Металлургия ферросплавов. Ч. 3. Металлургия железоуглеродистых сплавов, сплавов никеля, кобальта, фосфора, селена и теллура, электрокорунда и флюсов. Ферросплавные печи и самообжигающиеся электроды

№ 417

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов

Н.П. Лякишев
М.И. Гасик
В.Я. Дашевский

Металлургия ферросплавов

Часть 3. Металлургия железоуглеродистых
сплавов, сплавов никеля, кобальта, фосфора,
селена и теллура, электрокорунда и флюсов.
Ферросплавные печи и самообжигающиеся
электроды

Учебное пособие

Допущено учебнометодическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности Металлургия
черных металлов

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 531 
 
Л97 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук Г.И. Котельников 

Лякишев Н.П., Гасик М.И., Дашевский В.Я. 
Л97  
Металлургия ферросплавов: Ч. 3. Металлургия железоуглеродистых сплавов, сплавов никеля, кобальта, фосфора, селена 
и теллура, электрокорунда и флюсов. Ферросплавные печи и 
самообжигающиеся электроды: Учеб. пособие. – М.: Изд. Дом 
МИСиС, 2009. – 100 с. 

В учебном пособии изложены физико-химические основы высокотемпературных процессов получения железоуглеродистых сплавов, сплавов никеля, кобальта, фосфора, селена и теллура углеродо-, силико- и алюминотермическими методами. Рассмотрены технологии промышленного производства 
этих ферросплавов, характеристики шихтовых материалов, технологические 
параметры процессов выплавки. Описаны технологии выплавки электрокорунда и электроплавленных флюсов. Приведено описание ферросплавных 
печей. Рассмотрены конструкция и технология изготовления самообжигающихся электродов.  
Задача пособия состоит в формировании у студентов представлений о 
теории и современных технологиях производства ферросплавов. 
Соответствует программе курса «Металлургия ферросплавов». 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
«Металлургия черных металлов», «Металлургия техногенных и вторичных 
ресурсов» и «Металлургия цветных металлов». 
 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................5 
16. Железоуглеродистые сплавы.............................................................6 
16.1. Свойства железа и его соединений ............................................6 
16.2. Восстановление железа углеродом и газами.............................9 
16.3. Электротермия чугуна...............................................................10 
17. Ферроникель .....................................................................................14 
17.1. Свойства никеля и его соединений..........................................14 
17.2. Минералы и руды никеля..........................................................20 
17.3. Технология получения и рафинирования ферроникеля.........21 
18. Кобальт ..............................................................................................26 
18.1. Свойства кобальта и его соединений.......................................26 
18.2. Минералы и руды кобальта ......................................................30 
18.3. Технология получения кобальта ..............................................31 
19. Феррофосфор ....................................................................................36 
19.1. Свойства фосфора и его соединений .......................................36 
19.2. Минералы и руды фосфора.......................................................39 
19.3. Термодинамика реакций восстановления фосфора................40 
19.4. Подготовка фосфоритов к электроплавке...............................41 
19.5. Электропечи для восстановления фосфора.............................42 
19.6. Электротермия фосфора ...........................................................43 
20. Ферроселен и ферротеллур..............................................................45 
20.1. Свойства селена, теллура и их соединений.............................45 
20.2. Селен- и теллурсодержащие руды ...........................................48 
20.3. Легирование стали селеном и теллуром..................................49 
21. Электрокорунд..................................................................................51 
21.1. Свойства корунда ......................................................................51 
21.2. Технология электрокорунда .....................................................52 
22. Электроплавленные флюсы.............................................................58 
22.1. Требования к флюсам и способы их получения.....................58 
22.2. Электроплавка флюсов .............................................................59 
22.3. Поведение примесей при электроплавке флюсов...................61 
23. Ферросплавные печи........................................................................64 
23.1. Общие сведения.........................................................................64 
23.2. Рудно-термические электрические печи .................................66 
23.2.1. Конструкции рудно-термических печей...........................66 
23.2.2. Ванна рудно-термической печи ........................................72 

23.2.3. Механизм вращения ванны рудно-термической 
печи..................................................................................................73 
23.2.4. Свод рудно-термической печи ..........................................75 
23.2.5. Обеспечение печей шихтой...............................................76 
23.3. Рафинировочные электрические печи.....................................82 
24. Самообжигающиеся электроды ......................................................87 
24.1. Конструкция самообжигающихся электродов........................87 
24.2. Электродная масса.....................................................................91 
24.3. Технология производства электродной массы .......................94 
24.4. Процессы, происходящие при обжиге электродной 
массы....................................................................................................96 
Библиографический список...................................................................99 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Данное издание представляет собой третью, заключительную 
часть учебного пособия по дисциплине «Металлургия ферросплавов», посвященную теории и технологии металлургии ферросплавов. 
С рядом положений, изложенных в данном пособии, студенты могли 
кратко ознакомиться ранее в курсе «Теория металлургических процессов». Однако предложенные материалы не только существенно 
расширяют знания студентов в области теории металлургических 
процессов, касающихся производства ферросплавов, но и подробно 
освещают технологические аспекты этих процессов. 
В первой части пособия были изложены основы теории и практики процессов производства ферросплавов кремнистой, марганцевой и 
хромистых групп, а во второй части – основы процессов получения 
сплавов вольфрама, молибдена, ванадия, титана, щелочно-земельных 
и редкоземельных металлов, ниобия, циркония, алюминия, бора. 
В настоящем пособии изложены физико-химические основы высокотемпературных процессов получения железоуглеродистых сплавов, сплавов никеля, кобальта, фосфора, селена, теллура углеродо-, 
силико- и алюминотермическими методами. Рассмотрены технологии промышленного производства этих ферросплавов, характеристики шихтовых материалов, технологические параметры процессов 
выплавки. Описаны технологии выплавки электрокорунда и электроплавленных флюсов. Приведено описание ферросплавных печей. 
Рассмотрены конструкция и технология изготовления самообжигающихся электродов.  
В конце пособия приведен библиографический список, позволяющий подробнее ознакомиться с вопросами, изложенными в данном пособии. 

16. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ 

Железо было известно еще в доисторические времена. Способ получения железа из руд был изобретен в западной части Азии во 2-м 
тысячелетии до н.э.; вслед за тем применение железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции – на смену бронзовому веку пришел 
железный век. 
По содержанию в земной коре железо занимает четвертое место 
(4,65 масс. %) и второе среди металлов (после алюминия). Железо 
образует около 300 минералов: – оксиды, сульфиды, силикаты, карбонаты и др. Железо – важнейший металл современной техники. В 
чистом виде из-за низкой прочности практически не используется. 
Основная масса железа применяется в виде весьма разных по составу 
и свойствам сплавов. На долю сплавов железа приходится ~95 % 
всей металлической продукции. 

16.1. Свойства железа и его соединений 

Железо (Fe) – элемент VIIIB группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, относится к переходным элементам триады 
железа. Порядковый номер 26, атомная масса 55,847, конфигурация 
электронной оболочки 3d64s2, валентность 2 и 3, температура плавления 1539 оС, температура кипения ~3200 оС, плотность 7,874 г/см3 
при 20 оС, а в точке плавления плотность твердого железа 7,265 г/см3.  
Железо – полиморфный металл: при нагревании объемноцентрированная решетка α-Fe переходит в гранецентрированную 
(ГЦК) γ-Fe, которая переходит в объемно-центрирован-ную δ-Fe: 

 
α-Fe 
⎯
⎯ →
⎯
Ñ
о
911
 γ-Fe 
⎯
⎯
→
⎯
Ñ
1392 î
 δ-Fe 
⎯
⎯
⎯
→
⎯
Ñ
о
1539
 Fеж. 

Железо ферримагнитно – точка Кюри 769 оС. 
Система Fe – O. Диаграмма состояния системы Fe – O приведена 
на рис. 16.1. В системе образуются соединения FeO, Fe3O4 и Fe2O3 
(таблица), а также несколько фаз переменного состава (твердые растворы). При нагревании происходит термическая диссоциация оксидов в ряду Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe. Гематит Fe2O3 диссоциирует 
по реакции 

 
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2(г). 

Реакция в интервале температур 900…990 K протекает в гомогенной области, а в интервале 1030…1200 K давление кислорода соот

ветствует давлению над механической смесью Fe2O3 и Fe3O4. Давление диссоциации стехиометрического Fe2O3 в 250 раз больше давления диссоциации магнетита Fe3O4, которая протекает по реакции 

 
2Fe3O4 = 6 FeO + O2(г). 

 

Рис. 16.1. Диаграмма равновесного состояния системы Fe – O 

Термодинамические константы кислородных соединений железа 

Соединение 
 – 
298
H
Δ
, 
кДж/моль 
 – 
298
G
Δ
, 
кДж/моль 

298
S, 
Дж/(моль·K) 

,298
P
C, 

Дж/(моль·K) 
Tпл, K 

FeO 
264,60 
244,06 
57,51 
48,07 
1693 

Fe3O4 
1116,06 
1013,19 
146,04 
146,05 
Разлагается 

Fe2O3 
821,37 
739,60 
87,36 
103,66 
1838 

Fe(OH)3 
576,61 
486,97 
60,31 
74,70 
 –  

Fe(OH)2 
561,14 
479,27 
88,16 
96,97 
 –  

Растворимость кислорода в жидком железе увеличивается с температурой: в интервале температур 1539…1850 оС она описывается 
уравнением 

lg [ % O] = ( – 6629/T) + 2,939, 

а в интервале температур 1850…2046 оС – уравнением 

 
lg [ % O] = ( – 9830/T) + 4,496, 

при температуре 1600 оС растворимость кислорода в жидком железе 
составляет 0,235 %. 
Система Fe – С. Диаграмма состояния системы Fe – С приведена 
на рис. 16.2. Известны карбиды железа Fe3C (цементит), Fe2C (чалипит) и др. В системе основными фазами являются феррит (твердый 
раствор углерода в α-Fe), аустенит (твердый раствор углерода в γ-C), 
цементит (Fe3C) и графит. Сплавы с 0,8 % С претерпевают эвтектоидное превращение, а с 4,3 % С – эвтектическое. С увеличением содержания углерода температура плавления железа снижается, эвтектическая температура составляет 1153 оС. С повышением температуры (°C) растворимость углерода в железе увеличивается: 

 
[% C]Fe = 1,30 + 2,5·10 – 3t. 

Введение в расплав Cr, Mn, Ti повышает растворимость углерода, 
а Si, P, S – понижает, Ni и Co не оказывают заметного влияния на 
растворимость углерода в железе. 

 

Рис. 16.2. Диаграмма равновесного состояния системы Fe – C 

16.2. Восстановление железа углеродом 
и газами 

Оксиды железа могут быть восстановлены твердым углеродом и 
газами: монооксидом углерода (CO), водородом (H2), метаном (CH4) 
и их смесями. Восстановление оксидов твердым углеродом протекает по реакции 

 
FemOn + nC = mFe + nCO, 

которую не следует отождествлять с процессами прямого получения железа путем восстановления оксидов, минуя доменную печь. 
Поскольку контакт взаимодействующих твердых фаз постоянно нарушается, при температуре выше 900 оС процесс происходит с участием газовой фазы: 
FemOn + nCO = mFe + nCO2; 
nCO2 + nC = 2nCO 
________________________ 
FemOn + nC = mFe + nCO 
Восстановление оксидов железа водородом протекает по реакции 
FemOn + nH2 = mFe + nH2O. 
Уравнения равновесия в системах Fe – O – C и Fe – O – H находят, 
комбинируя известные реакции равновесия в системах Fe – FeO, 
FeO – Fe3O4, Fe3O4 – Fe2O3 с реакциями 
H2 + ½O2 = H2O; 
CO + ½O2 = CO2; 
C + CO2 = 2CO. 
Системы C – O и H – O связаны равновесием 
CO2 + H2 = CO + H2O. 
Результаты расчетов в системах Fe – O – C и Fe – O – H представлены на рис. 16.3. Как видно из приведенных данных, оксиды железа 
могут быть восстановлены углеродом до железа (pобщ = 0,1 МПа) при 
температуре выше 710 оС. При более низкой температуре восстановление протекает до вюстита. Ниже кривой равновесия реакции взаимодействия диоксида углерода с углеродом газовая смесь пересыщена углеродом, и поэтому он выпадает в самостоятельную фазу. 
В соответствии с принципом А.А. Байкова при восстановлении 
оксидов железа процесс превращения при температуре ниже 570 оС 
протекает по схеме Fe2O3 → Fe3O4 → Fe, а выше 570 оС – с образованием в качестве промежуточной фазы вюстита: Fe2O3 → Fe3O4 → 

FeO → Fe. Значение энергии Гиббса (Дж/моль) для экзотермической 
реакции 
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 
может быть рассчитано по уравнению 
T
G
Δ
 = – 32970 – 53,85Т,  
а для эндотермической реакции  
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 
по уравнению 
T
G
Δ
 = 29790 – 34,52Т. 
Реакция восстановления вюстита до железа оксидом углерода экзотермическая: 
FeO + CO = Fe + CO2, 
T
G
Δ
 = – 22802 + 24,26Т. 

 

Рис. 16.3. Равновесие между железом, вюститом, магнетитом и 
смесями CO2 – CO – C (а) и водород – водяной пар (б) 

16.3. Электротермия чугуна 

Первые рудно-термические печи для выплавки чугуна (электродомны) появились в 1908 г. Верхняя часть печей выполнялась в виде 
шахты, копирующей профиль доменной печи, в нижней части печи 
большого диаметра располагались электроды под углом к вертикали 
(рис. 16.4). Вследствие того, что расход углеродистого восстановителя при использовании электротермического метода уменьшается за 

счет выделения тепла при прохождении тока через шихту и горения 
электрических дуг большой мощности, количество выделяющихся 
газов невелико, а их температура понижена, восстановление оксидов 
железа монооксидом углерода в верхней части шахтной печи практически не получает развития. Этим объясняется, что все электрические печи для выплавки чугуна по основным конструктивным параметрам аналогичны рудно-термическим электропечам, применяемым 
для выплавки ферросплавов непрерывным методом. За рубежом такие печи называют низкошахтными.  

 

Рис. 16.4. Схема электродоменной печи:  
1 – ванна; 2 – электроды; 3 – шахта  

В 1965 – 1966 гг. были введены в эксплуатацию печи с установленной мощностью трансформатора 60 МВ·А (рис. 16.5), в которых 
на 1 т чугуна (4 % C, 1 % Si,0,07 % S) расходуется 1523 кг окатышей 
(950 кг железа), 400 кг кокса, 234 кг известняка, 122 кг доломита. 
Плавку ведут на шлаке основностью (CaO + MgO)/SiO2 = 1,36; 
удельный расход электроэнергии составляет 2464 кВт·ч/т чугуна или 
69,8 % в общем балансе прихода тепла, 28,3 % тепла поступает от 
окисления углерода и 1,9 % от процессов шлакообразования. На восстановление оксидов расходуется 57,4 % тепла, на разложение известняка и доломита – 4,4 %, на испарение влаги – 0,8 %, тепло чугуна составляет 9,4 %, шлака – 7,3 %, колошникового газа – 17,5 %. 

Рис. 16.5. Схема строения ванны рудно-термической печи для 
выплавки чугуна: 
1 – электрод; 2 – контактный узел; 3 – шихта; 4 – коксовый слой;  
5 – свод; 6 – мелкий кокс в смеси с известью; 7 – металл; 8 – шлак  

Плавка чугуна с применением офлюсованного агломерата снижает удельный расход электроэнергии до 2000 кВт·ч/т. Перспективно 
использование частично металлизованной и нагретой шиты. Нагрев и 
предварительное восстановление шихты в трубчатых печах, отапливаемых колошниковым газом, повышают производительность электропечей, а расход электроэнергии снижается до 1000…1800 кВт·ч/т 
при расходе кокса ~300 кг. Основность шлака в электропечи обычно 
поддерживают на уровне (CaO + MgO)/SiO2 = 1,4…1,8. Для уменьшения вязкости шлака целесообразно иметь в нем 8…12 % MgO. Колошниковый газ содержит, %: 60…75 CO; 25…30 CO2; 8…10 N2; 
2…3 H2: ~1 % CH4; 0,3…0,4 O2, тогда как доменный газ содержит, %: 
24…30 CO; 9…18 CO2; 55…59 N2; 0,2…0,5 H2; 1…2 CH4. 
Особенностью строения ванны является образование «подушки», 
состоящей из кокса в смеси с известью. В этой зоне есть и капли чугуна, опускающиеся на подину, где они создают металлическую ванну. Шлак заполняет главным образом свободные промежутки в нижней части коксового слоя. Непосредственно под электродами нет ни 
металла, ни шлака, здесь находится «сухой» кокс, нагретый в работающей печи до температуры 2000…3000 оС. Механизм прохождения электрического тока в печи полностью не ясен, но, по-видимому, 
между кусочками кокса «подушки» в местах контактов образуются 
небольшие электрические дуги. Основная часть мощности выделяет