Главная       Продать работу       Заказать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > машиностроение
Название:
Ферросплавное производство

Тип: Дипломные работы
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: машиностроение

Цена:
1 грн



Подробное описание:

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 9
1 Аналитическая часть 11
1.1 Ферросплавное производство в Республике Казахстан 11
1.2 Актюбинский завод ферросплавов (АкЗФ) 12
1.3 Основные направления развития ферросплавного производства 15
1.4 Виды продукции Аксуского завода ферросплавов 18
1.4.1 Ферросилиций 18
1.4.2 Феррохром 20
1.4.3 Ферросиликомарганец 23
1.5 Проблемы производства комплексных сплавов 24
1.6 Выводы по аналитической части 26
2 Физико – химические исследования ферросплавов 28
2.1 Методика и аппаратура 28
2.1.1 Низковакуумный растровый микроскоп 28
2.1.2 Рентгеновский дифрактометр XPert MPD PRO (PANalytical) 28
2.1.3 Термогравиметрический дифференциальный сканирующий калориметр STA 409 PC/PG 29
2.2 Исходные материалы 33
2.3 Результаты и их обсуждение 33
2.3.1 Результаты рентгенографического анализа 33
2.4 Результаты низковакуумного растрового электронного микроскопа 35
2.4.1 Результаты электронномикроскопического анализа феррохрома 35
2.4.2 Результаты электронномикроскопического анализа ферросиликомарганца 37
2.4.3 Результаты электронномикроскопического анализа ферросилиция 39
2.5 Результаты термического анализа ферросплавов 41
2.5.1 Результаты термического анализа феррохрома 41
2.5.2 Результаты термического анализа ферросиликомарганца 42
2.5.3 Результаты термического анализа ферросилиция 43
2.6 Магнитные свойства ферросплавов 44
2.7 Математическое моделирования процесса термического разложения ферросплава 46
2.8 Выводу по разделу физико-химических исследований 49
3 Технико-исследовательская часть 52
3.1 Металлургический расчет 52
3.1.1 Расчет шихты выплавки 45 %-ного ферросилиция 52
3.1.2 Расчет материального баланса процесса 56
3.2 Тепловой баланс плавки 45 %-ного ферросилиция 57
3.2.1 Расчет поступления тепла на процесс 57
3.2.2 Расчет расхода тепла 58
3.2.3 Определение расхода электрической энергии 60
3.2.4 Расчет теплового баланса процесса 61
3.3 Расчет элементов электропечи 61
3.4 Механическое оборудование печи 64
3.5 Футеровка печи 65
3.6 Электроды 65
3.7 Электрооборудование печи 66
3.8 Охрана окружающей среды 66
3.9 Выводы по технологическому разделу 67
4 Экономическая часть 68
4.1 Расчет себестоимости 68
4.2 Расчет затрат на проведение исследования 68
4.3 Расчет затрат на электроэнергию 69
4.4 Расчет затрат на холодную воду 69
4.5 Расчет заработной платы и начислений 70
4.6 Расчет общей суммы затрат 70
4.7 Расчет рентабельности исследования 71
4.8 Технико – экономические показатели 73
4.9 Выводы по экономической части 73
5 Охрана труда 74
5.1 Общие положения по разделу Охрана труда 74
5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов 74
5.3 Организационные мероприятия 76
5.4 Нормы защиты от шума 77
5.5 Зашита от вибрации 78
5.6 Обеспечение электробезопасности 78
5.7 Расчет защитного заземления 79
5.7.1 Исходные данные для расчета заземления 79
5.8 Организация вентиляции 82
5.8.1 Расчет вентиляционного шкафа 83
5.9 Санитарно – гигиенические мероприятия 84
5.9.1 Обеспечение спецодеждой предохранительными приспособлениями 84
5.10 Организация искусственного освещения 84
5.10.1 Расчет искусственного освещения 85
5.11 Противопожарные мероприятия 86
5.12 Выводы по разделу Охраны труда 87
Заключение 88
Список использованной литературы 89
Приложение А 92
Приложение Б 93

ВВЕДЕНИЕ


Среди металлов железа по своему значению занимает особое место. С развитием производства железа и его сплавов неразрывно связано развитие материальной культуры, технический прогресс во всех областях общественного производства. Уровень технического и экономического развития в значительной степени определяется производством черных металлов.
В общемировом производстве металлов свыше 90 % приходится на производство железа и его сплавов. Преимущественным применением в самых разных областях техники и в быту черные металлы обязаны своим ценным физическим и механическим свойствам, а также широкому распространению в природе распространению железных руд и сравнительной простоте и дешевизне производства чугуна и стали. По данным IISI (Международного института чугуна и стали), производство железа в настоящее время составляет около 800 млн. тонн в год. Страны СНГ (6 стран) суммарно произвели за январь- апрель 2009 года 36,93 млн. тонн стали.
Большое значение имеют на мировом рынке черной металлургии и ферросплавы, производство ферросплавов стоит на 3 месте после производства стали и чугуна (20 % от общей суммы). Мировое производство ферросплавов по оценке IISI на сегодняшний день находится на стабильно высоком уровне.
В Казахстане на Аксуйском ферросплавном заводе производство ферросплавов составляет свыше 1,0 млн. т в год. Марки всех выпускаемых ферросплавов соответствуют эталонам качества и имеют широкий рынок сбыта: Россия, Япония, Китай, Индия, США, страны ЕЭС. На данный момент ферросплавные металлургические предприятия России просто не могут обойтись без поставок из Казахстана (поставщик транснациональная компания Казхром). Следовательно, даже с учетом этого, производство ферросплавов и развитие отрасли, в условиях кризиса, будет находиться в положительной тенденции. Однако наряду с этим есть и серьезные проблемы, которые необходимо решать: низкое извлечение ведущих элементов, уровень экологической чистоты и основные параметры плавильных агрегатов. Многие предприятия в Казахстане работают рентабельно благодаря низким экологическим требованиям и их выбросам. Особенно вредными в ферросплавном производстве является двухвалентный марганец и шестивалентный хром, отнесенные ко второму классу опасности.
В наше время, ферросплавная отрасль остается важнейшим звеном отечественной металлургии. Будущее развитие Аксуйского ферросплавного завода связывается с увеличением выпуска конкурентоспособных на мировом рынке ферросплавов, ферромарганца и кремнистых ферросплавов с дальнейшим созданием производств по выпуску высококачественных легированных сталей различного ассортимента. Наличие в Казахстане разнообразных и крупных по запасам месторождений минерального сырья служит реальной базой для производства сплавов и лигатур, развитие энергетических и производственных мощностей для его переработки и научно-технического потенциала в области металлургии стали и сплавов.
На основании анализа литературных данных, нами была поставлена задача, изучить физико-химические свойства ферросплавов и рассчитать электродуговую печь на производство ферросилиция.
В дипломной работе выполнен дифференциальный сканирующий, термогравиметрический калориметрический, рентгенографический, электронно-микроскопический анализы, исследованы магнитные свойства образцов. На основании полученных данных обосновано проектирование установки для получения ферросилиция в условиях Казахстана, выполнен металлургический расчет процесса, определены параметры электродуговой печи для производство ферросилиция, выполнен экономический расчет и разработанных мероприятия по ОТ и ТБ [1].

 

1 Аналитическая часть

1.1Ферросплавное производство в Республики Казахстан


Ферросплавное производство в республики представлено транснациональной компанией «Казхром» в составе АО «Донской Гок», АО «Аксуский завод ферросплавов», АО «Феррохром», ТНК «Казхром» имеет 42 электропечи с общей мощностью более 1000 МВа, производство свыше 1млн т ферросплавов и около 2,5 млн. т товарной хромовой руды в год.
В Казахстане ферросплавы производятся на двух крупных ферросплавных заводах – Аксуском и Актюбинском, выпускающих массовые марки ферросплавов: ферросилиций + феррохром и силикомарганец. Казахстан занимает видное место в мире по производству ферросплавов и является одним из крупнейших из экспортеров.
В последнее время возросли объемы выпуска ферросплавов, построены мощности по переработке шлаков. Освоена технология выплавки марганцевых сплавов из собственного сырья. Сейчас Казахстан производит 1100 тыс. т ферросплавов в год, что на 400 тыс. т больше достигнутого показателя 1996 г.
Аксуский завод ферросплавов (АЗФ) был запущен в эксплуатацию в 1968 г. Это одно из крупнейших и уникальных предприятий в мире по производству ферросплавов. Его проектная мощность 1,0 млн. т ферросплавов в год. Завод имеет в своем составе четыре плавильных цеха и комплекс вспомогательных цехов и участков.
Основная номенклатура выпускаемой продукции – феррохром, ферросилиций, ферросиликохром, ферросиликомарганец и марганцевые сплвы.
Сырьевой базой предприятия является: хромовая руда (АО «Донской ГОК»), кварцит (АО «Алаш»), марганцевый концентрат (АО «Жайремский ГОК», АО «Элрос Казахстан», АО «Алаш»), кокс (Алтайский коксохимический завод), электродная масса (Челябинский электродный завод).
Перспектива развития предприятия связывается с наращиванием производства сплавов за счет улучшения использования действующих мощностей. Объем производства феррохрома составил 680 тыс т к 2003 г., т.е. по сравнению с 1997 г. Увеличился на 135 %. При этом внутреннее потребление ФХ с 16,8 тыс. т в 1997 г. Возросло до 29,9 тыс. т в 1999 г. И сохранилось на этом уровне до 2003 г.
В целом сдвиг в сортаменте продукции происходил в направлении повышения доли феррохрома и марганцевых сплавов, наиболее конкурентоспособных на мировом рынке продуктов. До начала 1990-х гг. АЗФ было полностью ориентировано только на производство сплавов с кремнием – ФС45, ФС65, ФС75. В настоящий период АЗФ значительно расширил сортимент выпускаемых сплавов и производит следующую металлопродукцию:
Ферросилиций марок ФС65 и Фс75 с годовым объемом производства 105350 т.
Углеродистый феррохром марок ФХ800 и ФХ900 – 563930 т/год, при потреблении хромовой руды Донского месторождения – 1579012 т/год, содержащей мелочь 30 % (473700т)
Силикомарганец марки ФСМн с годовым объемом производства 86400 т с потреблением 198720 т/год низкофосфористого марганцевого концентрата центрально казахстанских месторождений, содержащего мелочь 60 % (119230 т.).
В целях дальнейшего развития производства и расширения сортимента выпускаемых ферросплавов Аксуский завод ферросплавов ищет пути решения следующих взаимосвязанных проблем, возникших в ферросплавном переделе и в горно-обогатительном комплексе:
- расширение объема производства силикомарганца с запуском еще двух печей и обеспечение их сырьевой базой путем решения вопроса окускования марганцевой мелочи.
- усовершенствование существующей технологии выплавки силикомарганца для повышения извлечения марганца из сырья до 80-83 %, снижение расхода электроэнергии и повышение производительности печей.
- освоение производства углеродистого ферромарганца марки ФМн78 с обеспечением его сырьевой базой.
Перспективы Шуского завода ферросплавов таковы:
- специализация цехов по производству ферросплавов;
- строительство электропечей с использованием постоянного тока для переработки отходов и некондиционных продуктов;
- строительство цеха окомкования мелочи рудных материалов (в том числе шлаков и пылей газоочисток) и восстановителей;
- реконструкция системы шламоудаления с закрытых печей в целях использования хромсодержащих шлаков в качестве возврата;
организация производства кокса из экибастузских коксующихся углей [2].


1.2 Актюбинский завод ферросплавов (АкЗФ)


Производит углеродистый феррохром (ФХ800, ФХ900) – 93850 т/год, рафинированные марки феррохрома – 33900 т/год с потреблением хромистой руды Донского месторождения 296700 т/год, содержащей мелочь 30 % (89000 т). Однако для дальнейшего развития производства, а также достижения меньшей зависимости от меняющейся конъюнктуры рынка сбыта сплавов с хрома АкЗФ в настоящее время принимает следующее меры, расширяющее сортимент выпускаемых сплавов и снижающие себестоимость сплавов с хромом:
- обогащение титановой руды с получением ильменитового концентрата, его окускование и освоение производства ферротитана марки ФТ75;
- оптимизация технологии выплавки рафинированных сортов феррохрома.
- освоение технологии выплавки металлического хрома и ее оптимизация;
- окускование мелочи хромистовой руды, образующейся на заводе после рассева;
- разработка технологий и организация производства широкого сортамента ферросплавов малой группы, ранее не производимых в Казахстане (ферровольфрам, ферромолибден, магнийсодержащих лигатур, ферроцирконий и т.д.).
В состав предприятия входит - основное производство, представленное тремя плавильными цехами:
- цех № 1 с семью открытыми электропечами и двумя конвертерами,
- цех № 2 с семью печами,
- цех № 3 с вакуумметрическими и алюмотермическими отделениями для выпуска феррохрома, модификаторов и лигатур.
Попутная продукция: карбид кальция, кирпич силикатный, щебень шлаковый, порошки (абразивный, огнеупорный, ферропыль), кислород, азот, углекислый газ, стекло натриевое жидкое, огнеупоры (кирпич огнеупорный, сифоновый припас), известь.
Экспорт ферросплавов осуществляется в США и почти во все европейские страны. Отгрузка продукции осуществляется при разнарядке трейдера – фирмы «Alloys Finland» по портам западного направления – Клапейда, Херсон, Таллинн.
Управляющая национальная компания «Казхром» проводит гибкую инвестиционную стратегию, своевременно реагируя на конъюнктуру рынка перестраивая производства на выпуск ферросплавов, необходимые потребителю.
Приоритеты развития предприятия: расширение сырьевой базы производства ферросплавов; расширение номенклатуры и повышение качества производимой продукции; внедрение систем автоматизации производства и учета движения материальных и финансовых потоков; решение экологических проблем производства за счет внедрения мероприятий по сокращению вредных выбросов; переход на безотходные и энергосберегающие технологии, переработка шлакового отвала.
В связи с тем, что Казахстан обладает уникальной сырьевой базой хрома, стратегия и тактика в хромовой подотрасли должны быть ориентированы на снижение экспорта хромовой руды и увеличение выпуска высококачественных ферросплавов.
На предприятии осуществляется следующие мероприятия по модернизации и техническому перевооружению:
- капитальный ремонт плавильных агрегатов с увеличением на ряде из них мощностей трансформаторов;
- освоение производства металлического хрома и безуглеродистого феррохрома, объем производства которых соответственно возрастает с 2,0 тыс. т. в 2000 г. до 3,6 тыс. т в 2005 г.;
- улучшение качества перерабатываемого сырья за счет расширения производства брикетов из мелких классов хромовой руды, объем производства которых возрастает с 24 тыс. т в 1999 г. до 200 тыс. т в 2005 г.;
- объем производства товарных ферросплавов в 2005 г. увеличился на 19,073 тыс. т по отношению к 1999 г.
Перспективы и цели в развитии Актюбинского завода ферросплавов:
- выпуск новых видов продукции (рутил и циркониевые концентраты, ферротитан, азотированный феррохром и др.);
- совершенствование конструкции и увеличение эффективности работы газоочистных сооружений;
- сокращение потерь хрома, извлечение хрома из шлаков существующего отвала;
- увеличение выпуска продукции за счет модернизации печей с повышением мощностей печных агрегатов.
Перед Донским ГОКом стоит проблема окускования мелочи добываемой хромитовой руды методами окатывания или агломерации. Для решения этой проблемы Европейской группе предстоит организация производства хромитовых окатышей на ССГПО или создание цеха окускования непосредственно в ДонГОКе.
На Темиртауском химико – металлургическом заводе (ТХМЗ) (бывшие ПО «Карбид») в 1998 – 2000 г.г. проведена крупная реконструкция цеха В – 20 и организовано производства углеродистого ферромарганца марки ФМн78 из концентратов руд месторождения Богач. Достаточно устойчивый спрос на рынке сбыта марганцевых сплавов определило низкое содержание фосфора. Производительность перестроенной печи РПО – 60 равна 45 тыс. т ферромарганца в год.
В ближайшее 5 – 6 лет на ТОО «ТХМЗ» планируется дальнейшее увеличение производства сплавов марганца путем строительства цеха с двумя печами, выплавляющими силикомарганец. Для этого предприятие должно укрепить сырьевую базу и решить ряд проблем, касающихся горнодобывающего передела, таких, как:
- расширение добычи товарной марганцевой руды до 250 тыс. т в год;
- освоение эффективных методов ее обогащения;
- вовлечение в металлургический передел мелкой фракции марганцевой руды и концентрат [2].

 

 

1.3 Основные направления развития ферросплавного производства


По объему, качеству и сортаменту выпускаемых ферросплавов промышленность Казахстана находится на уровне технически развитых стран, но при этом отстает от них по удельному расходу электроэнергии, извлечению ведущих элементов, уровню экологической чистоты и основным параметрам плавильных агрегатов. Это связано с некачественной подготовкой сырья, фракционированием, сушкой, окускованием, подогревом перед плавкой, а также утилизацией тепла и отходящего газа.
По конструкционному исполнению электропечи СНГ, в том числе и в Казахстане, также уступают зарубежным: недостаточно автоматизированы и с большим сроком эксплуатации (от 20 до 53 лет).
Многие предприятия в Казахстане работают рентабельно благодаря низким экологическим требованиям к их выбросам. Особенно вредными в ферросплавном производстве являются двухвалентный марганец и шестивалентный хром, отнесенные ко второму классу опасности.
Производство малотоннажных сплавов и лигатур для черной металлургии в Казахстане ранее фактически не существовало, и только в 1998 г. начато производство комплексного сплава ферросиликоалюминия из углеотходов на заводе ФСА в г. Экибастузе. В настоящий момент на этом заводе действуют две печи и устанавливается третья печь. Объем производства 2,5 тыс. т сплава в год.
Организация и развитие наиболее реального и экономически оправданного в условиях Казахстана производства новых сплавов возможны на основе кремния, алюминия, бария, хрома, титана, вольфрама и молибдена, месторождения руд которых по запасам и качеству не уступают крупным месторождениям мира.
На Актюбинском заводе ферросплавов (АкЗФ) планируется организация впервые с применением магнийтермического способа выпуска ферротитана, содержащего 75 % Ti, имеющего спрос на металлургических и машиностроительных предприятиях аэрокосмической промышленности и циркониевых сплавов. Для реализации данного проекта предусматривается освоение следующих месторождений ильменитовых руд: Шокашского в Актюбинской области, Обуховского в Кокшетауской области и Караоткельского в Восточно – Казахстанской области. При обогащении руд указанных месторождений получены селективные товарные концентраты: ильменитовый, рутиловый и циркониевый.
Кроме повышения ТЭП процессов новые направления в производстве ферросплавов диктуется все большим ужесточением требований потребителей к качеству сплавов по очистке от вредных и попутных примесей. В связи с этим большое распространение при выплавке металлического хрома, марганца, кремния, лигатур и модификаторов получили способы внепечной обработке сплава, ранее широко применяемые при обработке качественных марок стали. К ним относится вакуумная обработка; обработка сплавов шлакообразующими смесями; продувка сплава инертными газами, совмещаемая с переплавом в вакуумных индукционных печах (ВИП) и вакуумных дуговых печах (ВДП); процессы ГРЭ (гарниссаж – расходуемый электрод). Особо чистые металлы в небольших количествах выплавляют в электроннолучевых печах (ЭЛП). Что примечательно, внепечная обработка ферросплавов все больше применяется и при выплавке массовых, крупнотоннажных ферросплавов.
На требования потребителей ориентируется и методы у плавки сплавов, особенно высокоактивных комплексных сплавов и модификаторов с РЗМ и ЩЗМ, такие, как закатывание их в проволоку, поставки в порошкообразном виде для вдувания в сталь. Производители ферросплавов Казахстана проводят активную работу по всем перечисленным аспектам. Планируется мероприятия по расширению сырьевой базы, сортимента выпускаемой продукции, повышение ТЭП и качества ферросплавов, перевооружение обогатительных и ферросплавных мощностей, маркетинговые исследования рынков сбыта. В связи с часто меняющейся конъюнктурой на рынках сбыта остро стоит вопрос обеспечения мобильности плавильных агрегатов – крайне необходимы разработки эффективных технологических мероприятий, позволяющих на имеющихся печах производить широкий спектр ферросплавов.
Основные проблемы производства ферросплавов в Казахстане:
- организация рационального использования сырьевых ресурсов с разработкой различных схем добычи и обогащения руд разных месторождений с получением концентратов товарных и целевого назначения;
- разработка способов окускования и предплавочной подготовки шихтовых материалов;
- технологический поиск более дешевых углеродистых восстановителей, альтернативных коксу;
- разработка эффективных технологий выплавки широкого сортимента ферросплавов, лигатур, модификаторов и флюсов из регионального сырья;
- обострение решение проблемы получения качественных по включениям ферросплавов большой группы(ферросилиций, ферромарганец, феррохром), соответствующих международным стандартам;
- отсутствие внепечных способов обработки сплавов;
- отставание (несоответствие современным требованиям) уровня технико-экономических показателей производства;
- низкий уровень механизации и автоматизации процессов;
- техническая отсталость и необходимость модернизации плавильных агрегатов для увеличения ТЭП процессов и ограничения вредного техногенного влияния на окружающую среду, нерешенность проблем утилизации отходов производства.
В ферросплавном производстве основной упор необходимо сделать на увеличение выпуска конкурентно способных на мировом рынке ферросплавов, ферромарганца и кремнистых ферросплавов с дальнейшим созданием производств по выпуску высококачественных легированных сталей различного ассортимента. Наличие в Казахстане разнообразных и крупных по запасам месторождений минерального сырья служит реальной базой для производства сплавов и лигатур, развития энергетических и производственных мощностей для его переработки и научно – технологического потенциала в области металлургии стали и сплавов.
Наиболее актуальные в текущей период исследования и разработки новых технологий получения качественных сталей и сплавов из имеющихся запасов сырья следующие:
- технологии выплавки ферросплавов малой группы, ферротитана с содержанием 75 % титана магнийтермическим способом, схемы эффективного обогащения вольфрам – и молебденсодержащих руд и освоение производств дефицитных сплавов, таких, как ферровольфрам и ферромолибден;
- технологии выплавки различных сплавов и лигатур на основе титана, магния, вольфрама, молибдена, циркония и бериллия;
- технологические схемы добычи и обогащения хромистовых, марганцевых и железно – марганцевых руд, имеющих большое стратегическое значение, с максимальным извлечением, как ведущих элементов, так и попутных РЗМ;
- технологии выплавки комплексных сплавов и лигатур, содержащих барий и бор;
- организация производства нержавеющих и высоколегированных марок сталей, для чего необходимо провести комплекс мероприятия по созданию собственного производства никельсодержащих сплавов;
- технологии выплавки качественных марок сталей с использованием комплексных сплавов с активными элементами (Ca, Ba и пр.), полученными из регионального сырья.
Решение перечисленных проблем позволит вывести предприятия ферросплавного и сталеплавильного переделов на качественно новый уровень – производства наукоемкой продукции, спрос на которую с сокращением мировых запасов и ростом доли выпускаемых сложнолегированных и качественных сталей будет возрастать. В свою очередь, наличие собственно производства легирующих и модифицирующих сплавов и лигатур облегчит организацию новых сталеплавильных предприятий для выпуска конкурентно способных марок сталей и изделия из нее, имеющихся большую добавленную стоимость.
Наряду с этим предстоит решить проблемы по улучшению охраны окружающей среды, такие, как:
- внедрение новых эффективных процессов пылеулавливания;
- вопросы очистки отходящих газов и шламов;
- нейтрализация вредных веществ и их утилизация.
Запасы марганцевых руд позволяют организовать крупномасштабное производство по их переработке, получению концентрата, пригодного для переработки в ферросплавы, а также получению ферромарганца, завозимого в настоящее время из-за рубежа [2].


1.4 Виды продукции Аксуйского завода ферросплавов

1.4.1 Ферросилиций


Доменный ферросилиций содержит до 14 % Si. Ферросплавная промышленность выпускает ферросилиций 3 марок: 45 %-ный (43-50 % Si), 75 %-ный (72-78 % Si), 90 %-ный (87-95 % Si).
Процесс производства ферросилиция основан на восстановлении кремнезема кварцита твердым углеродом восстановителей по реакции:
SiO2 + 2С = Si + 2СО (1)

При выплавке ферросилиция используется кварцит, восстановитель (кокс, каменный уголь), стружка, щепа. Кварцит и восстановитель дробятся и рассеваются, стружка и щепа подаются без дополнительной подготовки. Шихта поступает в печные бункера, из которых она по труботечкам поступает в печь. Растворение восстановленного кремния в железе облегчает процесс восстановления. Стоимость электроэнергии составляет существенную долю (46 %), расходов при производстве ферросилиция. На отечественных заводах ферросилиций выплавляют в трехфазных печах, мощностью 7400 – 12000 кВт при напряжении 145 -170 В. Средний расход электроэнергии на 1 тонну 45 %-ного ферросилиция достигает 8500 кВт∙ч.
В таблице 1 приведены марки и состав производимого ферросилиция на Аксуйском заводе ферросплавов.
Большая часть ферросилиция производится по коксохимической технологии, дающей не слишком чистый и высокоуглеродистый сплав. А в мире опережающими темпами растет спрос на чистый низкоуглеродный ферросилиций (для производства современных электротехнических и специальных сталей). На сегодняшний день производство Аксуйского завода ферросплавов направлено именно на решение этой проблемы: производство современных марок ферросилиция и силикомарганца. Марки производимого ферросилиция, приведенные в таблице 1, отвечают всем имеющимся мировым эталонам качества.
В Казахстане, имеющего конкурентные преимущества по себестоимости, производство ферросилиция, к сожалению сокращается. В I квартале 2009 года по данным Казхрома оно составило только 88,2 % от уровня прошлого года. В марте его выпущено только 57 тыс.т. - около 1 % мирового производства.


Таблица 1
Виды марок и состав производимого ферросилиция
МАРКА Массовая доля, % Базовое содержание основного элемента, %
Si C S P Al Mn Cr
Не более
ФС 90 87-95 0,1 0,02 0,03 3,5 0,3 0,2 90
ФС 75 74-80 0,1 0,02 0,04 3,0 0,4 0,3 75
ФС 75 литейный 74-80 0,1 0,02 0,05 1,5 0,3 0,3 75
ФС 45 41-47 0,2 0,02 0,05 2,0 1,0 0,5 45
ФС 45 литейный 41-47 0,2 0,02 0,05 1,5 0,6 0,5 45



Рисунок 1. Динамика роста цен на ферросилиций за 2009 год


В целом конкуренция на мировом рынке ферросилиция остается высокой, дефицита сырья нет, поэтому аналитики прогнозируют небольшое снижение цен и их стабилизацию в 2009 году [3,4].
1.4.2 Феррохром


Технологический процесс выплавки феррохрома складывается из восстановления оксидов хрома и железа хромовой руды кремнием ферросиликохрома по реакциям:

2 Cr2O3 + 3Si = 4Cr + 3SiO2 (2)
2FeO + Si = 2Fe + SiO2 (3)

Шихта, применяемая для выплавки низкоуглеродистого феррохрома: хромовая руда, известь, ферросиликохром. Ферросиликохром дробится, руда и известь подаются без подготовки. Шихта подается в печные бункера, откуда по труботечкам поступает в печи. После проплавления шихты из печи выпускают шлак и металл. Разливка металла производится в чугунные изложницы. Шлак в ковшах вывозится в цех сепарации шлаков.
Существует производство феррохрома среднеуглеродистого и высокоуглеродистого. Процесс производства феррохрома среднеуглеродистого аналогичен производству низкоуглеродистого феррохрома, но сплав содержит повышенное содержание углерода. Увеличение содержания углерода в сплаве производится введением в шихту передельного (высокоуглеродистого) феррохрома. Состав шихты: хромовая руда, известь, ферросиликохром, передельный феррохром.
При выплавке высокоуглеродистого феррохрома происходит восстановление железа и хрома из оксидов в руде углеродом восстановителей по реакциям:

3(FеО.Сr2O3) + 3С = ЗFе + ЗСr2O3 + 3СО (4)
2/3 Cr2O3 + 18/7С = 4/21 Сr7С3 + 2СО (5)

Выплавка углеродистого феррохрома является шлаковым процессом. Состав шихты при выплавке высокоуглеродистого феррохрома: хромовая руда, восстановитель (кокс, каменный уголь), кварцит. Хромовая руда перед подачей на печь дробится, углеродистые восстановители подаются на печь без подготовки, кварцит дробится и рассевается. Подготовленная шихта поступает в печные карманы, из которых она по труботечкам поступает в печь. Процесс выплавки высокоуглеродистого феррохрома непрерывный. Феррохром и шлак выпускают в сварной футерованный ковш и шлаковни. Металл разливается в изложницы, шлаковни со шлаком вывозят на переработку.
Характеристики феррохрома приведены в таблицах 2-4, динамика роста цен на феррохром – на рисунке 2.

 

Таблица 2
Виды марок и состав производимого производственного низкоуглеродистого феррохрома

МАРКА Массовая доля, %
Cr C Si P S Al
не менее не более
ФХ001А 68 0,01 0,8 0,02 0,02 0,2
ФХ001Б 0,03
ФХ002А 0,02 1,5 0,02
ФХ002Б 0,03
ФХ003А 0,03 0,02
ФХ003Б 0,03

Таблица 3
Виды марок среднеуглеродистого феррохрома

МАРКА Массовая доля, %
Cr C Si P S
не менее не более
ФХ200А 2,0 0,03 0,02
ФХ200Б 0,05 0,04
ФХ400А 4,0 0,03 0,04

 

Таблица 4
Виды марок высокоуглеродистого феррохрома
МАРКА Массовая доля, %
Cr C Si P S
не менее не более
ФХ650А 65 6,5 2,0 0,03 0,06
ФХ650Б 0,05 0,08
ФХ800А 8,0 0,03 0,06
ФХ800Б 0,05 0,08



Рисунок 2. Динамика роста цен на феррохром за 2009 год

В мире более 80 % феррохрома находит применение в производстве нержавеющих и специальных сталей. Цены на феррохром различается в зависимости количества содержания в нем других компонентов. Для сравнения цен на мировом рынке рассмотрим марки с одинаковым содержанием углерода, хрома и кремния, т.е. менее дефицитный высокоуглеродистый феррохром.
Оценки аналитиков говорят о том, что мировое потребление феррохрома в прошлом году почти вдвое опередило цифры статистики по росту выпуска нержавейки. Спрос на хром вырос на 15 % в 2007 году. Кроме того, на мировом рынке явно обостряется дефицит хромового сырья. В отличие от марганца более половины хромового сырья в мире добывается в одном регионе (ЮАР – 52 %). Вместе с Казахстаном (28 %) - это 80 % руды.
Вмешивается в этот рынок и экология. Развитые страны явно сокращают токсичные хромовые производства, включая феррохром. Конкуренция производителей хрома в Америке и ЕС сокращается, а развивающиеся страны (прежде всего Индия и Китай) расширяют его производство и применение. Новая тенденция последних лет - расширение производства недорогих безникелевых нержавеющих сталей (серии 200), т.е. рост нового сектора сбыта хрома. В целом по миру перспективы рынка феррохрома оцениваются экспертами очень высоко [3,4].


1.4.3 Ферромарганец


Ферромарганец – ферросплав, содержащий 70-85 % Mn и применяемый для раскисления и легирования стали, чугуна, сплавов, а также для обмазки сварочных электродов. Изготовляют: низкоуглеродистый ферромарганец (ФМн 0,5), среднеуглеродистый (ФМн 1,0А; ФМн 2,0 и др.), высокоуглеродистый (ФМн 78К, ФМн 75АС6 и др.). В обозначении марок буквы означают Ф – Fe, Мн – Mn, А – пониженное содержание P, К – пониженное содержание калия, С – повышенное содержание Si. Цифры обозначают максимальную долю C в марках низко- и среднеуглеродистого ферромарганца и минимальную долю Mn в марках высокоуглеродистого ферромарганца. ГОСТ 455-80.

Рисунок 3. Динамика роста цен на ферромарганец на 2009
С 1 января 2009 года в США цена на ферромарганец снизилась на 30 % до $ 650 за тонну, а в странах ЕС упала на 27 % до $ 970 за тонну. В Китае (пока) меньшие изменения цен, однако их снижение продолжается. Введение властями КНР в действие экспортной пошлины с 1 января 2009 года на ферромарганец в размере 5 % приблизило внутренние цены китайского рынка к мировым ценам на марганцевые ферросплавы. Ситуация с ферромарганцем на мировом рынке в 2009 году складывается весьма схожая [3,4].


1.5 Проблемы производства комплексных сплавов


В Казахстане производство такой высоколиквидной ферросплавной продукции, как марганцевые ферросплавы, необходимые для выплавки качественных сталей, в том числе специальных легированных, не организовано, а марганцеворудные сырье Жайремским ГОКом поставляется в Россию, на Украину и в Грузию.
В связи с этим важной задачей является освоение марганцевого сырья с организацией впервые в республики выплавки марганцевых сплавов, без которых невозможно обеспечение металлургического комплекса качественными видами металлопродукции. Проблема обостряется вследствие критического положения на предприятиях (АО «Миттал Стил Темиртау», Павлодарский тракторный и другие машиностроительные заводы, литейные предприятия, сварочное производство и т.д.) из-за перебоев в импорте сплавов марганца с Украины и из России. К тому же Россия также испытывает дефицит в марганцевых ферросплавах.
В стране есть все условия по созданию собственного производства качественных (низкофосфористых) марганцевых ферросплавов из местного минерального сырья. Помимо отмеченной сырьевой базы имеются свободные мощности электротермического производства, достаточный объем научно-технологических разработок по производству сплавов марганца из казахстанского сырья, квалифицированные инженерно – технические и рабочие кадры по электрометаллургии. В Казахстане выгодно развивать энергоемкие производства, каковыми является ферросплавное производство, благодаря Экибастузскому топливно-энергетическому комплексу, обеспечивающему регион дешевой электроэнергией.
Запасы марганцевых руд страны могут обеспечить потребность развития отечественной металлургии на десятилетия (более 40 лет). Предложение организовать производство сплавов марганца в Казахстане в советское время не находило поддержки со стороны отраслевых министерств, поскольку казахстанские руду использовались в качестве безфосфористых присадок шихты для получения стандартных марганцевых сплавов из фосфористых руд Украины.
В настоящее время разрабатываются крупное месторождение Ушкатын 3 и ряд малых месторождений (Богач, Жомарт, Камыс). Главным достоинством марганцевого сырья Казахстана является низкое содержание в нем фосфора, что обеспечивает получение низкофосфористых (качественных) ферросплавов: силикомарганца (фосфора менее 0,15 %) и углеродистого ферромарганца (фосфора менее 0,25 %). В настоящее время производится около 500 тыс. т ушкатынского концентрата (35-40 % Mn, 10 % SiO, 5-10 % Fe). Ушкатынские кусковые концентраты (10-50 мм) пригодны для электроплавки без предварительной подготовки.
Организация собственного производства марганцевых сплавов обеспечивает удовлетворение потребностей сталеплавильного и литейного производств, машиностроительной отрасли и позволяет стране выйти на международный рынок как экспортеру низкофосфористых марганцевых ферросплавов. Производство марганцевых ферросплавов наряду со сплавами хрома и никеля является основой для выплавки нержавеющих и жаропрочных сталей.
Обобщая изложенное, следует выделить актуальные задачи освоения производства сплавов марганца:
- совершенствование технологии и организация стабильной массовой выплавки рядовых марганцевых сплавов (силикомарганца, ферромарганца, углеродистого ферромарганца) на основе расширения сырьевой базы (вовлечение в производство сырья месторождений Богач, Жомарт, Камыс, Арап и др.);
- рациональное использование минерального сырья посредством разработки новых способов обогащения и окускования руд и концентратов, обеспечивающих их экономически эффективный электротермический передел на ферросплавы;
- повышение конкурентоспособности марганцевых сплавов путем улучшения качества и снижения себестоимости за счет применения технологии с заменой части дорогого восстановителя- металлургического кокса на дешевый высокозольный уголь;
- снижение энергоемкости процесса выплавки ферросплавов и повышение производительности печного агрегата;
- снижение себестоимости ферросплавов посредством разработки технологии плавки с использованием отходов производства;
- в связи с выработкой в республике основной массы окисленных разновидностей марганцевых руд в ближайшие пять лет и поступлением в передел первичных марганцевых руд (природно-офлюсованных, с основностью более 1,0) разработка сквозной технологии передела природно-офлюсованных руд;
- разработка технологии извлечения содержащихся в марганцевом сырье ценных элементов (свинца, цинка, галлия, таллия и др.) посредством перевода их при электротермии в возгоны, улавливания пыли и последующей гидрометаллургической обработки пыли;
- модернизация и реконструкция ферросплавных печей.
Решение перечисленных научно-технических задач обеспечит комплексное и рациональное использование марганцевого сырья Казахстана с получением конкурентоспособных сплавов марганца, дефицит в которых в республике составляет по силикомарганцу и углеродистому ферромарганцу по 50 тыс. т в год.
Одно из направлений исследований и разработок в области ферросплавов ХМИ им. Ж. Абишева представлено работами по комплексным сплавам с активными элементами. Из серии опытных комплексных сплавов (АМС, КАМС, ФХМиС, ФАСК, ФАСКБа и др.) наиболее перспективным и технологичным в плане реализации оказался ферросиликоалюминий (ФСА) – комплексный сплав, используемый для легирования и раскисления стали, содержащий до 20 % алюминия и 55-65 % кремния. Потребность металлургии стран СНГ в сплавах типа ФСА составляет 200 тыс. т в год. Такой объем производства ФСА потребует утилизации более 600 тыс. т углеотходов, что позволит также решить экологические проблемы региона.
В ХМИ им. Ж. Абишева также разработана одностадийная технология электротермического производства подобного сплава – ферросиликоалюминия из отходов угледобычи (внутренней вскрыши Экибастузского бассейна) с высокой (51-85 %) зольностью при содержании углерода до 30%, что обычно исключает расход кокса при плавке и обеспечивает снижение себестоимости не менее чем на 30 % по сравнению с традиционным способом сплавления ферросилиция и алюминия [2].


1.6 Выводы по аналитической части


В условиях обостряющейся конкурентной борьбы на внутреннем и мировом рынках ферросплавов весьма актуален рост их конкурентоспособности за счет снижения затрат на производство, повышения качества продукции и расширения ее сортамента. Основные поиски ведутся с учетом всего комплекса инженерно-технических и технологических мероприятий, воплощение которых в производство обеспечивает максимально высокие технико-экономические показатели процессов. Повышение технико-экономических показателей ферросплавных процессов ведется по всем возможным направлениям. К ним относятся:
- рациональная подготовка сырья перед плавкой (классификация сырья по фракциям, окомкование мелочи, тщательное усреднение, подогрев шихты до 650-850 °С);
- оснащение рудовосстановительных электропечей автоматизированными системами управления технологическим процессом, позволяющим снижать удельный вес электроэнергии на 8-10 %, улучшить условия труда персонала;
- поиск альтернативных коксу углеродистых восстановителей, разработка и внедрение технологий, адаптированных к используемому сырью и обеспечивающих высокое извлечение ведущих элементов сплава;
- расширение сортамента ферросплавной продукции в направлении увеличения выпуска сплавов для микролегирования и модифицирования, позволяющих улучшить качество стали, снизить удельный расход стандартных ферросплавов;
- использование отходов как собственного производства, так и других отраслей, что снижает затраты на сырье и улучшает экологическую обстановку на предприятиях и вокруг них;
- более эффективная утилизация колошниковых газов и тепла электропечей;
- обновление основных фондов, реконструкция или полная замена старого оборудования с максимальной механизацией и автоматизацией технологических процессов.
Для последующего в работе расчета электродуговой печи нами принимается ферросилиций, т.к. он является наиболее перспективным и конкурентоспособным ферросплавом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Физико-химические исследования ферросплавов


Предварительно нами выполнены физико-химические исследования свойств основных ферросплавов Аксуйского ферросплавного завода. Использовались:
- электронная микроскопия;
- дифференциальный термический анализ;
- рентгенография;
- магнитометрия;
- сканирующая калориметрия.


2.1 Методика и аппаратура

2.1.1 Низковакуумный растровый электронный микроскоп


В работе использовался Низковакуумный растровый электронный микроскоп Jeol JSM – 6490 LA. Увеличение в 5 – 300000 раз, разрешающая способность до 3 нм.
Низковакуумный растровый электронный микроскоп позволяет определять химические элементы в диапазоне от Be до U, минералогический состав сырья рудных и нерудных месторождений, содержание базовых металлов и токсичных примесей отходов производства, состав любого вида сталей (конструкционных), а также сплавы на основе меди (бронз, латуней различного состава и т.п.), кристаллические структуры металлов и химических соединений, порошковые материалы.

2.1.2 Рентгеновский дифрактометр XPert MPD PRO (PANalytical)


Рентгеновский дифрактометр может быть использован для:
- проведения качественного анализа фазового состава материалов;
- количественного рентгеновского анализа строения фаз (определения параметров кристаллических решеток фаз, класса, группы и относительных количеств фаз, внутренних напряжений, влияние состава, температуры, давления, скорости охлаждения и др.);
- исследования фазовых превращений, строения ультрамелкозернистых, наноструктурированных и аморфных материалов.
Прибор позволяет с высокой точностью проводить измерения интенсивностей и углов рентгеновских отражений в диапазоне температур от 83 до 900 К. База дифракционных данных PDF – 2 составляет более чем 130 тысяч карточек (минералы, органические и неорганические соединения, металлы, сплавы и др.) и обеспечивает фазовый анализ объектов окружающей среды. Снабжен комплексом программного обеспечения и укомплектован планетарной шаровой мельницей PM 200 для измельчения материалов и просеивающей машиной AS 200 для сухого просеивания (максимальная крупность просеивания материала 3мм, минимальный размер отверстий в наборе 25 микрон).


2.1.3 Термогравиметрический, дифференциальный сканирующий калориметр STA 409 PC/PG


Термогравиметрия (ТГ) или термогравиметрический анализ (ТГА) – один из основных методов в термическом анализе. Прибор для ТГ - термо¬весы построен на основе печи, в которой проба механически присоединена к аналитическим весам.

Рисунок 4. Схематическое изображение термовесов

Тремя существенными составными частями современного ТГ- прибора являются весы, печь и система управления прибором и обработки данных. На рисунке 6 приведено схематическое изображение типичных термовесов.
Чувствительные и надежные весы представляют центральную часть прибора ТГ. Для весов требуются чувствительность порядка 1 мкг и максимальная нагрузка 1 г. В большинстве случаев пробы в ТГ- экспериментах фактически весят от 10 до 30 мг. Существует несколько типов механизмов для весов, включая пружинное коромысло, консоль и торсионные весы, но предпочтительнее всех взвешивающий механизм с нулевой точкой, потому что тогда проба всегда остается в одной и той же зоне нагрева печи.
Температурный диапазон печи, используемой в термовесах, зависит главным образом от материалов, из которых печь изготовлена. Благодаря, используемому в печи керамическому огнеупору, оксиду алюминия прибор STA 409 PC (рисунок 5) способен создавать температуру до 1550 °С.

Рисунок 5. Полная установка термогравиметрического, дифференциального сканирующего калориметра STA 409 PC

Прибор объединен с персональным компьютером для управления циклами нагрева и охлаждения, а также для хранения и обработки данных. С применением программного комплекса можно рассчитывать первую производную кривой Δm от Т (ТГ), которая называется кривой производной термогравиметрии (ПТГ). Кривая ПТГ существенно помогает в интерпретации кривых ТГ за счет разрешения перекрывающихся химических реакций. Другим способом разрешения реакций и достижения термодинамического равновесия является использование изотермического нагрева или очень малой скорости нагрева. В квази-изотермической ТГ (называемой также ТГ высокого разрешения или ТГ с контролируемой скоростью) нагревание замедляется, когда начинается изменение веса. Это улучшает разрешение, но с другой стороны, требует больше времени на ТГ – цикл. Потерю времени можно частично компенсировать, устанавливая относительно высокую скорость для тех областей, где не происходит никаких изменений.
Одним из основных элементов устройства STA 409 PC является держатель пробы (рисунок 6). Например, он оказывает огромное влияние на измерения, когда окружающая атмосфера находится в химическом равновесии с пробой. Хорошо известным примером служит разложение карбоната кальция, где открытый держатель пробы позволяет текущему газу эффективно уносить образующийся СО2.

Рисунок 6. Держатель пробы

В то время как термогравиметрия позволяет измерять изменение массы пробы при нагревании или охлаждении, методы дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующей калори¬метрии (ДСК) связаны с изменением изменений энергий. Оба метода тесно связаны друг с другом, давая однотипную информацию.
С практической точки зрения разница заключается в принципах устройства и работы приборов: в ДТА измеряют разность температур между пробой и эталоном, тогда как в ДСК температуры пробы и эталона поддерживают одинаковыми и контролируют разницу в необходимой для этого мощности нагрева. Классический ДТА является наиболее старым методом термического анализа, Ле Шателье предложил его в 1887 г. Сегодня ДТА и ДСК – самые широко используемые термоаналитические методы.
Когда пробу (S) и материал эталона (R) однородно нагревают в печи, и в пробе имеет место эндотермический эффект, ее температура Тs будет отличаться от температуры эталона Тr. Разность температур Т = Тs - Тr регистрируют как функцию температуры Тr, которая практически равна температуре печи, и получают кривую ДТА. Аналогично экзотермическая реакция образует пик, но в противоположном направлении.
В отличие от режима работы в ДТА, в ДСК разность температур между пробой и эталоном поддерживают равной нулю, т.е. ∆Т = Тs – Тr = 0. Это достигается с помощью независимых нагревателей, а метод называют ДСК с компенсацией мощности.
ДТА и ДСК имеют весьма широкий диапазон применений в отношении как типа материалов, так изучаемых физических и химических явлений. Например: плавление, сублимация, адсорбция, десорбция, абсорбция, магнитный переход, изменение теплоемкости, хемосорбция, разложение, окисление, восстановление, горение, реакции в твердой фазе (таблица 5) [5].

Таблица 5
Физические и химические явления, которые можно исследовать с помощью ДТА/ДСК
Наименование явлений Эндотерми-ческие Экзотери-ческие Не детектируются методом ТГ
Физические явления
Фазовые переходы X Х X
Плавление X X
Сублимация X
Адсорбция X
Десорбция X
Абсорбция X
Магнитный переход X
Изменение теплоемкости X
Химические явления
Хемосорбция X
Разложение X или X
Окисление Х или X
Восстановление X или X
Горение X
Реакции в твердой фазе X или X X

2.2 Исходные материалы


Для физико-химического изучения свойств ферросплавов нами были взяты ферросплавы Аксуйского завода ферросплавов следующего состава (таблица):

Таблица 6
Химический анализ ферросплавов, (%)
Формула Марка Mn Si C P S Cr Al Fe
FeSiMn ФМн75 67,8 17,7 1,61 0,157 0,025 - - 12,708
FeSi ФС 45 - 44,5 - - - 0,12 1,38 51,5
FeCr ФХ800 0,3 1,5 6,0 0,03 0,05 72,0 0,25 19,87
FeSiCr - 42,4 0,047 - - 35,3 - 22,253


2.3 Результаты и их обсуждение

2.3.1 Результаты рентгенографического анализа


Нами проведен рентгенографический анализ ферросплавов. Задачей рентгенографического анализа было определение структуры исследуемых образцов. На рисунке 7 представлена рентгенограмма феррохрома.


Рисунок 7. Результаты рентгенографического анализа феррохрома

На рентгенограммах четко зафиксированы структурные линии, относящиеся к образованию фазового перехода, определенного, как γ-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), тоже свидетельствующее об образовании соединений. Было установлено, что феррохром обладает тетрагональной кристаллической решеткой.
На рисунке 8 представлена рентгенограмма ферросиликомарганца.

Рисунок 8. Результаты рентгенографического анализа ферросиликомарганца

Межплоскостное расстояние было определено как: 2,40596, 2,22569, 2,12475, 2,04499, 1,74924, 1,97081, 1,30677 (х10-12м). На рентгенограмме, также фиксируются сверхструктуры, тип решетки был установлен как г.ц.к.
На рисунке 9 представлена рентгенограмма ферросилиция.

Рисунок 9. Результаты рентгенографического анализа ферросилиция
Межплоскостное расстояние (х10-12м) 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. Было установлено, что ферросилиций обладает гексагональной структурой. На рентгенограммах четко фиксируется образование сверхструктурных соединений [6].


2.4 Результаты исследования образцов низковакуумным растровым электронным микроскопом

2.4.1 Результаты электронномикроскопического анализа феррохрома


Нами проведен электронномикроскопический анализ ферросплавов. Задачами электронномикроскопического анализа было определение состава, форм частиц и структуры исследуемых образцов. На рисунке 10 представлена микрофотографии феррохрома.

 

Рисунок 10. Микрофотография феррохрома до обжига

 

Рисунок 11. Микрофотография феррохрома после обжига

Результатами микроскопического анализа было установлено, что феррохром представлен плотными, хорошо упакованными частицами без трещин и пор. На отдельных зернах видны волно¬образные наплывы, отражающие анизотропность свойств образцов. Следует отметить законченность формирования частиц большого и маленького размера. Образцы после обжига при увеличении 0,1 мм обладают более гомогенной структурой и плотной упакованностью.
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 волно¬образные 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 волно¬образные 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 γ-фазы, представляющая собой наиболее ярко выраженный фазовый переход, занимающий определенный интервал температур. По некоторым источникам петля γ-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 σ-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 σ-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 γ-фазы, это и подтверждает фазовая диаграмма железо-хром, и результаты рентгенофазового и микроскопического анализов. Предел γ-фазы был установлен при 1390 °С.
Таким образом, пик при 475 °С - 477,1°С - образования σ-фазы, явление «хрупкость при 475 °С», при 624,2 °С - температурный минимум промежуточной σ-фазы, пик при 716,8 °С является температурным пределом этой фазы, пик при 828,1 °С - температурный минимумом петли γ-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 α → γ, γ → α и ε 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 α ׳, (ферросиликомарганец является твердым раствором), температура 552,0 °С – атермическое образование структур, эндотермический пик при 660,2 и 700,0 °С относятся к температурному гистерезису α ↔ γ превращений и последующему образованию нестабильной ε 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 α-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 α в фазу α׳. 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 [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 σ-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 χизм χуд
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 = nk , (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:
bj = . (9)
Значения bj составили величины при термическом анализе ферросплава

b1 = 0,134 b12 = 0,023
b2 = 0,04

Значимость коэффициентов уравнения регрессии можно проверять для каж¬дого коэффициента в отдельности по критерию Стьюдента.
Дисперсия коэффициентов (Sbj) и воспроизводимости (Sвосп) рассчитывались по выражениям:

Sbj = , (10)
где N – количество опытов (N= 4).
Sвосп = , (11)
где Sj2 – дисперсия единичного измерения, определяемая по формуле:
Sj2 = ( Y1 - )2 + (Y11 - )2 (12)
Рассчитанные величины дисперсии равны следующим значениям - при термическом анализе ферросплава:

S12 = 0,000002 S42 = 0,0002
S22 = 0,00005 Sbj = 0,05
S32 = 0,0002
Sвоспр= 0,1

Оценку значимости коэффициентов проводили по критерию Стьюдента:

tj = , (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 парал¬лель¬ных опытов (m = 2 и f = 4 (2 – 1) = 4). Если tj 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:

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

Проверку адекватности полученного уравнения проводили по критерию Фишера:

F = Sост.2/ Sвоспр.2, (16)

где
Sост.2 = , (17)
где L – количество значимых коэффициентов: LFeCr = 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 γ-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 σ-фазы, явление «хрупкость при 475 °С», при 624,2 °С - температурный минимум промежуточной σ-фазы, пик при 716,8 °С является температурным пределом этой фазы, пик при 828,1 °С - температурный минимумом петли γ-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 α ׳, (ферросиликомарганец является твердым раствором), температура 552,0 °С – атермическое образование структур, эндотермический пик при 660,2 и 700,0 °С относятся к температурному гистерезису α ↔ γ превращений и последующему образованию нестабильной ε 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 α в фазу α׳. 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 σ-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.


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 20
Состав шихтовых материалов, %


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 + ½O2 = 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 Al2O3.

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 25о 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:

Qп= 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 +½ 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 + ½O2; ∆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:

qSi = 124,5 + 0,232 ∙1800 = 2271,399 Дж/кг
qFe = 22,26 + 0,1942 ∙ 1800 = 1557,842 Дж/кг
qFe-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 Qр= = 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:Uпср = 7,6 ∙ 50000,4 = 15200 В. Обычно напряжение с низкой стороны трансформатора имеет несколько ступеней, причем диапазон его изменения составляет 0,85 – 1,15 Uпср. Тогда в данном случае Uп должно изменяться в пределах 159 – 215,5 В, что близко к характеристикам промышленных печей.

Рабочий ток: 15000/215,5 = 69,605 кА.

При δ = 8 А/см2;
Fэл = 69605/8 = 8700,62 см2 ;
Dэ = = 105,2 см.
Принимаем Dэ = 1,05 м. плотность тока принимаем меньшую по сравнению с принятым граничным верхнем ее значением. Это способствует повышению надежности работы печи.
Диаметр распада электродов

Dрасп = 3 ∙ 1,05 = 3,15 м.

Средний диаметр ванны при q = 360кВА/м2;

Dср = = 7,2м;
Dср = 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:

Dср: Dср = 2 ∙ 1,395 + 3,15 + 0,5 ∙ 1,05 = 6,465 м

(совпадение с предыдущими расчетами достаточно близкое).
Высота ванны печи

hванны = 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 Ns. 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 (NOX, 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 амор-тизации, 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:

90 • 6 = 540 л.
Расход воды на мытье химической посуды составляет 2 м3.
Стоимость 1 м3 холодной воды составляет 20 тг, тогда 0,18 м3 будут стоить:

0,18 • 20 = 3,6 тг.
Затраты на мытье посуды составляет: 2 • 20 = 40 тг. Следовательно, затраты на холодную воду в течение всех опытов составят:

40 + 3,6 = 43,6 тг за 2 месяца.


4.5 Расчет заработной платы и начислений


Заработная плата руководителя составляет 17500 тг в месяц, а исполнителя – 3500 тг в месяц. Продолжительность работы – 2 месяца, количество работающих – 2. Таким образом, заработная плата работающих составит 42000 тг за 2 месяца. Начисления в страховой фонд определяются в размере установленных 21-го процента от общей суммы выплачиваемой заработной платы (а также в него включены проценты на безработицу, пенсионный фонд и социальный фонд) и равны: 42000 • 0,21 = 8820 тг
Начисления в фонд занятости – 2 , следовательно:

42000 • 0,02 = 840 тг.
накладные расходы – 20 %, следовательно:
42000 • 0,2 = 8400 тг,
итого заработная плата со всеми начислениями составит:

42000 + 8820 + 840 + 8400 = 60060 тг.


4.6 Расчет общей суммы затрат


Расчет общей суммы затрат включает в себя затраты на сырье, реактивы, воду, электроэнергию, амортизационные отчисления за оборудование и заработную плату. Все затраты сведены в таблицу 30.
Таблица 30
Общие затраты на научно-исследовательскую работу
Наименование затрат Сумма затрат, тг
Амортизационные отчисления за 2 месяца, тг 22750
Основные и вспомогательные материалы, тг 150
Электричество кВт-час 665
Холодная вода, л 43,6
Заработная плата, тг 60060
Итого: 83670

Таким образом, сумма затрат на исследования составляет 83670 тг.


4.7 Расчет рентабельности исследования


Для того, чтобы рентабельность была хотя бы 10 %, экономический эффект должен составлять:
, (29)
где З – сумма затрат;
А – сумма накоплений;
Так как работа проводилась в течение 2 месяцев, то экономический эффект будет равен:

(30)
где З – сумма затрат;
А – сумма накоплений;
Сп – первоначальная стоимость оборудования, умноженная на 0,33;
Iо – индексация, которую принимаем равной 1,08.

Экономический эффект данной работы составляет:

тг.
Тогда 10-ти процентная рентабельность производства составит:
, (31)
тг.
Таким образом, экономический эффект научно-исследовательской работы определяется по формуле:
, (32)
тг.
Тогда 10-ти процентная рентабельность производства на второй год составит:
, (33)
тг.
Таким образом, экономический эффект НИР при 10-ти % рентабельности на второй год составит:

98402 + 9840 = 108242.
Срок окупаемости проекта рассчитываем по формуле 3.10:
, (34)
где К – годовая стоимость оборудования;
U - изменение себестоимости

лет.
Таким образом, срок окупаемости проекта составит 3,7 лет.
4.8 Технико – экономические показатели


На основании рассчитанных данных составим таблицу основных технико-экономических показателей (таблица 31), характеризующих данную научно-исследовательскую работу [39].

Таблица 31
Технико-экономические показатели
Показатели Значения
Содержание кремния в ферросплаве, % 45
Капитальные затраты на оборудование, тг 340000
Затраты на исследования, тг 83670
Заработная плата и начисления, тг 42000
Срок окупаемости, лет. 3,7
Рентабельность за год, тг 9706
Рентабельность за второй год, тг 9840


4.9 Вывод по экономической части


Расчеты экономических затрат показали, что основную часть затрат со-ставляют капитальные затраты и затраты на заработную плату исполнителей научно-исследовательской работы. Экономический эффект при 10 %-ной рентабельности работы по результатам первого года может составить – 9667 тенге, по результатам второго года – 9889,2 тенге. Срок окупа¬емости научно-исследовательской работы в этих условиях составит 3,7 лет.

 

 

 

 


5 Охрана труда

5.1 Общие положения


Улучшение условий труда, его содержание, безопасности в неразрывной связи с экологической защищенностью человека – органическая составная часть социальной и экономической стратегии развития нашего общества. Условия и безопасность труда, экологическая чистота его результатов – это сложное объективное явление, формирующиеся в процессе труда под воздействием взаимосвязанных факторов социально – экономического, технико – организационного и естественно – природного характера. Они влияют на здоровье, работоспособность человека, на его отношение к труду и степень удовлетворенности трудом, на эффективность труда, среду его обитания, другие экологические результаты производства на уровень жизни и всестороннее развитие человека как главной производительной силы общества и личности.
Факторы, формирующие условия, безопасность труда и экологические результаты при проектировании новых предприятий новых предприятий, конструировании новой техники и технологии, повышении технического уровня, реконструировании цехов и участников, модернизации оборудования, улучшение окружающей природной среды, выполнении природоохранных мероприятий имеют особо важное значение. Поэтому при дипломном проектировании, которое является заключительным этапом учебного процесса в вузе, вопросы охраны труда и окружающей среды находят свое обязательное отражение в специальном разделе дипломного проекта (работы) [40].

5.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов


К факторам, влияющим на здоровье и работоспособность человека в процессе труда, относятся:
- производственный микроклимат – сочетание температуры, влажности и скорости воздуха, а также теплового излучения;
- воздушная среда, характеризуемая химическим составом воздуха и атмосферным давлением;
- создаваемые производственными источниками излучения (ионизи¬рую-щие и неионизирующие), энергетические поля (электромагнитные, гра¬ви-тационные и др.), акустические и вибрационные колебания;
- социально-психологический климат в коллективе;
- интенсивность труда.
При выполнении данной работы наибольшую опасность и вредность представляет:
- работа с высокой температурой;
- поражение электрическим током, в связи с повышенной опасностью, обусловленной возможностью воздействия на оборудование химически активной среды.
Исходя из вышеизложенного, следует отметить некоторые неблагоприятные факторы:
- поражение дыхательных путей;
- возможность возникновения пожара при неисправности электро¬обору-дования или короткого замыкания.
Недопустимым следствием неудовлетворительных условий труда являются производственный травматизм, профессиональные болезни и аварии. В связи с этим нужно обеспечить полную безопасность рабочего, до минимума свести его физическую нагрузку и полностью снять нервное напряжение. Неблагоприятные факторы трудового и производственного процессов, которые могут причинить мгновенное повреждение организму, назы¬ваются производственными опасностями. В производственной об¬ста¬новке могут создаваться такие условия, когда какие-либо факторы постоянно или длительно вредно действуют на здоровье трудящихся, причем результат воздействия сказывается не сразу, а через некоторое время. Нарушения здоровья, возникающие в результате влияния на организм профессиональных вредностей, называются профессиональными болезнями [9].
Производственные опасности и вредности создаются:
- движущимися частями машин и механизмов, транспортными средствами;
- отлетающими частями обрабатываемых материалов;
- электрическим током;
- неблагоприятными метеорологическими условиями (ненормальной температурой и влажностью воздуха, сквозняками, ненормальным атмо-сферным давлением);
- нагретыми оборудованием и материалами, пламенем;
- тепловыми, ультрафиолетовыми и другими излучениями, слепящей яркостью;
- загрязнением воздуха вредными веществами;
- шумом и сотрясениями, ультразвуком;
- воспламеняющимися и взрывоопасными веществами.
Для проверки и оценки условий труда применяются технические методы исследований и испытаний. К ним, например, относятся определение нежелательных примесей в воздухе с помощью различных анализаторов, изменение температуры, влажности, скорости движения воздуха. Все¬сторон¬ний анализ условий труда позволяет дать рекомендации по рациональному устройству предприятий и лабораторий, конструкции оборудования и характеру технологических процессов, организации труда, которые исключают возможность возникновения травматизма и заболеваний [41].

5.3 Организационные мероприятия


В аналитической лаборатории кафедры МПиТСМ предусмотрена шестидневная рабочая неделя, семичасовой рабочий день.
Общее руководство по охране труда возлагается на штаб гражданской обороны и охраны труда, который подчиняется непосредственно директору института. В лаборатории ответственность за охрану труда возлагается на заведующего лабораторией.
Заведующий лабораторией допускает к работе лица, получившие следующие виды инструктажа:
- вводный инструктаж проводится сотрудниками отдела охраны труда при поступлении на работу. Он заключается в ознакомлении с особен¬ностями работы;
- первичный инструктаж на рабочем месте проводится заведующим лабораторией;
- текущий инструктаж, заключающийся в наблюдении за при¬ме¬нением работающих безопасных приемов труда и соблюдением инструкций;
- повторный инструктаж проводится через 6 месяцев, для проверки и повышения уровня знаний;
- внеплановый инструктаж проводится при изменении в техно¬ло-гическом процессе, изменении или модернизации оборудования, при выполнении внеплановой работы. Для изучения и рационального использования многообразных мероприятий, способов и средств создания нормальных условий труда необходимо их обобщение.
Все возможные методы охраны труда классифицируют на следующие 4 группы:
- организация производства труда;
- устройство предприятий и цехов;
- технологические процессы и оборудование;
- индивидуальная защита.
Улучшение условий труда требует комплексного осуществления мероприятий для всех указанных групп. Организация производства и труда, подбор персонала, регламентацию времени работы и отдыха, дисциплину труда, правильное проведение работ, установление стандартов, гигиенических нормативов и технических нормативов безопасности, разработку правил и инструкций безопасности.
Основы действующего законодательства включают первоисточники действующего законодательства, законодательные акты и постановления, нормативные акты, трудовой договор, коллективный договор и соглашения по охране труда, компенсации и льготы за неблагоприятные условия труда.
Отдел охраны труда проводит сложную и многостороннюю работу. Гигиена и культура труда, рациональное освещение, вентиляционные устройства, электробезопасность, борьба с шумом и вибрациями, пожарная безопасность и многие другие вопросы по обеспечению нормальных условий труда постоянно должно быть в поле зрения этого отдела. В целях контроля за соблюдением сотрудниками правил безопасности, проводятся рейды комиссии. В комиссию входят работники отдела охраны труда и представители лабораторий и других подразделений института. Комиссия отмечает правильность мер противопожарной безопасности, правильность хранения химических веществ, реактивов, оценивает состояние электро¬оборудования и других приборов в лабораториях.


5.4. Нормы защиты от шума


Шум, даже когда он невелик, создает значительную нагрузку на нервную систему человека, оказывает на него психологическое воздействие. Под воздействием шума, превышающего 35 – 90 дБА в первую очередь снижается слуховая чувствительность на высоких частотах.
Для снижения шума можно применить следующие методы:
1 уменьшение шума в источнике;
2 изменение направленности;
3 рациональная планировка предприятий и цехов;
4 акустическая обработка помещений;
5 уменьшение шума на пути его распространения;
6 средства индивидуальной защиты;
Исходя из характера источника шума, необходимо выбрать метод снижения шума и показать, что уровень шума в работе соответствует ПДУ (предельно – допустимому уровню)[9].

Таблица 32
Установленные нормы звукового давления на постоянных рабочих местах при частоте 1000 Гц.
Рабочие места L, дБА L, дБА
В производственных помещениях и на территории предприятий 85 90
При проникающем извне шуме;
Лаборатории, конструктивное бюро и др. 45 50
Рабочие комнаты управления 55 60
Кабины наблюдения и управления 75 80
То же, но с речевой связью 60 65
При шуме, возникающем внутри помещений и прони¬кА-ющем в другие помещений (на территории предприятия) 60 65
Участки точных работ 60 65
Лаборатории, помещений счетно – вычислительных машин 75 80
5.5 Защита от вибрации


В промышленности и на транспорте широкое применение получили машины и оборудование, создающие вибрацию, неблагоприятно воздействующие на человека. Воздействие вибрации не только ухудшает самочувствие работающего и снижает производительность труда, но часто приводит к тяжелому профессиональному заболеванию – виброболезни. Поэтому вопросам борьбы с вибрацией придается огромное значение.
В производственных условиях осуществляется следующие методы по уменьшению вибрации:
1 в источнике возникновения;
2 по снижению их на путях распространения;
3 по снижению вредного воздействия вибрации на работающих путем соответствующей организации труда;
4 применение средства индивидуальной защиты;
5 применение лечебно – профилактических мероприятий;
Зная характеристики источников вибрации, выбрать рациональный метод снижения вибрации и показать его эффективность.


5.6 Обеспечение электробезопасности


Воздействие электрического тока на организм может вызвать различные электрические травмы (электрический ожог, металлизацию кожи, электрический знак, электроэфтальмию) и электрический удар. Электрический ток действует местно, повреждая ткани, и рефлекторно – через нервную систему.
Устройство и эксплуатация электротехнических установок должны соответствовать обязательным для всех правилам устройства и эксплуатации электротехнических установок.
Для уменьшения попадания обслуживающего персонала под ток необходимо производить монтаж в резиновых перчатках, с использованием изолированных инструментов. Все электроустановки должны быть обязательно заземлены. Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий оборудование с контуром заземления. Заземление подразделяют на рабочее, обеспечивающее работу главной установки, и защитное, которое служит для безопасности людей.
Для безопасности эксплуатации электротехнических установок большое значение имеют производственные условия, которые характеризуются особенностями окружающей среды, степенью доступности электрооборудования, напряжением электрического тока. Поэтому помещения, в которых установлено электрооборудование, по степени опасности поражения током делятся на 3 группы: без повышенной опасности; с повышенной опасностью; особо опасные. Лаборатория, в которой проводились эксперименты по данной работе, относится к группе «без повышенной опасности».


5.7 Расчет защитного заземления


Заземляющие устройства предварительно рассчитывают. Цель расчета определить основные параметры заземляющего устройства: число, размеры и размещение одиночных заземлителей и заземляющих проводников, при которых напряжения прикосновения и шага в случае замыкания на заземленный корпус не превысят безопасных величин.
В процессе расчета выявляют количество и размеры одиночных заземлителей, а также их размещение в однородном или многослойном грунте(земле) при которых напряжение прикосновения и шага в момент замыкания на корпус заземленного электрооборудования не превышает допустимых значений.
Наиболее распространен способ расчета заземлителей в однородной земле. Для расчета необходимо выполнить следующие операции:
1 определить расчетный ток замыкания на землю(для установок с большими или малыми токами замыкания на землю);
2 определить требуемое сопротивление заземляющего устройства;
3 определить требуемое сопротивление искусственного заземлителя;
4 выбрать тип заземлителя и составить предварительную схему заземляющего устройства;
5 уточнить параметры заземления;
Для проведения указанных операций необходимо иметь следующие исходные данные:
1 напряжение используемых линий электропередачи (обычно в металлургии до 35кВ. т.е. с малыми точками замыкания на землю до 500А и поэтому можно применить способ расчета заземлителей для однородной земли);
2 типы применяемых заземлителей и их размеры;
3 линейное напряжение в сети и протяженность кабельных и воздушных линий электропередачи;
4 наличие естественных заземлителей и их сопротивление;


5.7.1 Исходные данные для расчета заземления


Напряжение используемых линий элетропередач 35кВ.
Типы применяемых заземлителей: вертикальный стержневой (трубообразный) зазелитель L = 3 м,d = 0,05 м, t = 0,5 м, t = 0,5L + t.
Горизонтальный полосовой L = 3 м, t = 0,8 м, в = 0,5 м. Линейное напряжение в сети 6 и 0,4 кВ. Протяженность линий электропередач соответственно 12 м и 15 м.
Предполагается наличие четырех заземлителей из вертикальных стержней указанных размеров, верхнее концы которых соединяется с помощью горизонтального электрода – стальной полосы площадью 4∙40 мм, уложенной в землю на глубину 0,8 м.
В качестве естественного заземлителя используется металлическая технологическая конструкция из десяти дюймовых стальных труб. Ее сопротивление растеканию тока с учетом сезонных изменений проводимость грунта принимаем R = 130 Ом.
Исходя из имеющихся данных определяем расчетный ток замыкания на землю по приближенной формуле:

I = ∙ (35Lкл+Lвк) = (35∙12+15) 7,45 А. (35)

Определяем требуемое сопротивление заземляющего устройства по формуле:

R1 = (In + ∙ In ), (36)

Для горизонтального

R1 = In . (37)

где ρ – расчетное удельное сопротивление грунта, которое зависит от сезона года и состоянии грунта во время измерения. Для получения расчетного значения удельного сопротивления грунта вводится коэффициент сезонности, который определяется с учетом характеристики климатических зон.
Зная климатическую зону и конструкцию заземлителя определяем коэффициент сезонности ψ.
Тогда ρрасч = ρизм ∙ ψ;
Ρизм - измеренное удельное сопротивление земли (грунта) в теплое время года(май – октябрь).
В нашем случае измерение ρизм проводилось летний период 3 климатической зоне.
Удельное сопротивление для вертикального заземлителя (L = 3м) ρ = 70 Ом м, для горизонтального ρ = 65 Ом*м.
С учетом коэффициента сезонности (соответственно для вертикального и горизонтального заземлителей 1,3 и 5,5) расчетные значения удельного сопротивления грунта для этих заземлителей составит:

Ρв. расч. = ρв. изм ∙ ψв = 70 ∙ 1,3 = 91 Ом ∙ м, (38)
Ρг. расч. = ρг.изм ∙ ψг = 65 ∙ 5.5 = 357,5 Ом ∙ м . (39)

Определяем расчетное сопротивление растеканию заземлителей вертикального R и горизонтального R:

R = (In + In ) = 24,9 Ом, (40)

R= (In ) = 36 Ом. (41)

Определяем количество заземлителей:

N= = = 4 шт. (42)

При этом уточняем параметры заземлителя путем поверочного расчета. Был принят горизонтальный заземлитель L = 10 м; количество вертикальных заземлителей n = 4 шт. Тип заземлителя выбираем контурный, размещенный по периметру установки. Вертикальные электроды размещаем на расстоянии а =3 м, друг от друга.
Так как принятый нами заземлитель контурный, n =4 шт, а отношение а/l=3/3=1, то определим коэффициенты использования заземлителей: вертикальных = 0,69, горизонтального = 0,45.
Теперь находим сопротивление растеканию принятого группового заземлителя

R = = = 8,1 Ом. (43)

Согласно ПЭУ сопротивление заземляющего устройства (R3) в электроустановках до 1000 В должно быть не более 4 Ом.
При мощности генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее допускается увеличение сопротивление до 10 Ом. В электроустановках напряжением выше 1000 В сопротивление заземляющего устройства берется в зависимости от величины тока замыкания на корпус.
При больших токах (выше 500 А) замыкания требуемое сопротивление заземлителя R<0,5 Ом. При малых токах (менее 500А) R определяется 250; I3, но не более 10 Ом, где I3 – расчетный ток замыкания на корпус(землю).
В нашем примере R3 не должно превышать 10 Ом.
При использовании естественных заземлителей сопротивление искусственного заземления определяют из выражения:

Rн = = = 11 Ом , (44)

где Re – сопротивление растеканию естественного заземления;
Rз – наибольшее допустимое значение сопротивление заземляющего устройства.
Тогда требуемое сопротивление искусственного заземлителя составит R=11 Ом
Вывод: проектируемый групповой заземлитель – контурный, состоит из 4-х вертикальных трубообразных заземлителей длиной 3м. и диаметром 50мм и горизонтального заземлителя, в виде стальной полосы длиной 10м с площадью сечения 4∙40 мм, заглубленных в землю на 0,8 м, отвечает требованиям ПЭУ [42].

5.8 Организация вентиляции


Вентиляция является наиболее эффективным средством обеспечения гигиенических качеств воздуха, благодаря перемещению загрязненного воздуха из помещения и свежего – в помещение. По применяемому способу перемещение воздуха различают естественную и механическую (искусственную) вентиляцию. По назначению вентиляция бывает приточной, вытяжной и приточно-вытяжной, а по месту действия – общей и местной. Приточная вентиляция предназначена для подачи воздуха, вытяжная – для его удаления.
Лаборатория, в которой выполнялась данная работа, оборудована местной приточно-вытяжной вентиляцией. Местная приточная вентиляция осуществляется в виде воздушных завес. Воздушные завесы создают путем подачи воздуха через воздухораспределители с пола снизу вверх, либо от стен сбоку. Воздушные завесы используют для предупреждения проникновения загрязненного воздуха из соседних лабораторий, а также в проемах, отапливаемыми и не отапливаемыми помещениями, и в других случаях. Для предупреждения проникновения в помещение наружного холодного воздуха устраивают воздушно-тепловые завесы.
Местная вытяжная вентиляция предназначена для удаления загрязненного воздуха непосредственно от источника образования вредных выделений.
Ниже приведен расчет вытяжного шкафа [43].


5.8.1 Расчет вытяжного шкафа


Размеры вытяжного шкафа: 1=1,8 м; ширина b=1,9 м; высота h = 2 м.
, (45)
где b1 - ширина рабочего проема;
h – максимально допустимая высота открытого проема.

Fотв = 0,6 · 0,3 = 0,18 м2.
Объем отсасываемого из шкафа воздуха:
Vотв= 3600 ∙ Fотв ∙ ω, (46)
где ω - средняя скорость воздуха в рабочих проемах шкафа, м/с.
Vотв = 3600 ∙ 0,18 ∙ 1 = 648 м3/ч
Рекомендуется подбирать центробежные вентиляторы низкого давления (до 100 Па) типа Ц4-70 с КПД 0,7 – 0,8. По принятым КПД вентилятора к объему удаляемого воздуха подбирают соответствующий вентилятор по номеру, числу оборотов двигателя, по мощности.
Мощность двигателя для создания тяги:
, (47)
где Н – полное давление воздуха, Па;
ηв - КПД вентилятора, принимаемый по характеристикам;
ηп - КПД передачи.


Установленная мощность электродвигателя:
Nу = N ∙ Kз, (48)
где N - мощность на валу двигателя, кВт;
Кз - коэффициент запаса мощности вентиляторов.
Тогда мощность электродвигателей равняется:

N у = 1,9 ∙ 1,2 = 2,38 кВт
Объем вытяжного шкафа:
Vвт.ш. = 1 ∙ b ∙ h, (49)
Vвт.ш = 1,8 ∙ 0,9 ∙ 2 = 3,24 м3.
Кратность обмена воздуха в час:
, (50)
.
В дипломной работе также предусматривалась общая обменная вентиляция.


5.9 Санитарно-гигиенические мероприятия

5.9.1 Обеспечение спецодеждой и предохранительными приспособлениями


Использование средств индивидуальной защиты работающих во многих случаях является необходимым и обязательным. Индивидуальная защита имеет вспомогательный характер. В соответствии с отраслевыми типовыми формами для рабочих и служащих бесплатно выдается спецодежда, спецобувь и предохранительные приспособления на определенный срок.
При проведении опытных испытаний ферросплавов в лаборатории обязательно пользовались специальными защитными средствами, которые защищали работающих от воздействия неблагоприятных факторов в процессе работы.

5.10 Организация искусственного освещения


Для создания благоприятных условий труда большое значение имеет рациональное освещение рабочего места. Освещение в лаборатории должно быть таким, чтобы работающий длительное время мог вести наблюдение за всеми операциями без напряжения и утомления глаз. По световой способности освещение подразделяется на естественное и искусственное.
Первичным источником естественного освещения является солнце, излучающее мощный поток лучистой энергии, часть которого, достигает земной поверхности. Прямое солнечное освещение вследствие его не постоянства в расчетах естественного освещения не учитывается.
Для создания естественной освещенности в зданиях используют световые проемы в стенах (окна).
Естественное освещение помещений может быть:
- боковое – через световые проемы в наружных стенах;
- верхнее – через световые проемы в покрытии и фонари, а также через проемы в местах перепадов высот смежных зданий;
- комбинированное – верхнее освещение при наличии бокового.
Искусственное освещение – электрическое освещение, которое необходимо для проведения работ в темное время суток или в местах без достаточного естественного освещения. Выбор источника света зависит от характера работы, условий среды, размеров помещения и др.
Естественное освещение в лаборатории осуществляется через боковые окна, а искусственное – при помощи электрического света. Электрическое освещение необходимо для проведения работ в темное время суток или в местах без достаточного естественного освещения.
Проектом предусматривается естественное освещение через два оконных проема, а также предусмотрено искусственное освещение [44].


5.10.1 Расчет искусственного освещения


Расчет искусственного освещения проводится по методу светового потока. Согласно этому методу, световой поток электрических ламп (F) при заданном их количестве (N) рассчитывается следующим образом:

Fл = E · s · k · z / N · η, (51)
где Е - нормируемая освещенность, лк;
s - площадь пола помещения, равная 25 м2;
k – коэффициент запаса;
η - коэффициент использования светового потока ламп, зависящий от показателя помещения и выбирающийся по справочнику;
z – коэффициент минимальной освещенности, равный 1,15.
Показатель помещения определяется по формуле:
i = A · B / Hp · (A + B), (52)
где А и В – характерные размеры помещения, равные 4,5 и 5,5 метров;
Нp – высота светильников над рабочей поверхностью, равная 3 метра.
i = 4,5 · 5,5 / 3 · (4,5 + 5,5) = 0,825
По таблице находим коэффициент использования света η = 0,32.
Искусственное освещение в лаборатории обеспечивается светильниками с лампами НГ – 200. Нормированная освещенность составляет 50 лк.
Расчет производится по формуле:

Fл · N = E · s · k · z / η . (53)
Нормированная освещенность составит:
Fл · N = 50 · 25 · 1,8 · 1,15 / 0,32 = 8086.
Световой поток одной лампы НГ – 200 составляет 2600 лк. Тогда необходимое число ламп в лаборатории составит:

N = 8086 : 2600 4 лампы.
Таким образом, в лаборатории, где выполнялась данная работа, для искусственного освещения должны использоваться 4 лампы типа НГ – 200.


5.11 Противопожарные мероприятия


Причины возникновения пожара разнообразны – недостатки в строительных конструкциях, сооружениях, планировке помещений, дефекты оборудования, нарушения технологических процессов, неправильное проведение работ, неосторожность и небрежность персонала. При устройстве института и лабораторий необходимо осуществлять большой комплекс работ по противопожарной безопасности.
Ответственность за пожарную безопасность на кафедре возложена на заведующего учебными лабораториями кафедры и начальника штаба ГО и ОТ. К мероприятиям, устраняющим причины возникновения пожаров на предприятии, относятся строительно-технические и организационные.
К строительно-техническим мероприятиям относятся надлежащая планировка территорий института, устройство в здании специальных преград, препятствующих распространению огня, оснащение лабораторий и других помещений огнетушителями. На территории заведения должны быть в наличии песок и инвентарь для тушения пожара.
К организационным мероприятиям относятся - запрещение курения и пользования открытым огнем при производстве работ, разработка планов эвакуации людей и имущества из помещений, обучение персонала мерам пожарной безопасности.


5.12 Выводы по разделу Охраны труда


Важнейшее значение для создания оптимальных условий охраны труда имеет научная организация его – совершенствование трудовых процессов на основе новейших достижений науки и техники с учетом требований физиологии, психологии и гигиены труда. Оптимальный уровень благоприятных для организма условий труда является непременным и основным элементом высокой культуры производства.
Основное в решении проблемы безопасности труда – забота о человеке. Вместе с тем совершенно очевидно, что неудовлетворительное состояние охраны труда оказывает влияние не только на трудящихся, непосредственно занятых на этом предприятии, но и на окружающее население и природу. Технический прогресс, интенсификация технологических процессов, увеличение масштабов производства привели к тому, что вредное влияние производственных условий распространяется далеко за пределы территории предприятия.
В дипломном проекте в силу особенности взятой темы основное внимание было уделено проблеме охраны труда, кроме этого решались задачи создания для человека благоприятных условий на производстве и охраны труда.
Были раскрыты следующие подразделы:
-анализ опасных и вредных производственных факторов;
-организационные мероприятия;
-технические мероприятия;
-санитарно-гигиенические мероприятия;
-противопожарные мероприятия.
Исходя из анализа опасных и вредных производственных факторов, были разработаны мероприятия, способствующие обеспечению безопасных условий труда.
Был проведен ряд технических расчетов: расчет вентиляции, искусственного освещения и защитного заземления, которые должны создать такие производственные условия, при которых будут устранены факторы, могущие оказать какое-либо нежелательное воздействие на организм человека, его работоспособность и эффективность труда.




Комментарий:

Записка дипломной работе отличная!


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы