °С. Таким образом, исследования подтвердили образование непрерывного ряда соединений и фазовых, магнитных переходов.

В феррохроме температура Кюри была установлена при 716,8 °С, температурном пределе промежуточной у-фазы. Такое возникновение точки Кюри можно объяснить метастабильностью сплава.

Температура Кюри в ферросиликомарганце не была определена, вследствие зафиксированного явления гистерезиса от 400 до 910 °С, который усложняет определение точки Кюри, необходимо использовать более подходящее оборудование.

Температура Кюри в ферросилиции была определена при 767,2 °С. в Приложении А. По результатам магнитной восприимчивости можно сделать вывод, что магнитной восприимчивость снижается после проведения обжига образцов. Возможно, это связано с потерей магнитных свойств и переходом из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Рассчитанная матеметическая модель показала, что дисперсионные значения критерия Фишера для процесса термического анализа феррохрома оказались меньше табличного (0,113 < 6,9), следовательно, уравнения, при обжиге адекватно эксперименту.

3. Технологическая часть

3.1 Металлургический расчет

3.1.1 Расчет шихты для выплавки 45 %-ного ферросилиция

Расчет ведется на 100кг кварцита.

Принимаем следующие распределение элементов между продуктами плавки (таблица 19)

Таблица 19. Распределение элементов

Оксид	Восстанавливается %	Переходит в шлак %	Улетает с газами %
SiO2	92,0	1,0	7(SiO)
Fe2O3	98,0	2,0	-
MnO	94,0	6,0	-
Al2O3	50	50,0	-
CaO	40	60,0	-
P2O5	100,0	-	40(P)

Состав исходных сырых материалов приведен в таблице 20

В расчетах принято, что все элементы, содержащиеся в железной стружке, полностью переходят в сплав, а сера коксика и кварцита идет в улет.

Подсчет количества С, требующегося для восстановления оксидов, которые содержатся в золе коксика, приведен в таблице 21.

Таким образом, в коксике остается активного углерода:

75 - 7,585 = 67,415 кг или 67,415 %

Согласно практическим данным, расход электродной массы на 1т кварцита составляет 30 кг.

Считаем, что углерод электродов компенсирует угар восстановителя на колошнике.

Учитывая, что в восстановителе содержится 67,415% активного углерода, необходимо коксика

35,654 ? 0,67415 = 52,887 кг.

Вес сплава с содержанием 45 % Si составит

= 95,544 кг.

Таблица 20. Состав шихтовых материалов, %

Cоставляющие	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO	MnO	P2O5	SO3	Fe	C	Si	Mn	P	S	Влага	Летучие	Зола
Кварцит	97,0	1,0	1,5	0,2	0,1	0,1	0,02	0,08	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Коксик метал лургический	-	-	-	-	-	-	-	-	-	75,0	-	-	-	1,5	6	5	12,5
Зола коксика	46,0	23,0	25,0	4,7	1,0	-	0,3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Железная стружка	-	-	-	-	-	-	-	-	99,0	0,24	0,3	0,4	0,03	0,03	-	-	-
Электродная масса	-	-	-	-	-	-	-	-	-	85	-	-	-	-	3	5	7
Зола электродной массы	50	14	25	8	3	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 21. Подсчет количества углерода для восстановления оксидов золы.

Реакция	Из 100кг коксика восстанавливается, кг	Требуется углерода на восстановление, кг
SiO2 >Si	12,5•0,46•0,92=5,29	5,29•=2,116
SiO2 >SiO	12,5•0,46•0,07=0,402	0,402• =0,080
Fe2O3>Fe	12,5•0,23•0,98=2,817	2,817 • =0,633
Al2O3>Al	12,5•0,25•0,50=1,562	1,562 • =0,551
CaO >Ca	12,5•0,047•0,40=0,235	0,235 • = 0,050
P2O5>P	12,5•0,003=0,37	0,37 • = 0,156
H2O +C=H2 +CO	6,000	6,0 • = 3,999
	Итого	7,585

Таблица 22. Подсчет количества углерода для восстановления оксидов кварцита и золы электродов

Оксид	Вносится кварцитом и золой электродов, кг	Восстанавливается, кг	Требуется углерода на восстановление, кг
SiO2	97+3•0,07•0,50 = 97,105	97,105•0,92=89,336	89,336• •0,92=32,875 89,336• •0,06=2,144
Fe2O3	1+3•0,07•0,14=1,029	1,029•0,98=1,008	1,008• =0,226
MnO	0,1	0,1•0,94=0,094	0,094 •=0,015
Al2O3	1,5+3•0,07•0,25=1,553	1,553•0,5=0,776	0,776•=0,273
CaO	0,2+3•0,07•0,08=0,217	0,217•0,4=0,086	0,086•=0,018
P2O5	0,02	0,02	0,02•=0,008
SO3	0,08	0,08	0,08•=0,036
H2O	3•0,03=0,09	0,009	0,09•=0,059
		Итого	35,654

Необходимо добавить железа:

95,544 - 45,820 = 49,724 кг.

Или железной стружки:

49,724 ? 0,98 = 50,738 кг.

Таблица 23. Подсчет состава и количества шлака

Оксид	Переходит в шлак, кг	Химический состав шлака, %
SiO2	97,105•0,01+52,887•0,125•0,46•0,01=1,001	20,721
Al2O3	1,553•0,5+52,887•0,125•0,25•0,5=1,603	33,182
CaO	0,27•0,6+52,887•0,125•0,047•0,6=2,026	41,937
MgO	0,1+3•0,07•0,03+52,887•0,125•0,01=0,172	3,56
FeO	(1,029+52,887•0,125•0,23)•0,01=0,023	0,476
MnO	0,1•0,06=0,006	0,125
	Всего 4,831	100,000

Таблица 24. Подсчет количества сплава

Элемент	Переходит в сплав, кг
Si	97,105•0,92+52,887•0,125•0,46•0,92=42,995
Al	1,553•0,5+52,887•0,125•0,25•0,5=0,848
Ca	0,217•0,4+52,887•0,125•0,047•0,4=0,149
Mn	0,1•0,94=0,072
P	0,02•0,6+52,887•0,125•0,003•0,6=0,01
Fe	1,029•0,98+52,887•0,125•0,23•0,98=1,748
	Всего 45,820

Из железной стружки перейдет в сплав, кг:

Fе=50,738

Si 50,738•0,003=0,152

Mn 50,738•0,004=0,202

P 50,738•0,0003=0,015

S 50,738•0,0003=0,015

C 50,738•0,0024=0,12

Окончательная масса и состав сплава приведены в таблице 25

Таблица 25. Масса и состав сплава

Элемент	Количество, кг	Состав сплава, %
Si	42,995+0,152=43,147	44,455
Al	0,848	0,874
Ca	0,149	0,154
Mn	0,072+0,202=0,274	0,282
P	0,01+0,015=0,025	0,026
S	0,015	0,015
C	0,12	0,123
Fe	1,748+50,738=52,48	54,071
	Всего 97,058	100,000

В результате реакций восстановления образуется газообразных продуктов, кг:

CO	52,887•0,75=92,552
SiO	(97,105+52,887•0,125•0,46)•0,06=4,406
Pпар	(0,02+52,887•0,125•0,003)•0,4=0,006
S	52,887•0,015=0,793
H2	52,887•0,06=0,352
Летучие	52,887•0,05=2,644
	Всего 100,753

В таблице 26 приведен материальный баланс процесса получения 45 %-ного ферросилиция [15,16,17].

3.1.2 Расчет материального баланса процесса

Таблица 26. Материальный баланс процесса получения 45%-ного ферросилиция

Поступило, кг	Получено, кг
Кварцит 100,000	Сплав 97,058
Коксик 52,887	Шлак 4,831
Железная стружка 50,736	Улет 100,753
Золы и влаги электродной массы 0,300	Невязка 1,281(0,63%)
Всего 203,923	Всего 203,923

3.2 Тепловой баланс плавки 45 %-ного ферросилиция

3.2.1 Приход тепла

Теплота окисления углерода до CO:

C + ЅO₂ = CO; q= 9310,18Дж?кг С. (20)

Углерод коксика при окислении дает следующие количество тепла:

Q₁=52.887 •0,75•9310,18 = 369290Дж.

Теплота экзотермических реакций:

- образование силицида железа FeSi

по реакции:

Fe + Si = FeSi; ?H = - 121510Дж. (21)

На 1 кг Si q = 4340,8 Дж.

В 45 %-ного ферросилиция 38 % ат. кремния (28 % вес.) связано в химическое соединение FeSi.

Для нашего случая случая количество связанного кремния составит:

43,147= 26,847 кг.

В результате выделяется тепла:

26,847 • 4340,8 = 116537,4 Дж.

- образование силикатов. Считаем, что составляющие шлака образуют следующие силикаты (учитываем только силикаты Al₂O₃ и CaO, остальными компонентами пренебрегаем):

Al₂O₃ + SiO₂ = Al₂SiO₅; ?Н = - 192530,5 Дж. (22)

В результате реакции выделяется 1885,5 Дж на 1кг Al₂O_3.

q₁ = 1,602 • 1885,5 = 3020,5 Дж.

CaO + SiO₂ = CaSiO₃; ?H = - 91132,5 Дж. (23)

Выделенное тепло составляет 1652,7 Дж на 1кг CaO

q₂ = 0,316 • 1652,7 = 522,2 Дж.

Итого выделяется тепла:

Q₂= 116537,4 + 3020,5 + 522,2 = 120080,1 Дж.

Тепло, вносимое шихтовыми материалами при 25^о С, Дж:

Кварцит 100 • 0,168 • 25 = 1755,8 Дж;

Коксик 52,887 • 0,20 •25 = 1107,9;

Железная стружка 50,738 • 0,11 • 25 = 81572,9;

Q₃= 84436,6

Таким образом, приход тепла составляет:

Q_п= 369290 + 120080,1 + 84436,1 = 573806 Дж.

3.2.2 Расход тепла

1 Теплота диссоциации оксидов

а) SiO₂ > Si +O₂; ?H = 863140 Дж (14384,2 ) , (24)

количество диссоциированного кремнезема (для упращения расчетов включено и SiO₂, диссоциировавщее до SiO):

97,105 • 0,99 + 52,887 • 0,125 • 0,46 • 0,99 = 99,143 кг.

Требуется затратить тепла на диссоциацию:

99,143 • 14384,2 = 1426092,741 Дж;

б) Al₂O₃ > 2Al + O₂; ?Н = 1647927 Дж (16156,64 ). (25)

Количество диссоциированного Al₂O₃ составляет 1,602 кг.

Требуется тепла: 1,602 • 16156,64 = 25882,937 Дж;

в) CaO ? Ca +Ѕ O₂; ?H = 635623 Дж (11350,71 ). (26)

Количество диссоциированного CaO составит:

0,316 = 0,189 кг.

Требуется тепла: 0,189 • 11350,71 = 2145,2 Дж;

г) Fe₂O₃ > 2Fe + O₂; ?H = 817888 Дж (5111,8 ). (27)

Количество диссоциированного Fe₂O₃:

1,029 • 0,99 + 52,887 • 0,125 • 0,23 • 0,99 = 2,523 кг

Требуется тепла:

2,523 • 5111,8 = 12897,071 Дж;

д) MnO > Mn + ЅO₂; ?H = 390089 Дж (5493,09). (28)

Количество диссоциированного MnO

0,1 • 0,94 = 0,094 кг.

Требуется тепла: 0,094 • 5493,09 = 516,35 Дж.

Суммарное количество тепла, потребное для диссоциации оксидов:

Q₁ = 1426092,741 + 25882,937 + 2145,2 + 12897,071 +516,35 = 1467534,299 Дж;

2 теплосодержание FeSi при 1800 ^оС:

q_Si = 124,5 + 0,232 •1800 = 2271,399 Дж/кг

q_Fe = 22,26 + 0,1942 • 1800 = 1557,842 Дж/кг

q_Fe-Si = = 7876,634 Дж/кг

Q₂ = 97,058 • 7876,634 = 764490,3 Дж;

3 теплосодержание шлака при 1800 ^оС:

q= 0,286 • 1800 = 2157 Дж/кг;

Q₃= 2157 • 3,349 = 7223,833 Дж;

4 физическое тело газообразных продуктов. Считаем, что газы покидают печь при температуре 700 ^оС. Для простоты расчетов теплоемкость всех веществ принимаем равной теплоемкости оксида углерода, как основной составляющей газообразной фазы:

Q₄= 100,753 • • 700 = 18311,857 Дж

5 тепловые потери кладкой печи. Общая поверхность современной мощной трезфазной печи, имеющей производительность порядка 1т 45 % -ного сплава в час, составляет 100 м².

На основании экспериментальных данных можно принять температуру кожуха равной в среднем 140 ^оС.

Пользуясь кривыми теплоотдачи наружной поверхности стенки воздуха, находим удельные тепловые потери, приходящиеся на 1 м² поверхности печи.

При температуре окружающего воздуха 25 ^оС удельный тепловой поток равен 6704 Дж • час/м².

Печь теряет в час тепла 6704 • 100 = 670400 Дж

Это количество тепла относится к 1т 45 %-ного сплава или

= 1,030 м кварцита.

Поэтому в пересчете на 100 кг кварцита тепловые потери будут равны

Q₅= = 65087 Дж.

Тепловые потери колошником. В результате исследования процесса получения 45 %-ного ферросилиция установлено, что потери тепла колошников печи составляют около 3 % общих потерь.

Расход тепла по приведенным статьям:

Q = 1476534 + 764490 + 7224 + 18312 + 65087 = 2322647 Дж.

С учетом потерь тепла через колошников печи суммарный расход тепла равен Q_р= = 2394481 Дж.

3.2.3 Определение расхода электрической энергии

Разность между статьями расхода и прихода тепла равна:

2394481 - 573806 = 1820675 или 1820675/ 860/4,19 = 505,2 кВт •ч.

Это недостающее количество тепла должно покрываться за счет электрической энергии.

Учитывая, что электрический к.п.д. современных трехфазных печей составляет около 87 %, удельный расход электрической энергии для 45 %-ного сплава составит [18,19,20].

= 5985 кВт • ч/т.

3.2.4 Расчет теплового баланса процесса

Таблица 27. Тепловой баланс процесса получения 45 %-ного ферросилиция

Приход тепла, Дж	Расход тепла, Дж
Электрическая энергия 1820675	Диссоциация оксидов1467534
Окисление углерода до СО 369290	Нагрев сплава до 1800о С 764490
Реакция образования силицидов железа и силикатов 120080	Нагрев шлака до 1800о С 7223
Теплосодержание шихтовых материалов при 25о С 84436	Физическое тепло газов 18311
	Тепловые потери через футеровку печи 65087
	Излучение колошника 71836
Итого 2394481	Итого 2394480

3.3 Расчет элементов электропечи

Рассчитываем трехфазную электропечь для выплавки ферросплава, мощной которой (выделяемая в рабочем пространстве печи) равна 15 МВа = 15000 кВа. Тогда мощность на одну фазу: 15000/3 = 5000 кВа. Среднее рабочее напряжение на электродах равна:U_п^ср = 7,6 • 5000^0,4 = 15200 В. Обычно напряжение с низкой стороны трансформатора имеет несколько ступеней, причем диапазон его изменения составляет 0,85 - 1,15 U_п^ср. Тогда в данном случае U_п должно изменяться в пределах 159 - 215,5 В, что близко к характеристикам промышленных печей.

Рабочий ток: 15000/215,5 = 69,605 кА.

При д = 8 А/см²;

F_эл = 69605/8 = 8700,62 см² ;

D_э = = 105,2 см.

Принимаем D_э = 1,05 м. плотность тока принимаем меньшую по сравнению с принятым граничным верхнем ее значением. Это способствует повышению надежности работы печи.

Диаметр распада электродов

D_расп = 3 • 1,05 = 3,15 м.

Средний диаметр ванны при q = 360кВА/м²;

D_ср = = 7,2м;

D_ср = 3,15 • 2 = 6,3м.

Принимаем среднее значение около 6,5 м.

Диаметры отдельных частей ванны:

d₁ = 2• 6,5/(1+1,05) = 6,341м;

d₂ = 1,05 • 6,341 = 6,658 м;

d₃ = 1,05 • 6,658 = 6,990 м;

Расстояние от электродов до стенки печи:

а = 0,5 • 6,990 - 0,5 • 3,15 - 0,5 • 1,05 = 1,395 м.

Вторая проверка:

D_ср: D_ср = 2 • 1,395 + 3,15 + 0,5 • 1,05 = 6,465 м

(совпадение с предыдущими расчетами достаточно близкое).

Высота ванны печи

h_ванны = 1,1 • 3,15 = 3,46 (принято 3,5 м).

Высоту отдельных зон печи задают: сферический сегмент 0,3 м, нижняя часть 0,9 м, верхняя 1,3 м, газовая зона 0,5 м [21,22].

К установке принимаем электродуговую печь ДСП-80 с параматрами:

- мощность печи 15000 кВА;

- мощность на одну фазу 5000 кВА;

- рабочий ток 69,605 кА;

- средний диаметр ванны 7,2м;

- диаметры отдельных частей ванны, м d₁-6,341; d₂-6,658; d₃-6,990;

- расстояние от электродов до стенки печи 1,395 м;

- высота ванны печи 3,5 м;

На рисунке 17 представлен чертеж рассчитанной печи.

Рисунок 17. Чертеж электродуговой печи ДСП 80 [23,24,25].

3.4 Механическое оборудование печи

Кожух печи выполняется сварным или клепаным из листового железа толщиной 10-30 мм. Он должен обладать достаточной прочностью, чтобы выдержать футеровку, металл и шлак, свод и давление расширяющейся при нагреве кладки, причем нагрев самого кожуха не должен превышать 100-150 °С. Для увеличения прочности кожуха укрепляем его вертикальными ребрами, и горизонтальными поясами жесткости.

Рабочее окно служит для загрузки печей малой емкости, а также для введения различных добавок и флюсующих материалов заправки подины и откосов и др. и имеет размеры: ширина - 0,4-0,35 м, высота - 0,8 м. Окно обрамляется сварной рамой прикрепляемой к кожуху печи. Рабочее окно перекрывается пустотелой водоохлаждаемой заслонкой. Герметичность прилегания заслонки к арматуре окна обеспечивается наклоном (порядка 5-6 °С к вертикали) направляющих рамы, в которых движется заслонка Движение заслонки обеспечивается пневматическим или электрическим приводом.

Сливной желоб предназначен для выпуска металла в ковш. Выпускное отверстие - круглое (диаметром 120-150 мм) или прямоугольное (150X250 мм), устраивается с противоположной стороны рабочего окна. К выпускному отверстию примыкает металлический желоб, футерованный шамотным кирпичом с огнеупорной обмазкой. Длина желоба всего 1-2 м, чтобы при выпуске не вызывать заметного охлаждения и излишнего окисления жидкого металла.

Электрододержатели предназначены для подвода тока к электродам и удержания их на определенной высоте в печи. Электрододержатель состоит из головки, пружинно-пневматического зажима, рукава, телескопической стойки и жесткой части вторичного токоподвода.

Головки электрододержателей изготавливают из стали и делают водоохлаждаемыми.

Перемещение электродов осуществляется электрическим или гидравлическим приводом. Печь ДСП-80 оснащена электрическим приводом. Подъем каждого из трех электродов производится рейкой с приводом от электродвигателя, через двухступенчатый червячный редуктор. Опускание электродов происходит под действием массы несбалансированной части подвижных массы электрододержателя и самого электрода, при отсутствии электрода - принудительно при помощи рейки. Ход электродов 3600 мм. Скорость перемещения: при подъеме 1,8-2,5 м/мин, при спуске 1,0-1,5 м/мин. Управление перемещением электродов - автоматическое.

Механизм наклона обеспечивает наклон печи в сторону выпуска (сливного желоба) на угол 40-45° и на угол 10-15° в сторону рабочего окна для скачивания шлака [26].

Печь оборудована механизмом наклона. Наклон печи ДСП-80 производится двумя зубчатыми рейками, прикрепленными к секторам люльки, приводимыми в движение двумя электромоторами через редукторы и направляющие коробки.

Механизм наклона обязательно оборудуется ограничителями хода в обе стороны [27].

3.5 Футеровка печи

Подина основной печи ДСП-80 состоит из верхнего рабочего набивного слоя, кирпичного основания и теплоизоляционного слоя. Теплоизоляция подины включает: слой листового асбеста (20 мм), укладываемого на днище кожуха, и слой шамотного порошка (20 мм), на который укладывают два ряда нормального шамотного кирпича на плашку (130 мм). На теплоизоляционном слое возводится кирпичное основание подины, состоящее из нескольких рядов магнезитового кирпича (толщина 575 мм). Кладка выполняется таким образом, чтобы вертикальные швы в соседних рядах не совпадали друг с другом, что затрудняет проход жидкого металла в случае местного разрушения рабочего слоя подины через кладку.

Верхний рабочий слой подины изготавливается набивкой из магнезитового порошка с добавками в качестве связующих: каменноугольной смолы (10 % по массе) и пека (~1 %). Толщина набивки 150 мм. Общая высота футеровки подины составляет 900 мм.

В печах емкостью 80 т стойкость подины составляет 1300 - 1800 плавок, в печах меньшей емкости - до 5000 плавок.

Кладка стен основных электропечей ДСП-80 выполняется из большемерного без обжигового магнезитохромитового (толщина 380 мм) или периклазошпинелидного кирпича (толщина стен 460 мм).

Стойкость стен крупных печей до 100-150 плавок. Свод набирают из кирпича. Толщина свода у печи составляет 300 мм [28].

3.6 Электроды

Подвод тока в плавильное пространство электродуговой печи осуществляется тремя электродами цилиндрической формы. Материал электрода должен обладать хорошей электропроводностью и в то же время выдерживать весьма высокие температуры. Кроме того, электрод должен иметь достаточную механическую прочность и сопротивляемость окислительному воздействию атмосферы печи. Он не должен разрушаться под действием собственной массы и при наклоне печи во время выпуска металла. Этим требованиям в достаточной мере удовлетворяют только изделия из углерода, а именно - угольные и графитированные электроды.

В печах ДСП-80 применяют электроды диаметром 500 мм с допустимой плотностью тока не более 14,5 а/см².

Электроды изготавливают с торцами, в которых имеются отверстия с резьбой (так называемое ниппельное гнездо). Наличие этого гнезда позволяет при помощи ниппеля соединять отдельные секции электрода. Подобное соединение дает возможность устранить потери электродов по мере их сгорания в печи, в виде огарков, путем наращивания новых секций электрода.

3.7 Электрооборудование печи

Печь ДСП-80 оборудована трансформатором мощностью 25 тыс. кВА, с номинальным первичным напряжением в 37 тыс. В и вторичным напряжением от 417 до 133 В.

Автоматическое регулирование движения электродов необходимо для изменения мощности, подаваемой в печь. Изменение мощности производится путем изменения вторичного напряжения или изменения тока электрической дуги. Изменение напряжения

Перемещение электродов с целью регулирования этого расстояния производится автоматически. Для этой цели применяются регуляторы (вращающегося типа с электромашинным усилителем), управляющие двигателями привода электрододержателя. Регулятор работает совместно со специальным вычислительным устройством, регулирующим количество вводимой в печь электроэнергии [29,30].

3.8 Охрана окружающей среды

Отходящие газы сталеплавильных агрегатов состоят из СО, СО₂, Н₂О и N_s. При плохом смешении топлива с воздухом, при значительных процессах воздуха и т. п. в газах содержится также О₂. Кроме того, в отходящих газах содержится небольшое количество примесей (NO_X, SO₄, Ar и др.) а также некоторое (часто - значительное) количество пыли. Пыль, выделяющаяся из сталеплавильных агрегатов, обычно называют плавильной, а газы вместе с пылью - выбросами (иногда, пылегазовыми потоками). Отходящие газы имеют температуру 1500-1700 °С, входящий в состав газов монооксид углерода СО. Поскольку практически всегда в газах содержится большее или меньшее количество пыли, вопросы утилизации отходящих газов рассматриваются одновременно с вопросами очистки газов от пыли, улавливания пыли и ее утилизации [31,32,33,34].

3.9 Выводы по технологическому разделу

В разделе был проведен расчет материального, теплового баланса и расчет размеров электродуговой печи для плавки 45 %-ного ферросилиция. Была рассчитана электродуговая печь ДСП-80 с параметрами: мощность печи 15000 кВА; мощность на одну фазу 5000 кВА; рабочий ток 69,605 кА; средний диаметр ванны 7,2м; диаметры отдельных частей ванны, м d₁-6,341; d₂-6,658; d₃-6,990; расстояние от электродов до стенки печи 1,395 м; высота ванны печи 3,5 м. Соблюдены экологические требования к печи.

Производительность по выпуску ферросилиция с использованием электродуговой печи ДСП-80 составляет 204000 кг в год.

4. Экономическая часть

4.1 Расчет себестоимости

Расчетная себестоимость принята 1кг ферросплава равна 15000 тг/кг

4.2 Расчет затрат на проведение исследований

В данном разделе приводится расчет основных затрат на проведение опытов. Всего было проведено 6 опытов в течение всех исследований.

Рассчитаем амортизационные отчисления для оборудования лаборатории. Нормы и суммы амортизации будем определять по сроку службы оборудования [26].

Данные по амортизационным отчислениям приведены в таблице

Таким образом, общая стоимость оборудования составляет 340000 тг. За год сумма амортизационных отчислений за оборудование составит 136500 тг. За 2 месяца сумма амортизационных отчислений за оборудование составит 22750 тг. Рассчитаем затраты на основные и вспомогательные материалы, используемые непосредственно для проведения эксперимента, а также для проведения химических анализов. Т.к. в процессе научно-исследовательской работы было проведено 6 опытов, то и затраты на основные и вспомогательные материалы рассчитываем на данное количество опытов. Результаты расчета представлены в таблице 28 [37].

Таблица 28. Расчет амортизационных отчислений основного оборудования

Наименование оборудования	Срок службы, лет	Кол-во	Цена, тг	Годовая стоимость, тг	На, %	Годовая сумма амортизации, тг
Термогравиметрическая установка STA 409 PC/PG	10	1	150000	150000	50	75000
Термостат	10	1	90000	90000	35	31500
Редуктор	15	1	100000	100000	30	30000
Итого:				340000	38	136500

Таблица 29. Затраты на основные и вспомогательные материалы

Наименование материалов	Расход материалов	Стоимость единицы, тг/кг	Общая стоимость, тг
Сплав, кг	0,1	1500	150
Итого:			150

Таким образом, затраты на основные и вспомогательные материалы составляют 150 тг за 2 месяца.

4.3 Расчет затрат на электроэнергию

Электричество потребляют:

- термогравиметрическая установка STA 409 PC/PG за 6 опытов

10 кВт·ч;

- компьютер - 15 кВт·ч;

- термостат - 10 кВт·ч.

- расход на освещение (4 лампы - 240 Вт).

Таким образом, общий расход электроэнергии будет составлять 75 кВт·ч. Стоимость 1 кВт·ч электричества составляет 8,84 тг. Тогда затраченные 75 кВт·ч будут стоить:

75 · 8,84 = 663 тг,

0.24 • 8.84 = 2.

В сумме расход на электроэнергию составит 665 тг.

Следовательно, на электроэнергию израсходовано 665 тг.

4.4 Расчет затрат на холодную воду

Расход холодной воды рассчитывается на 6 опыта. В среднем за 1 минуту расходуется 1,5 литров воды, за 1 час соответственно расходуется 90 литров воды в день[38].

Тогда на 6 опытов потребуется следующее количество воды: