Полный текст

Магний и сплавы на его основе широко востребованы в авиационно-космической индустрии. В промышленных объемах магний получают преимущественно методом электролиза. При всем совершенстве конструкции современных электролизеров быстрый износ футеровки остается актуальной проблемой при их эксплуатации. В связи с этим одной из возможностей повышения конкурентоспособности производства первичного магния является модернизация магниевых электролизеров путем замены стандартной футеровки на литые изделия из слюдокристаллического материала - фторфлогопита, что увеличивает срок службы электролизера в 3-4 раза [1]. В настоящее время в РФ нет предприятий, выпускающих литые изделия из фторфлогопита в промышленных объемах, а поставки таковых изделий из стран СНГ и дальнего зарубежья не способствуют повышению конкурентоспособности производства первичного магния в России. В связи с этим цель настоящей работы является актуальной и определена как подробное рассмотрение функциональной и технологической схемы и процесса получения изделий из фторфлогопита. Калиевый фторфлогопит (KMg3[Si3AlO10]F2) имеет стеклокристаллическое строение, доля стеклообразной фазы составляет 5-8 %, кристаллическая часть представлена агрегатами пластинчатой формы протяженностью до 5 мм и толщиной до 0,1 мм. Структура фторфлогопита формируется при затвердевании расплава на основе сырьевой композиции из кварцевого песка, глинозема, периклаза и кремнефтористого калия [2-4]. На основе анализа научно-технической информации зарубежных и российских источников и практического опыта производства фторфлогопита в Казахстане [5-8] составлена, на наш взгляд, наиболее оптимальная функциональная и технологическая схема производства фторфлогопитовых изделий (рис. 1). Технология производства камнелитых фторфлогопитовых изделий - это симбиоз технологий рудотермической обработки минерального сырья и литейного производства. Близость к рудотермической технологии выражается в обработке шихты для получения силикатного расплава электротермическим способом, подходы литейного производства использованы непосредственно для разработки технологии получения фторфлогопитовых отливок. На рис. 2 представлено проектное решение реализации разработанной технологии. Технология включает следующие основные переделы: - подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты; - плавление шихты и приготовление фторфлогопитового расплава; - изготовление, подготовка и сборка литейных форм; - выпуск расплава из печи в ковш и заливка литейных форм; - затвердевание отливок и извлечение их из форм; - термическая обработка отливок; - очистка, обработка отливок и контроль их качества; - очистка отходящих газов; - складирование готовой продукции. Рис. 1. Принципиальная схема технологического процесса получения камнелитых фторфлогопитовых изделий Рис. 2. Проектная схема организации участка по изготовлению отливок из фторфлогопита: 1 - электродуговая печь; 2 - чайниковый ковш; 3 - литейные формы; 4 - локальная вытяжка; 5 - трансформаторный отсек; 6 - термическая печь для отжига отливок Подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты. Подготовленные сырьевые материалы (кварцевый песок, глинозем, периклаз и калий кремнефтористый), взвешенные в заданных соотношениях, смешивают, брикетируют (компактируют) и сушат. Влажность сырьевой композиции при смешивании и брикетировании должна быть в пределах 3-8 %. Сушку брикетированного сырья производят в конвейерной проходной и шахтной печах при температуре (250 ± 50) °С. Приготовление шихты осуществляют с помощью дозировочно-смесительного комплекса, состоящего из системы бункеров с дозаторами, весоизмерительного устройства (например, весовая бадья), герметичного транспортирующего шнекового конвейера и смесителя барабанного типа. В качестве смесителя может быть использовано стандартное оборудование: бетоносмеситель, барабанный смеситель или смешивающие бегуны. Смеситель необходимо герметизировать, а внутреннюю полость бетономешалки и барабанного смесителя покрыть резиной, чтобы обеспечить длительный срок службы и исключить загрязнение шихты железом. В тех случаях, когда сырьевые материалы поступают на производство в неподготовленном к использованию виде (некондиционное сырье), должна проводиться их сушка при температуре до 200-300 °С, измельчение в валковой, щековой или конусной дробилке и просев на вибросите. Важной особенностью фторфлогопитовых изделий является непроницаемость к материалам, с которыми они контактируют в процессе эксплуатации. Это позволяет использовать отработанные изделия после поверхностной очистки в качестве вторичного сырья. Кроме того, в качестве вторичного сырья могут использоваться отходы собственного производства (скрап, литники и т.п.) и бракованные изделия. После измельчения вторичное сырье подвергается тем же процедурам обработки, что и первичное, совместно с ним, что способствует усреднению состава шихты. Плавление шихты и приготовление фторфлогопитового расплава осуществляют в дуговой электропечи (см. рис. 2, поз. 1) в температурном интервале 1380-1720 °С. Готовый фторфлогопитовый расплав выпускают в ковши (см. рис. 2, поз. 2) и направляют на заливочный плац, где проводится заполнение литейных форм (см. рис. 2, поз. 3). Детали простой конфигурации в виде плит и блоков отливают в постоянных (металлических и/или графитовых) формах, а сложные фасонные изделия получают в песчано-глинистых или комбинированных литейных формах. Расплав фторфлогопита относится к силикатным расплавам, для их плавления, как известно, широко используются трехфазные дуговые печи, например в производстве базальтового каменного литья. Однако трехфазные дуговые печи традиционной конструкции не подходит для получения фторфлогопита, для его получения предпочтительно использовать в качестве плавильного агрегата однофазную дуговую печь [9, 10]. Однофазная дуговая электропечь для получения расплава фторфлогопита представляет собой вертикально расположенный водоохлаждаемый кокиль, вращающийся в горизонтальной оси, для слива расплава. Нижняя полость кокиля закрыта графитированным электродом диаметром 400 мм, а верхняя - металлической крышкой с боковым патрубком для отсоса газов, выделяемых в процессе плавки. Сверху через отверстие в крышке вводится верхний подвижный электрод. Оба электрода изолированы от массы печи. Печь работает на гарнисаже, это значит, что конструкция печи не предусматривает футеровки, а за счет интенсивного водяного охлаждения на стенках печи образуется корка застывшего расплава, которая не только выполняет функцию футеровки, но и является диэлектриком. После плавки корка может быть легко удалена. Для крупных объемов расплава печь может быть дополнена внутри графитовой футеровкой толщиной 65 мм. В качестве источника питания для таких агрегатов используют сварочные трансформаторы ТШС-3000-1, как правило два, включаемые параллельно и последовательно. Электрическое оборудование для питания печи, как правило, располагают в специализированном помещении (см. рис. 2, поз. 5). По конструктивному исполнению плавильная печь должна быть закрытая, с круглой ванной, с графитированными электродами и футеровкой, поворотной, обеспечивать слив расплава через сливной желоб, расположенный в верхней части ванны печи. Глубина ванны печи должна быть больше ее диаметра, чтобы уменьшить поверхность испарения расплава. В своде печи должны быть выполнены отверстия для электрода, для труботечек шихты и отходов, для патрубка отсоса газов, люков для контроля качества расплава и обслуживания. Кожух печи и свод должны быть с водяным охлаждением. Рекомендуется в условиях промышленного производства фторфлогопитовых изделий установить в цехе две печи [11, 12]. Использование в отделении камнелитых изделий однофазных электропечей постоянного тока может быть более эффективным, если применять метод плавки с использованием двухканальной силовой установки. Двухканальный источник питания существенно увеличивает общую эффективность процесса плавки и производительность производства. Имея два выхода, источник питания в состоянии обеспечить непрерывное и контролируемое питание двух плавильных печей одновременно. Это позволяет оператору вести плавку в одной печи и одновременно обеспечивать вторую печь энергией, необходимой для начала плавки и поддержания оптимальной температуры расплава. В случае применения подобной силовой установки общее время, необходимое для осуществления полного цикла плавки, уменьшается. Это позволяет увеличить производительность плавильной установки на 20-40 %. В условиях современного производства необходимо контролировать работу плавильного агрегата с помощью компьютерной системы. Загрузка шихты и отходов в плавильную печь производится питателем и для точного определения количества загруженного контролируется компьютером. Экран контроля за ходом плавки должен отображать основные параметры на всем протяжении процесса, а также периодически температуру расплава [13]. Плавление шихты в дуговых электропечах является периодическим процессом, включающим основные операции: старт и загрузка шихты, расплавление ее и слив готового расплава в разливочный ковш. По сравнению с дуговыми печами переменного тока печи постоянного тока имеют ряд преимуществ, существенных при получении камнелитых фторфлогопитовых изделий: - графитированный электрод позволяет применять электрический ток более высокой плотности, вследствие чего сокращается время плавки и увеличивается производительность плавильной печи. Это является, пожалуй, основным аспектом при выборе плавильного агрегата, поскольку расплав для получения камнелитых фторфлогопитовых изделий содержит фтористые соединения, поэтому необходимо максимально сократить время обработки расплава. В связи с этим и плавку шихты необходимо проводить форсированно, и выпуск расплава из плавильной печи в разливочный ковш необходимо проводить быстро (в течение 3-5 мин), и следует сразу разлить расплав в литейные формы; - расход графитированных электродов и материалоемкость печи снижаются; - обеспечивают получение расплавов в широком диапазоне температур до 1700 °С. Изготовление, подготовка и сборка литейных форм. Для изготовления литейных форм используют приемы и методы литейного производства, принятые при получении чугунных и стальных отливок. Как уже было сказано ранее, в камнелитейном производстве могут быть использованы различные формы. Графитовые литейные формы изготавливают составными из пластин анодного графита марки ПГ размерами, мм: 1100´250´50, 400´250´50, 1100´500´80, 800´500´50. Для оформления внутренней конфигурации отливок применяют песчано-глинистые стержни. Песчано-глинистые литейные формы следует применять для получения сложных фасонных изделий с толщиной стенки 15-25 мм. Технология их изготовления не отличается от традиционной литейной технологии. Готовые стержни и формы подсушивают и транспортируют в отделение каменного литья, где производят их сборку и заливку. При формировании камнелитых отливок в графитовой форме ее внутренняя поверхность нагревается до 900-1100 °С, а наружная - до 800-900 °С, после чего в процессе разборки формы охлаждаются до обычной температуры. В этих условиях графитовые литейные формы имеют ограниченный срок службы. Возможно использование комбинированных литейных форм из чугуна и графита. Поверхность камнелитых отливок, полученных в холодных литейных формах, может иметь послойные наплывы и неслитины. Для устранения этого дефекта литейные формы перед заливкой необходимо подогревать до 150-200 °С. Выпуск расплава из печи в ковш и заливка литейных форм. Заливку литейных форм фторсиликатным расплавом производят в специальном закрытом боксе, оборудованном вытяжной вентиляцией, обеспечивающей эвакуацию газов, образующихся при заливке. После выпуска плавки из ковша отбирают контрольную пробу и после этого начинают разливку в литейные формы. Выпуск расплава из печи производится в металлические ковши чайникового типа (см. рис. 2, поз. 2), футерованные графитом или набивной массой. Монолитную футеровку разливочных ковшей выполняют набивкой или литьем. Для набивки применяют шамотные, алюмосиликатные и другие массы, содержащие огнеупорную глину и асбестовую крошку. В наливные массы холодного твердения вводят феррохромовый шлак и жидкое стекло. Толщина футеровки около 60-80 мм. К моменту начала разливки наиболее охлаждены в ковше нижние слои расплава. Расплав разливают через носок ковша, перегородка, имеющаяся в ковше, задерживает затвердевшую сверху корочку, а расплав поступает из нижних, более охлажденных слоев. Кожух ковша выполнен сварным [14, 15]. Затвердевание отливок и извлечение их из форм. Камнелитые отливки выдерживают в формах до затвердевания в течение 10-40 мин, (в зависимости от массы и габаритов), затем их извлекают из форм с помощью клещей и подъемно-транспортных механизмов и сразу помещают в термическую печь (см. рис. 2, поз. 6) для отжига с начальной температурой в рабочем пространстве печи 900-950 °С. Остатки формовочной массы собирают в короб и отправляют на регенерацию. Термическая обработка отливок. После извлечения из литейных форм камнелитые горячие отливки помещают в термическую печь и проводят выдержку при температуре 800-900 °С с последующим охлаждением со скоростью 30-80 ºС. В качестве термической печи могут быть использованы камерные электропечи с выдвижным подом; применять туннельные печи, как было рекомендовано ранее, нецелесообразно. Очистка, обработка отливок и контроль их качества. Камнелитые отливки, полученные после отжига, извлекают из печи, очищают от заусенцев, отделяют литники, прибыльные части подвергают очистке, обработке, производят разбраковку, контроль качества и контроль размеров согласно чертежу на изделие, контрольной сборке на стенде для контрольной сборки защитного пояса. Годные изделия собирают в отдельные узлы, подгоняют друг к другу, маркируют и отправляют по назначению. Скрап из ковшей, прибыль, литники и бракованные отливки измельчают и подают в расходный бункер плавильной печи. Очистка отходящих газов. Технологический процесс производства фторфлогопитовых изделий характеризуется выделениями кремнеземсодержащих, силикатных, магнезитовых пылей, а также токсичных фторсодержащих пылей и газов в рабочую зону производственных помещений. Количество фтористых соединений на 1 т фторфлогопитовых камнелитых изделий составляет в среднем в пересчете на NaF 6,8 кг. В зоне действия плавильной печи и на заливочном плацу в воздухе может присутствовать фтористый водород НF (выше 19,43 °С - бесцветный газ с резким запахом, раздражающим дыхательные пути; ниже этой температуры - бесцветная легкоподвижная жидкость плотностью 0,98 г/см3). Определены следующие источники выделения пыли и газа: - Участок подготовки шихты. Пыль сырьевых материалов при разгрузке шихтовых материалов в расходные бункера, дозировании, смешении шихтовых компонентов, брикетировании шихты, сушке брикетов и дроблении отходов фторфлогопитового литья. - Печь для приготовления фторфлогопита, разливочный плац. Газы с пылевыми фракциями (фториды, газообразные и взвешенные вещества), вынесенные из плавильной печи при приготовлении фторфлогопитового расплава, а также при выпуске фторфлогопитового расплава в ковш и разливке фторфлогопитового расплава из ковша в кокиля. - Литейно-формовочный плац. Пыль формовочной и стержневой смесей при изготовлении песчано-глинистых форм. Фторсодержащие газы (фториды газообразные), вынесенные от литейно-формовочного плаца при разливке фторфлогопитового расплава в песчано-глинистые формы. - Участок изготовления графитовых кокилей и металлических форм. Газы с пылевой фракцией, вынесенные от станков обработки графитовых кокилей и металлических форм (сажа, металлическая пыль). Загрязняющие вещества (оксид железа, марганец и его соединения), выделяющиеся от поста сварки. - Стенд для контрольной сборки узлов из готовых изделий. - Лаборатория огнеупоров. Все участки, которые являются источниками газопылевого загрязнения, оборудованы системами пылегазоулавливания. Каждая линия пылегазоулавливания включает в себя две ступени: первая ступень - сухая пылеочистка (циклоны); вторая ступень - мокрая пылегазоочистка (улавливание фторсодержащих газов и мелкодисперсной пыли). Отходящие газы, содержащие пылевые фракции и газообразные фториды, собираются в общий коллектор и подаются на одну из линий системы очистки. На первой ступени очистки газовый поток проходит через групповой циклон, где происходит его очистка от пылевых фракций и твердых включений. Пыль из бункера циклона периодически направляется в отделение приготовления шихты, где вновь вовлекается в производство. Очищенные от пыли фторсодержащие газы поступают на вторую ступень очистки в верхнюю часть корпуса каскадно-пенного абсорбера. В качестве абсорбента используется водный раствор кальцинированной соды. Внутри адсорбер разделен вертикальной перегородкой до уровня, находящегося ниже сливного порога. При поступлении газов с одной стороны перегородки уровень жидкости понижается и образует ступеньку или каскад, вертикальная часть которого служит преградой на пути газового потока. Преодолевая образованную собственным давлением преграду, газы тонко диспергируют часть жидкости, образуя так называемую нестабильную пену. При этом происходит обезвреживание фторсодержащих газов по следующим реакциям: 2HF + Na2CO3 = 2NaF + CO2 + Н2O, (1) 3SiF4 + 2H2O = 2H2SiF6 + SiO2. (2) Нейтрализация образовавшейся кислоты осуществляется карбонатом натрия: 2H2SiF6 + Na2CO3 = Na2SiF6 + Н2O + CO2. (3) По системе транспортировки суспензия, представляющая собой смесь твердой и жидкой фаз, поступает в бак-отстойник, в котором происходит их гравитационное разделение. Твердый осадок направляется на рециклинг. Складирование готовой продукции. На складе предусмотрен участок стендов для контрольной сборки защитного пояса электролизера. После термообработки изделия электропогрузчиком перемещаются на участок, где осуществляется срезка прибылей, очистка, механическая обработка, визуальный контроль качества изделий, контрольная сборка защитного пояса электролизера с окончательной механической обработкой изделий. Годные изделия складируются на стеллажах склада готовой продукции. Отходы производства вовлекаются в производственный процесс в качестве вторсырья. Таким образом, подробно рассмотрена функциональная и технологическая схемы и процессы, обеспечивающие получение изделий из фторфлогопита, с учетом принципов безотходного производства и максимальной защиты рабочего персонала от негативных факторов. Технологический процесс может быть при необходимости адаптирован к обширной сырьевой базе Пермского края с учетом организации «гибких» технологий.

Об авторах

М. В Юдин

ПАО «Корпорация “ВСМПО-Ависма”»

Email: yudinmax1313@yandex.ru

М. М Николаев

ПАО «Корпорация “ВСМПО-Ависма”»

А. М Игнатова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: anutapages@gmail.com

М. Н Игнатов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: iampstu@gmail.com

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 51

PDF (Russian) - 31

Ссылки

• Ссылки не определены.