Ферросплавы: теория и технология


В. Я. Дашевский












        ФЕРРОСПЛАВЫ:

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.168
ББК 34.326
     Д21










Посвящается памяти отца автора, Дашевского Якова Вениаминовича -одного из создателей отечественной промышленности ферросплавов










     Дашевский, В. Я.
Д21      Ферросплавы: теория и технология / В. Я. Дашевский. - Москва ; Вологда
     Инфра-Инженерия, 2021. - 288 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0566-9

     Изложены физико-химические основы высокотемпературных процессов получения ферросплавов кремнистой, марганцевой и хромистых групп, сплавов молибдена, ванадия, титана, щелочноземельных и редкоземельных металлов, ниобия, циркония, алюминия, бора, никеля, кобальта, фосфора, селена и теллура, железоуглеродистых сплавов. Рассмотрены технологии промышленного производства этих групп ферросплавов, характеристики шихтовых материалов, технологические параметры процессов выплавки. Описаны технологии выплавки электрокорунда и электроплавленных флюсов. Приведено описание ферросплавных печей. Рассмотрены конструкция и технология изготовления самообжигаю-щихся электродов.
     Для специалистов в области металлургии, аспирантов и преподавателей. Может быть полезно студентам старших курсов направления подготовки «Металлургия».

УДК 669.168
ББК 34.326




ISBN 978-5-9729-0566-9

© Дашевский В. Я., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ....................................................................8

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПРОЦЕССОВ.............................10
    1.1. Ведущие элементы ферросплавов.....................................10
    1.2. Общие требования к качеству ферросплавов..........................12
    1.3. Классификация ферросплавных процессов по виду применяемых восстановителей.........................................................12
    1.4. Классификация ферросплавных процессов по виду используемого агрегата.14
    1.5. Классификация ферросплавных процессов по технологическим признакам...15

ГЛАВА 2. КРЕМНИЙ И КАРБИД КРЕМНИЯ..........................................17
    2.1. Свойства кремния, углерода и их соединений...........................17
    2.2. Теоретические основы восстановления кремния углеродом.............21
    2.3. Сортамент кристаллического кремния и качество шихтовых материалов.22
    2.4. Технология выплавки кристаллического кремния......................24
    2.5. Технология производства карбида кремния...........................27

ГЛАВА 3. ФЕРРОСИЛИЦИЙ......................................................30
    3.1. Свойства соединений кремния.......................................30
    3.2. Теоретические основы восстановления кремния углеродом при получении ферросилиция...........................................................32
    3.3. Электрические характеристики и геометрические параметры ванны электропечей для выплавки ферросилиция.................................32
    3.4. Технология выплавки и разливки ферросилиция.......................33

ГЛАВА 4. СПЛАВЫ МАРГАНЦА...................................................41
    4.1. Свойства марганца и его соединений................................42
    4.2. Минералы, руды и концентраты марганца.............................48
    4.3. Дефосфорация марганцевых концентратов и марганецсодержащих продуктов.49
    4.4. Технология сушки и окускования марганцевых концентратов...........51
    4.5. Технология выплавки высокоуглеродистого ферромарганца.............53
    4.6. Технология выплавки ферросиликомарганца...........................58
    4.7. Технология выплавки металлического марганца, низко- и среднеуглеродистого ферромарганца..........................................................60
    4.8. Технология получения азотированного марганца и силикомарганца.....66

ГЛАВА 5. СПЛАВЫ ХРОМА......................................................69
    5.1. Свойства хрома и его соединений...................................69


3

    5.2. Минералы и руды хрома.............................................75
    5.3. Технология выплавки высокоуглеродистого феррохрома................76
    5.4. Технология выплавки ферросиликохрома..............................79
    5.5. Технология выплавки низкоуглеродистого феррохрома.................81
    5.6. Вакуумные процессы обезуглероживания и дегазации феррохрома.......85
    5.7. Кислородно-конвертерный и силикотермический способы выплавки среднеуглеродистого феррохрома.........................................86
    5.8. Алюминотермический способ получения хрома и феррохрома...............88
    5.9. Технология получения азотированного феррохрома....................92

ГЛАВА 6. ФЕРРОВОЛЬФРАМ.....................................................94
    6.1. Свойства вольфрама и его соединений...............................94
    6.2. Минералы, руды и концентраты вольфрама............................97
    6.3. Технология получения ферровольфрама углеродосиликотермическим способом...............................................................98
    6.4. Технология получения ферровольфрама алюминотермическим способом..101

ГЛАВА 7. ФЕРРОМОЛИБДЕН....................................................102
    7.1. Свойства молибдена и его соединений..............................102
    7.2. Минералы, руды и концентраты молибдена...........................106
    7.3. Окислительный обжиг молибденитового концентрата..................107
    7.4. Технология получения ферромолибдена внепечным силикоалюмотермическим способом.......................................108

ГЛАВА 8. ФЕРРОВАНАДИЙ.....................................................112
    8.1. Свойства ванадия и его соединений................................113
    8.2. Минералы, руды и концентраты ванадия.............................116
    8.3. Технология металлургического передела ванадийсодержащих концентратов.117
    8.4. Технология химического передела ванадийсодержащих шлаков.........119
    8.5. Термодинамика реакций восстановления ванадия из оксидов..........120
    8.6. Технология получения феррованадия силикоалюминотермическим способом..122
    8.7. Технология получения феррованадия алюминотермическим способом....123
    8.8. Технология получения ферросиликованадия..........................125
    8.9. Технология получения азотированного феррованадия.................125

ГЛАВА 9. ФЕРРОТИТАН.......................................................126
    9.1. Свойства титана и его соединений.................................126
    9.2. Минералы, руды и концентраты титана..............................131
    9.3. Термодинамика реакций восстановления титана......................132
    9.4. Окислительный обжиг титановых концентратов.......................133


4

    9.5. Технология диспергирования алюминия............................134
    9.6. Технология получения ферротитана алюминотермическим способом...134
    9.7. Технология получения металлического титана магниетермическим способом.138

ГЛАВА 10. ФЕРРОСПЛАВЫ СО ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ....................142
    10.1. Карбид кальция и силикокальций................................142
      10.1.1. Свойства кальция и его соединений.........................142
      10.1.2. Технология выплавки карбида кальция.......................146
      10.1.3. Технология выплавки силикокальция.........................149
    10.2. Ферросиликобарий и алюминобарий...............................152
      10.2.1. Свойства бария и его соединений...........................154
      10.2.2. Технология выплавки ферросиликобария......................159
      10.2.3. Технология выплавки алюминобария..........................159
    10.3. Ферросиликостронций...........................................160
      10.3.1. Свойства стронция и его соединений........................160
      10.3.2. Минералы и руды стронция..................................163
      10.3.3. Технология выплавки ферросиликостронция...................164
    10.4. Ферросиликомагний.............................................164
      10.4.1. Свойства магния и его соединений..........................164
      10.4.2. Минералы и руды магния....................................167
      10.4.3. Технология получения магния и магниевых ферросплавов......167
    10.5. Бериллий......................................................168
      10.5.1. Свойства бериллия и его соединений........................168
      10.5.2. Минералы и руды бериллия..................................169
      10.5.3. Технология получения бериллия.............................169

ГЛАВА 11. ФЕРРОНИОБИЙ...................................................171
    11.1. Свойства ниобия и его соединений..............................171
    11.2. Минералы и руды ниобия........................................176
    11.3. Термодинамика реакций восстановления ниобия...................176
    11.4. Технология получения феррониобия алюминотермическим способом..177

ГЛАВА 12. ФЕРРОСИЛИКОЦИРКОНИЙ И ФЕРРОАЛЮМИНОЦИРКОНИЙ....................180
    12.1. Свойства циркония и его соединений............................180
    12.2. Минералы, руды и концентраты циркония.........................184
    12.3. Термодинамика реакций восстановления циркония.................184
    12.4. Технология получения ферросиликоциркония алюминотермическим способом............................................................185
    12.5. Технология получения ферроалюминоциркония алюминотермическим способом............................................................187


5

ГЛАВА 13. ФЕРРОАЛЮМИНИЙ И СИЛИКОАЛЮМИНИЙ...............................189
   13.1. Свойства алюминия и его соединений............................189
   13.2. Минералы и руды алюминия......................................193
   13.3. Технология производства ферроалюминия.........................193
   13.4. Технология производства силикоалюминия........................194

ГЛАВА 14. ФЕРРОБОР И КАРБИД БОРА.......................................198
   14.1. Свойства бора и его соединений................................198
   14.2. Минералы и руды бора..........................................200
   14.3. Термодинамика реакций восстановления бора.....................201
   14.4. Технология получения ферробора................................202
   14.5. Технология получения карбида бора.............................204

ГЛАВА 15. ФЕРРОСПЛАВЫ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ......................207
   15.1. Свойства редкоземельных металлов и их соединений..............207
   15.2. Минералы, руды и концентраты редкоземельных металлов..........212
   15.3. Технология получения ферросплавов с редкоземельными металлами.212

ГЛАВА 16. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ....................................215
   16.1. Свойства железа и его соединений..............................215
   16.2. Восстановление железа углеродом и газами......................217
   16.3. Электротермия чугуна..........................................219

ГЛАВА 17. ФЕРРОНИКЕЛЬ..................................................222
   17.1. Свойства никеля и его соединений..............................222
   17.2. Минералы и руды никеля........................................226
   17.3. Технология получения и рафинирования ферроникеля..............227

ГЛАВА 18. КОБАЛЬТ......................................................231
   18.1. Свойства кобальта и его соединений............................231
   18.2. Минералы и руды кобальта......................................234
   18.3. Технология получения кобальта.................................235

ГЛАВА 19. ФЕРРОФОСФОР..................................................238
   19.1. Свойства фосфора и его соединений.............................238
   19.2. Минералы и руды фосфора.......................................240
   19.3. Термодинамика реакций восстановления фосфора..................241
   19.4. Подготовка фосфоритов к электроплавке.........................242
   19.5. Электропечи для восстановления фосфора........................243
   19.6. Электротермия фосфора.........................................243

6

ГЛАВА 20. ФЕРРОСЕЛЕН И ФЕРРОТЕЛЛУР....................................245
   20.1. Свойства селена, теллура и их соединений......................245
   20.2. Селен- и теллурсодержащие руды................................247
   20.3. Легирование стали селеном и теллуром.........................248

ГЛАВА 21. ЭЛЕКТРОКОРУНД...............................................250
   21.1. Свойства корунда.............................................250
   21.2. Технология электрокорунда....................................250
   21.3. Технология нормального электрокорунда........................251

ГЛАВА 22. ЭЛЕКТРОПЛАВЛЕННЫЕ ФЛЮСЫ.....................................256
   22.1. Требования к флюсам и способы их получения...................256
   22.2. Электроплавка флюсов.........................................257
   22.3. Поведение примесей при электроплавке флюсов..................258

ГЛАВА 23. ФЕРРОСПЛАВНЫЕ ПЕЧИ..........................................261
   23.1. Рудно-термические электрические печи.........................263
      23.1.1. Ванна рудно-термической печи............................266
      23.1.2. Механизм вращения ванны рудно-термической печи...........267
      23.1.3. Свод рудно-термической печи.............................268
      23.1.4. Обеспечение печей шихтой................................269
   23.2. Рафинировочные электрические печи............................273

ГЛАВА 24. САМООБЖИГАЮЩИЕСЯ ЭЛЕКТРОДЫ..................................277
   24.1. Конструкция самообжигающихся электродов......................277
   24.2. Электродная масса............................................279
   24.3. Технология производства электродной массы....................282
   24.4. Процессы, происходящие при обжиге электродной массы..........283

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................286

7

ВВЕДЕНИЕ


      Ферросплавы - сплавы железа с одним или несколькими элементами, получаемыми преимущественно извлечением металлов из руд, концентратов, технически чистых оксидов. Ферросплавы, в основном, используются в сталеплавильном производстве при производстве высоколегированных сплавов и чугунов. Использование ферросплавов с целью раскисления и легирования жидкой сталеплавильной ванны повышает комплекс физико-механических свойств и функциональные характеристики металлопродукции. Некоторые виды ферросплавов применяются в цветной металлургии, химической промышленности и других отраслях.
      Ферросплавное производство является составной частью горно-металлургического комплекса, поскольку сущностью и главной задачей ферросплавной промышленности является первичное извлечение (восстановление) металлов из природных минеральных образований, добываемых из недр. Руды имеют в своем составе нерудные минералы, пустую породу. Поэтому руду в большинстве случаев подвергают обогащению одним или последовательно несколькими способами (гравитационным, магнитным, электрическим, флотационным, реже -химическим) с получением концентратов, в которых содержание ведущего металла существенно выше в сравнении с исходной рудой. Использование концентратов, а не исходной руды, позволяет получать ферросплавы с большим содержанием ведущего элемента, с меньшим содержанием примесных элементов (фосфора, серы, цветных металлов), уменьшить количество шлака и отходящих газов и, что следует особо отметить, существенно снизить удельный расход электроэнергии.
      В историческом аспекте начало производства и использование ферросплавов относится к концу XIX века, когда в доменных печах была освоена выплавка углеродистого ферромарганца и бедного ферросилиция. Ферросплавы с высоким содержанием металлов, имеющих большее химическое сродство к кислороду, чем железо, а также ферросплавы с низким содержанием углерода или содержащие тугоплавкие металлы доменным способом получить невозможно. Производство ферросплавов всей гаммы трудновосстановимых элементов и с низким содержанием углерода успешно освоено в XX веке в дуговых электрических печах.
      Производство ферросплавов в России впервые было организовано за несколько лет до начала Первой мировой войны. На порогах уральской реки Сатки был построен небольшой электрометаллургический завод, где в двух маленьких однофазных печах мощностью 280 кВт выплавляли ферросилиций с 30—40 % кремния и высокоуглеродистый феррохром. Впоследствии от выплавки феррохрома отказались, и обе печи работали на производство ферросилиция. Производительность этих печей составляла около 500 т 45%-ного ферросилиция в год.
      Создание в СССР в 30-х годах и последующие периоды развития народного хозяйства электроэнергетической и минерально-сырьевой базы явилось предпосылкой освоения и развития производства ферросплавов практических всей видовой и марочной структуры. Ферросплавная промышленность СССР была представлена десятью ферросплавными заводами. В 1931 г. вошел в строй Челябинский электрометаллургический комбинат, а в 1933 г. - Запорожский и Зестафонский ферросплавные заводы. В годы Великой Отечественной войны были пущены Ключевской (1941 г.), Кузнецкий (1942 г.) и Актюбинский (1943 г.) ферросплав

8

ные заводы. В последующие годы вошли в строй действующих Серовский (1958 г.), Стахановский (1962 г.), Никопольский (1966 г.) и Ермаковский (1968 г.) ферросплавные заводы. Суммарный объем производства ферросплавов в СССР в 1990 г. составил около 5 млн т.
      Потребление ферросплавов и, следовательно, их производство напрямую зависят от количества выплавляемой стали. Постоянно увеличивающийся выпуск стали в мире сопровождается ростом выплавки ферросплавов.
      Ферросплавное производство России представлено Челябинским электрометаллургическим комбинатом (ОАО «ЧЭМК») с установленной мощностью трансформаторов 575 МВ-А, ОАО «Кузнецкие ферросплавы» (285 МВ-А), ОАО «Серовский завод ферросплавов» (144 МВ-А), ОАО «Ключевской завод ферросплавов» (25 МВ-А), ОАО «Саткинский чугунолитейный завод», ОАО «Ванадий-Тулачермет». Кроме перечисленных заводов, ферросплавы выплавляют также в цехах, входящих в составы интегрированных металлургических комбинатов и заводов: ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ОАО «Чусовской металлургический завод», ОАО «Орско-Халиловский металлургический комбинат», ОАО «Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение», ОАО «Косогорский металлургический завод» и на ряде других более мелких предприятий. Производственные мощности всех этих предприятий могут обеспечить выпуск товарных и передельных ферросплавов в объеме около 2 млн т.
      Ферросплавная промышленность России производит ферросплавы широкой видовой структуры и различного марочного состава, которые характеризуются высокой конкуренто-спобностью: ферросилиций, ферромарганец, ферросиликомарганец, феррохром, ферросили-кохром, кристаллический кремний, ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, ферротитан, ферробор, ферросиликоцирконий, металлический хром и ряд лигатур и модификаторов.
      Для изготовления электродных углеродных масс, угольных и графитированных электродов для дуговых ферросплавных и сталеплавильных электропечей в странах СНГ имеется сырьевая база антрацитов, углей, нефти, каменноугольного связующего.
      Решениям проблемных задач в области повышения качественной и ценовой составляющих конкурентоспособности ферросплавов во многом способствует проводимые в стране фундаментальные и прикладные исследования в рамках изучения термодинамики расплавов жидких ферросплавов и шлаков, структуры и свойств твердых ферросплавов, новых видов минерального сырья и восстановителей, электрических режимов плавки, разработки сквозных инновационных технологий, обеспечивающих высокое качество ферросплавов, снижение удельного расхода электроэнергии и решение природоохранных задач.
      Большой вклад в теорию и практику производства ферросплавов внесли академик А. М. Самарин, академик Н. П. Лякишев, академик М. И. Гасик, член-корр. В. С. Емельянов, член-корр. В. П. Елютин, член-корр. П. В. Гельд, профессоры, доктора технических наук К. П. Григорович, С. И. Хитрик, В. А. Боголюбов, О. А. Есин, С. Т. Ростовцев, Ф. П. Еднерал, М. А. Кикелидзе и др. История создания и развития ферросплавного производства неразрывно связана с именами бывших директоров ферросплавных заводов Я. В. Дашевского, И. Ф. Красных, В. Н. Гусарова, В. П. Нахабина, Б. Ф. Величко и др.

9

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПРОЦЕССОВ


1.1. Ведущие элементы ферросплавов

      Значительное число элементов являются основой сплавов, называемых ферросплавами и представляющих собой двухкомпонентные или более сложные композиции соответствующих металлов и неметаллов с железом. Основные компоненты ферросплавов называют ведущими элементами. Свойства ферросплавов во многом зависят от физико-химических свойств ведущих элементов Степень восстановления и перехода элемента в металл или извлечение ведущего элемента определяет технико-экономическую эффективность и целесообразность применяемой технологии.
      К ведущим относятся элементы: Si, Мп, Cr, W, Мо, V, Ti, Nb, Zr, Ni, Co, Al, Са, B, Ва, Sr, Mg, РЗМ, P, Sc, Та, Те. В ферросплавах в больших или меньших количествах присутствуют элементы - примеси¹: Р, S, Cu, Sn, Sb, Bi, О, H, N и др. Сравнительная диаграмма распространенности этих элементов в природе представлена на рис. 1.1.
      Выделяют две группы ферросплавов - большие и малые.
      К группе больших ферросплавов (объем производства миллионы тонн) относят: кремнистые ферросплавы (ферросилиций всех марок, кристаллический кремний); марганцевые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый ферромарганец, товарный и передельный силикомарганец, металлический марганец, азотированный марганец, марганцевые лигатуры); хромовые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый феррохром, товарный и передельный ферросиликохром, металлический хром, азотированный феррохром, лигатуры сложных композиций).
      К группе малых ферросплавов (объем производства десятки и сотни тысяч тонн) относятся: ферровольфрам; ферромолибден; феррованадий; ферротитан и сплавы систем Fe-Si-Ti, Ti-Cr-Al; Ti-Cr-Al-Ее, Ti-Ni; феррониобий и сплавы систем Ni-Nb, Nb-Ta-Fe; Nb-Та-Мп-Al-Si-Ti; Nb-To-Al; ферросиликоцирконий и ферроалюминоцирконий; ферроникель и феррокобальт; сплавы с алюминием (силикоалюминий, ферроалюминий, ферросиликоалюми-ний, сплавы систем Ее-Al-Mn-Si, Ре-Mn-Al); сплавы щелочноземельных металлов (силико-кальций, силикобарий, силикомагний, силикостронций, комплексные сплавы систем Fe-Si-Mg-Са; Si-Са-Ва-Ре; Si-Ва-Ре; Si-Bа-Sr и др.); ферробор, ферроборал и лигатуры с бором (Ni-B, Сг-В, В-Si-Al-Ti-Zr); сплавы с редкоземельными металлами (РЗМ) систем РЗМ-Si; Се-Si-Fe; РЗМ-Al-Si; фосфор и феррофосфор; ферроселен и ферротелур.
      Основное количество ферросплавов используют в сталеплавильном производстве для легирования и раскисления стали, а также для легирования и модифицирования чугуна и сплавов, изготовления сварочных электродов, производства химических соединений, в качестве исходного материала для защитных покрытий на металлических конструкциях и устройствах, при обогащении полезных ископаемых. Ферросплавы служат также исходным сырьем при получении особочистых веществ (элементов и соединений) и широко используются в качестве восстановителей в металлотермических процессах.


¹ Отнесение перечисленных элементов к примесям условное, так как в ряде ферросплавов - это легирующие элементы (феррофосфор, азотированный марганец, азотированный феррохром).

10

Рис. 1.1. Распространенность элементов в земной коре, % (по массе)

      Большинство ферросплавов содержит относительно большое количество железа. Это обусловлено тем, что в исходном сырье наряду с оксидами ведущих элементом всегда присутствуют оксиды железа, которые не являются вредной примесью для большинства ферросплавов. Более того, железо, растворяя восстановленный ведущий элемент, снижает активность последнего и температуру плавления ферросплавов, повышает плотность ряда ферросплавов и увеличивает полезное использование ведущих элементов при раскислении и легировании стали и сплавов. Образование металлических растворов восстанавливаемых элементов в железе за счет снижения активности ведущего элемента в растворе уменьшает энергию Гиббса процесса восстановления. Так, при образовании растворов на основе железа восстановление ведущего элемента возможно при более низких температурах с большим извлечением, поэтому часто железо специально вводят в шихтовые материалы (в виде стружки, реже в виде оксидов). Стоимость восстановленных элементов в ферросплавах ниже, чем чистых.

11

1.2. Общие требования к качеству ферросплавов


      Качество ферросплавов характеризуется содержанием и пределами колебаний ведущего элемента, концентрацией регламентируемых сопутствующих примесей (С, Р, S, цветных металлов, N, Н, О и др.), гранулометрическим составом, плотностью, состоянием поверхности кусков, температурой плавления, содержанием неметаллических включений и вкраплений шлака.
      Химический состав. Основным показателем качества ферросплава является его химический состав и, прежде всего, содержание в нем ведущего элемента. При этом важно постоянство содержания легирующего элемента в ферросплаве отдельных плавок, объединяемых в одну партию.
      Гранулометрический состав. Важной характеристикой качества ферросплава является его гранулометрический состав, поскольку при правильном его выборе ускоряется процесс расплавления растворения, обеспечивается высокое усвоение легирующего элемента стальной ванной. По требованию потребителей ферросплавы поставляются со строго заданным гранулометрическим составом. Важное значение имеют также механические свойства ферросплавов, поскольку от них зависит выбор дробильных устройств для получения сплавов, заданного гранулометрического состава.

1.3. Классификация ферросплавных процессов по виду применяемых восстановителей

      Этот признак является основным, так как от типа восстановителя зависят не только физико-химические процессы, определяющие сущность технологии различных ферросплавов, но и практические приемы ведения процесса, тип применяемого печного агрегата, химический состав получаемого сплава и область его использования. По этому признаку процессы производства ферросплавов классифицируются на углеродотермические, силикотер-мические и алюминотермические. Кальций- и магнийтермические процессы в металлургии ферросплавов не используют.
      Углеродотермические процессы. При углеродотермических процессах восстановителем оксидов является твердый углерод. В общем виде суммарные реакции могут быть представлены следующим образом:
2/у МехОу + 2С = 2х/у Ме + 2СО + АН1;
2/у МехОу + (2 + 2х/z)С = 2х/yz МегСy + 2СО + АН2.
      Главная особенность этих процессов состоит в том, что одним из продуктов восстановления является оксид углерода, удаление которого из ванны обеспечивает необратимость реакций. Углеродом могут быть восстановлены все элементы из их оксидов при высоких температурах процесса, так как химическое сродство углерода к кислороду с повышением температуры увеличивается. Углеродсодержащие материалы имеют невысокую стоимость, при этом возможно использование углеродистых материалов различного качества.


12

      К недостаткам углерода как восстановителя относятся следующие:
     1) при восстановлении оксидов образуются карбиды элементов; при повышении содержания кремния в сплаве снижается концентрация углерода;
     2) реакции восстановления оксидов протекают с поглощением большого количества тепла (АН >> 0), поэтому, как правило, требуется применение электрических дуговых печей большой мощности.
      Силикотермические процессы. Силикотермическое восстановление металлов из оксидов происходит по реакции:
2/у МехОу + Si = 2х/у Ме + S1O2 - АН.
      Восстановление оксидов кремнием ведут с применением комплексных передельных высококремнистых ферросплавов типа Ме-Ре^1, где Ме - Мп, Сг, которые предварительно получают восстановлением кремнезема (а также оксидов марганца и хрома) углеродом. Поэтому технологическая схема производства низкоуглеродистых ферросплавов включает стадию выплавки передельных сплавов: ферросиликомарганца и ферросиликохрома. В некоторых случаях в качестве восстановителя при силикотермическом процессе применяют ферросилиций марок ФС75 или ФС65 (выплавка ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия и др.). В результате восстановления оксидов кремнием шлак обогащается кремнеземом. Высокая степень восстановления ведущего элемента достигается за счет уменьшения активности SiO₂ в шлаке, поэтому плавку ведут флюсовым способом, используя в качестве флюса известь (CaO). Кремний в качестве восстановителя может использоваться и при восстановлении оксидов элементов, обладающих более высоким химическим сродством к кислороду, чем кремний. В этом случае удовлетворительное извлечение ведущего элемента достигается введением в шихту избыточного количества кремния. Конечный продукт получают с высокой концентрацией кремния (силикотермический силикокальций и др.).
      Кремний обладает достаточно высоким химическим сродством к кислороду, поэтому он может служить восстановителем элементов из таких оксидов, как Cr₂O3, MnO, МоО3, WO3, V₂O₃ и др. Восстановление оксидов кремнием сопровождается выделением тепла, которого, как правило, недостаточно для ведения внепечного силикотермического процесса, поэтому процесс ведут в электропечах относительно небольшой мощности (2,5-7 МВ'А).
      Кремний как восстановитель имеет следующие недостатки:
     1) вследствие образования кремнезема увеличивается количество шлака, в котором образуются прочные силикаты низших оксидов ведущего элемента; дальнейшее восстановление ведущего элемента возможно при введении в шлак (шихту) оксидов с высокими основными свойствами (СаО, MgO);
     2) при температурах выплавки ферросплавов кремний образует с металлами растворы, характеризующиеся существенными отрицательными отклонениями от идеального поведения, что свидетельствует о прочности связи Ме-Si и затрудняет получение сплавов с низкой концентрацией кремния.
      Алюминотермические процессы. Алюминотермическое восстановление металлов из оксидов протекает по реакции:
2/у МехОу + 4/3 А1 = 2х/у Ме + 2/3 АШ - АН

13

и характеризуется значительной отрицательной энергией Гиббса, поэтому процесс протекает с высоким полезным извлечением ведущего элемента. Основные особенности алюминотермического процесса: выделение значительного количества тепла в результате протекания реакции восстановления и возможность проведения процессов вне печи. При этом достигаются высокие температуры (2400-2800 K), которые обеспечивают получение шлака и металла с температурой, превышающей начало кристаллизации, хорошее разделение металлической и шлаковой фаз, высокую скорость процесса. При алюминотермических процессах для восстановления металлов из оксидов не требуется дополнительного подвода тепла (использования электропечи), за исключением особопрочных оксидов (например, получение ферросили-коциркония), когда ведут плавку в дуговых электропечах.
      Достоинством алюминотермических процессов является:
     1) возможность восстановления более широкой гаммы элементов с химическим сродством к кислороду меньшим, чем у алюминия;
     2) восстановление оксидов и получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей цветных металлов;
     3) простота аппаратурного оформления процесса, небольшие капитальные затраты;
     4) ведение процесса в наклоняющемся горне с выпуском шлака и металла;
     5) возможность предварительного расплавления оксидов и флюсов в электропечи, что позволяет значительно интенсифицировать процесс и уменьшить расход алюминия;
     6) использование высокоглиноземистых шлаков для получения синтетических шлаков, а также высокоглиноземистого цемента.
      К недостаткам алюминотермического процесса относятся:
     1) высокая стоимость и дефицитность алюминия;
     2) возможность образования низших оксидов ведущих металлов, уменьшение термодинамической вероятности восстановления этих оксидов и извлечения металлов из шихты;
     3) образование высокоглиноземистого шлака с высокой вязкостью, вызывающее потери восстановленного металла в виде корольков.

1.4. Классификация ферросплавных процессов по виду агрегата

      Основные способы производства ферросплавов, существующие в настоящее время: электропечной, металлотермический, доменный, электролитический, специальные методы.
      Электропечной способ основан на использовании дуговых электрических печей, в которых тепло выделяется при прохождении тока через газовый промежуток и шихтовые материалы, обладающие достаточно высоким электрическим сопротивлением. Процессы характеризуются получением высоких температур в области горения электрических дуг, осуществлением процессов с любым составом газовой фазы (восстановительной, окислительной, нейтральной) и в вакууме. Возможно, легко и быстро изменять мощность печной установки с полной автоматизацией ее работы.
      Металлотермический способ основан на использовании тепла химических реакций восстановления оксидов элементов алюминием и кремнием. Эти процессы могут проводиться


14

без подвода электрической энергии, хотя в последние годы большинство технологий предусматривает предварительное расплавление шихтовых материалов в дуговых электрических печах для интенсификации процесса, экономии дорогих восстановителей и более полного извлечения ведущих элементов из шихты в металл.
      Доменный способ позволил впервые получит ферросплавы, содержащие кремний, марганец и хром, но этот способ требует значительного расхода высококачественного кокса, а получаемые сплавы содержат углерод на пределе насыщения, поэтому в доменной печи невозможно получить ферросплавы с низким содержанием углерода. Так при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца в доменной печи расход кокса на 1 т сплава составляет 1700-1800 кг, тогда как при выплавке этого сплава в рудно-термической электропечи расход кокса составляет не более 450-500 кг/т, что и определяет более низкую стоимость сплава, выплавленного электротермическим способом. В доменной печи невозможно создать температурные условия для получения ферросплавов, содержащих металлы, имеющие большее химическое сродство к кислороду, чем железо, а также тугоплавкие металлы.
      Электролитический способ основан на электролизе водных растворов или расплавленных солей и используется для получения особо чистых металлов. Этот способ связан со значительных расходом электроэнергии и необходимостью использования особочистых исходных материалов.
      Специальные методы, используются для получения и рафинирования сплавов в вакуумных печах сопротивления, индукционных печах и в конвертерах, что позволяет производить ферросплавы и чистые металлы с весьма низким содержание углерода, кислорода, водорода, неметаллических включений, а также азотированные.

1.5. Классификация ферросплавных процессов по технологическим признакам

      Разнообразие используемых восстановителей обусловливает ряд особенностей ферросплавных процессов, которые являются основанием для их классификации по различным технологическим признакам.
      Непрерывные и периодические процессы. Ферросплавные процессы подразделяются на непрерывные и периодические.
      Непрерывные процессы ведут в стационарных рудно-термических электрических печах. Печи могут быть однофазными (с одним или двумя электродами) и трехфазными с тремя или с большим числом электродов, кратным трем. Печи питаются переменным током промышленной частоты (50 Гц), могут иметь круглую или прямоугольную ванну. Печи с круглой ванной оборудованы электродами круглого сечения, печи с прямоугольной ванной могут иметь как круглые, так и плоские (прямоугольные, овальные) электроды. В печах с круглой ванной электроды располагаются по вершинам равностороннего треугольника, в печах с прямоугольной ванной электроды располагаются в одну линию. Непрерывные процессы характеризуются непрерывной загрузкой шихты в рудно-термическую электропечь с закрытым колошником. Шихта расположена в печи на определенном уровне в течение всего процесса. Электроды постоянно погружены в шихту, а выпуск металла и шлака ведется периодически или непрерывно. При этом используют печи большой единичной электрической 15