Металлургия ферросплавов: технологические расчеты

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

 

 

 

 

В. Ф. Мысик, А. В. Жданов, В. А. Павлов 

 

 

МЕТАЛЛУРГИЯ ФЕРРОСПЛАВОВ:  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ  

 

 

Учебное пособие 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета  

2018 
 

УДК 669.168:669.04(075.8) 
ББК 34.323-5я73 
М95 
 
Рецензенты:  
д-р техн. наук, проф., академик РАЕН В. Я. Дашевский (заведующий 
лабораторией 
физико-химии 
металлических 
расплавов 
имени 
академика  
А. М. Самарина Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова 
РАН); кафедра «Металлургия и литейное производство» Южно-Уральского 
государственного университета (заведующий кафедрой – д-р техн. наук, проф.  
Б. А. Кулаков); канд. техн. наук Я. И. Островский (советник технического 
директора ОАО «Серовский завод ферросплавов») 
 

М95 

Мысик, В. Ф. 
Металлургия ферросплавов: технологические расчеты : учебное пособие / 
В. Ф. Мысик, А. В. Жданов, В. А. Павлов. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-
та, 2018. – 536 с. 
ISBN 978-5-7996-2388-3 
 
В данном учебном пособии изложены основы теории и технологии выплавки разных 
марок наиболее распространенных ферросплавов, а также методики составления 
материального и энергетического балансов. Приводятся основы металлургии ферросплавов, 
применяемое оборудование и примеры технологических расчетов выплавки стандартных 
ферросплавов, представлены методика металлургической оценки сырья и алгоритм 
компьютерной 
программы 
стоимостной 
оптимизации 
многокомпонентной 
шихты 
ферросплавного производства. 
Пособие предназначено для студентов старших курсов (бакалавров и магистров) вузов 
при выполнении расчетных, курсовых и выпускных квалификационных работ, а также может 
быть полезно инженерно-техническим работникам заводов и институтов. 
 
Кафедра «Металлургия железа и сплавов» выражает искреннюю 
признательность всему коллективу ОАО «Ключевский завод ферросплавов», 
руководству предприятия и лично генеральному директору Н. В. Кузьмину за 
финансовую поддержку издания данного учебного пособия 
 
УДК 669.168:669.04(075.8) 
ББК 34.323-5я73 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7996-2388-3 
© Уральский федеральный 

университет, оформление, 2018 

© Мысик В. Ф., Жданов А. В.,  

Павлов В. А., 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 

1. МЕТОДИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ПРОИЗВОДСТВА 

ФЕРРОСПЛАВОВ ..................................................................................................... 11 

         1.1. Материальный и тепловой баланс  углевосстановительного 

процесса .................................................................................................... 11 

         1.2. Материальный и тепловой баланс силикотермического 

процесса .................................................................................................... 27 

         1.3. Алюминотермический способ ......................................................... 45 

2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА 

МАРГАНЦЕВЫХ СПЛАВОВ ................................................................................. 53 

         2.1. Производство и применение марганцевых сплавов ...................... 53 

         2.2. Физико-химические основы процесса ............................................ 61 

         2.4. Шихтовые материалы для производства 

высокоуглеродистого ферромарганца и силикомарганца ................... 66 

         2.5. Пример расчета углевосстановительного процесса получения 

силикомарганца марки МнС17 ............................................................... 68 

         2.6. Расчет шахты для плавки углеродистого ферромарганца 

бесфлюсовым методом ............................................................................ 81 

         2.7. Расчет шихты для выплавки среднеуглеродистого 

ферромарганца .......................................................................................... 87 

         2.8. Технология металлического марганца и расчет шихты  для 

его выплавки силикотермическим методом .......................................... 92 

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА 

ФЕРРОСИЛИЦИЯ .................................................................................................. 115 

         3.1. Технологическая схема производства ферросилиция ................. 115 

         3.2. Применение и влияние сплавов кремния на свойства стали ...... 118 

3.3. Физико-химические основы процесса восстановления 

кремния при производстве кремнистых сплавов ................................ 121 

         3.4. Пример расчета шихты для плавки 75%-го ферросилиция ........ 123 

         3.5. Выплавка кристаллического кремния и карбида кремния ......... 140 

         3.6. Технология производства карбида кремния ................................. 149 

         3.7. Пример расчета шихты для плавки кристаллического 

кремния КР3 ............................................................................................ 153 

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА 

ХРОМОВЫХ СПЛАВОВ ....................................................................................... 171 

         4.1. Технология выплавки хромовых сплавов ..................................... 171 

         4.2. Применение сплавов хрома и их влияние на свойства стали ..... 173 

         4.3. Физико-химические основы процесса  получения хрома и его 

сплавов .................................................................................................... 177 

         4.4. Технология производства силикохрома........................................ 185 

         4.5. Пример расчета выплавки феррохрома марки ФХ850 ................ 194 

         4.6. Технологические расчеты силикотермического производства 

низкоуглеродистого феррохрома ......................................................... 230 

5. ТЕХНОЛОГИЯ ФЕРРОТИТАНА ..................................................................... 286 

         5.1. Подготовка шихтовых материалов к плавке ферротитана ......... 286 

         5.2. Выплавка ферротитана ................................................................... 287 

         5.3. Технология выплавки ферротитана ............................................... 291 

         5.4. Расчет шихты для плавки ферротитана ........................................ 295 

         5.5. Расчет теплового баланса плавки .................................................. 302 

         5.6. Выплавка ферротитана в индукционных печах ........................... 308 

6. МЕТАЛЛУРГИЯ ФЕРРОМОЛИБДЕНА .......................................................... 316 

         6.1. Общие сведения ............................................................................... 316 

         6.2. Руды и концентраты молибдена и их обжиг ................................ 322 

         6.3. Технология ферромолибдена ......................................................... 325 

         6.4. Новые технологии в производстве ферромолибдена .................. 329 

         6.5. Расчет шихты для плавки ферромолибдена ................................. 331 

7. МЕТАЛЛУРГИЯ ФЕРРОВАНАДИЯ ................................................................ 348 

         7.1. Сырье и извлечение ванадия .......................................................... 348 

         7.2. Технология феррованадия (алюмосиликотермический 

способ) ..................................................................................................... 354 

         7.3. Расчет шихты для плавки феррованадия марки ФВд35 

алюмосиликотермическим методом .................................................... 359 

         7.4. Расчет шихты для выплавки ферросиликованадия ..................... 366 

8. МЕТАЛЛУРГИЯ ФЕРРОВОЛЬФРАМА .......................................................... 382 

         8.1. Области применения и свойства вольфрама и его соединений ..... 382 

         8.2. Руды и концентраты вольфрама .................................................... 386 

         8.3. Получение ферровольфрама углесиликотермическим 

способом .................................................................................................. 388 

         8.4. Получение вольфрама и лигатур  алюмотермическим 

способом .................................................................................................. 394 

         8.5. Расчет шихты для плавки ферровольфрама  

(с вычерпыванием сплава) марки ФВ70а ............................................ 396 

9. МЕТАЛЛУРГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ХРОМА ............................................ 408 

10. МЕТАЛЛУРГИЯ ФЕРРОНИОБИЯ ................................................................. 422 

         10.1. Физико-химические основы восстановления пентаоксида 

ниобия ...................................................................................................... 422 

         10.2. Технология производства феррониобия ..................................... 425 

         10.3. Расчет технологии производства феррониобия   

из пентаоксида ........................................................................................ 430 

11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ 

РУДНОГО СЫРЬЯ НА ОСНОВЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО  

РАСЧЕТА ................................................................................................................. 440 

12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ РУДНОГО  

СЫРЬЯ ПО ЕГО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ (НА ПРИМЕРЕ 

МАРГАНЦЕВОРУДНОГО) ................................................................................... 450 

         12.1. Теоретические основы металлургической оценки сырья ......... 450 

12.2. Пример задания для расчета ........................................................ 454 

         12.3. Пример расчета .............................................................................. 455 

13. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ШИХТЫ ....... 459 

         13.1. Алгоритм оптимизации состава многокомпонентной шихты .. 460 

         13.2. Программа оптимизации и пример расчета ............................... 465 

14. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОСПЛАВНЫХ ПЕЧЕЙ .............................. 470 

         14.1. Рудовосстановительная печь ........................................................ 470 

         14.2. Рафинировочная печь ................................................................... 476 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 483 

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ССЫЛОК ................................................. 484 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Термодинамические и физико-химические характеристики 

материалов ............................................................................................................... 491 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Схема решения системы балансовых уравнений методом 

матриц и пример расчета шихты для производства ферросиликохрома марки 

ФХС48 (бесшлаковый способ) балансовым методом ......................................... 510 

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Химический состав минерального сырья некоторых 

месторождений ........................................................................................................ 522 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Плотность, наливная и насыпная масса сплавов и шлаков ...... 526 

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Плотность и насыпная масса 1 м3 шихтовых материалов  

и огнеупоров ............................................................................................................ 531 

 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современное 
производство 
сталей, 
особенно 
качественных, 

предусматривает обязательное применение 
раскислителей, 
легирующих, 

модифицирующих и рафинирующих добавок, без которых нельзя обеспечить 

заданные свойства сталей. Добавки стараются вводить в конце процесса 

выплавки стали – при ее выпуске в разливочный ковш или при внепечной 

обработке. Большой круг задач, решаемых с использованием ферросплавов при 

выплавке 
черных 
и 
цветных 
металлов, 
обуславливает 
разнообразие 

производимых сплавов, объем и различные методы их производства, а также 

применение специальных технологических приемов.  

Основным показателем качества ферросплава является его химический 

состав – содержание в нем ведущего элемента, а также вредных примесей 

(серы, фосфора, углерода и цветных металлов: меди, цинка и некоторых 

других). Другая важная характеристика качества ферросплава – его 

гранулометрический состав, при правильном выборе которого ускоряется 

процесс расплавления и обеспечивается усвоение легирующего элемента. 

Выплавка 
ферросплавов 
сопровождается 
их 
загрязнением 

неметаллическими включениями, что связано с повышенным содержанием в 

ферросплавах элементов, обладающих повышенным химическим сродством к 

кислороду. Растворимость этих элементов в ферросплавах определяет 

количество и форму включений, содержащихся в готовой стали. Важным 

фактором, влияющим на качество стали и сплавов, является содержание в 

ферросплавах газов (особенно водорода и азота). Поэтому требования к 

качеству ферросплавов должны устанавливаться в зависимости от их 

технологического назначения.  

По 
некоторым 
видам 
ферросплавов 
(например, 
марганцевым 
и 

хромовым) в России складывается напряженная обстановка из-за отсутствия 

качественного 
сырья 
в 
необходимом 
количестве. 
На 
каждую 
тонну 

выплавляемой 
стали 
расходуется 
около 
10 
кг 
марганца. 
Основные 

производители марганцевых сплавов, как и рудная база, находятся за рубежом 

(Австралия, Грузия, Казахстан, Китай, Украина, ЮАР): в 2014 г. в Россию был 

импортирован почти миллион тонн марганцевой руды из Казахстана, ЮАР, 

Бразилии. Из импортного сырья в России производят главным образом 

высокоуглеродистый ферромарганец в доменных печах небольшого объема 

(Саткинский чугуноплавильный завод, Косогорский металлургический завод). 

Общее производство марганцевых сплавов в 2014 г. в России составило: 

ферромарганец углеродистый ~ 180 тыс. т, силикомарганец ~ 179 тыс. т; в то же 

время видимое потребление в РФ составляет: ферромарганца – около 

150 тыс. т, а силикомарганца – 460 тыс. т. Иными словами, импорт 

силикомарганца в страну необходим в объеме почти 250 тыс. т. При этом 

необходимо учесть тенденцию к сокращению потребления традиционного 

углеродистого ферромарганца и росту потребления низкоуглеродистого (так 

называемого рафинированного) и металлического марганца.  

В настоящее время в России реализуются два проекта по разработке 

отечественных месторождений – в Кемеровской и Иркутской областях, что создает 

предпосылки для частичного сокращения импортозависимости по обеспечению 

силикомарганцем. 

Основным сырьем для производства феррохрома являются хромитовые 

руды. Запасы богатых хромитов находятся за рубежом: в Казахстане, ЮАР, 

Индии, 
Турции 
и 
др. Российские производители 
хромовых 
сплавов 

импортируют дорогую богатую руду и подшихтовывают к ней относительно 

дешевую 
бедную 
отечественную 
хромитовую 
руду 
для 
снижения 

себестоимости 
продукции. 
Основными 
производителями 
хромовых 

ферросплавов являются Челябинский электрометаллургический комбинат 

(ЧЭМК), Серовский (СЗФ) и Ключевский (КЗФ) заводы ферросплавов. Объем 

производства 
феррохрома 
в 
России 
составил 
около 
450 
тыс. 
т  

в 2014 г., а видимое потребление – 120 тыс. т, остальной феррохром был 

поставлен на экспорт, что составляет порядка 330 тыс. т. 

Сырьем 
для 
производства 
ферросилиция 
являются 
дешевые 
и 

распространенные в природе минералы – кварциты и кварцы. Ферросилиций 

применяют в качестве раскисляющей и легирующей добавки в сталеплавильном 

производстве или в качестве восстановителя – в ферросплавном. Основными 

производителями 
ферросилиция 
и 
его 
сплавов 
являются 
Челябинский 

электрометаллургический 
комбинат, 
Серовский, 
Братский 
и 
Кузнецкий 

ферросплавные заводы. Производство ферросилиция в 2014 г. в России составило 

~ 1,0 млн т, видимое потребление – 580 тыс. т, т. е. почти 460 тыс. т ферросилиция 

было экспортировано за рубеж. Наблюдается тенденция к увеличению доли 

производства высококремнистых сортов (65 % кремния и более) с пониженным 

содержанием вредных примесей (Al, Ti, Ca и др.). 

Низкопроцентный ферротитан с содержанием 20–40 % Ti 
получают 

алюмотермическим способом из титановых концентратов (ильменитового и 

рутилового). Ферротитан с высоким содержанием титана (65–78 % Ti) выплавляют 

в электрических печах путем сплавления отходов титановых сплавов со стальной 

стружкой. 
Ферротитан 
используется 
главным 
образом 
для 
легирования 

нержавеющих и жаропрочных сталей. Основные российские производители 

ферротитана: 
Верхне-Салдинское 
металлургическое 
производственное 

объединение (ВСМПО – АВИСМА) и Ключевский завод ферросплавов. Общий 

объем экспорта ферротитана из России в 2014 г. составил порядка 15 тыс. т. 

Крупнейшими производителями феррованадия в нашей стране являются 

ЕВРАЗ Ванадий Тула и Чусовской металлургический завод. Всего в 2014 г. 

произведено 11,5 тыс. т феррованадия, а видимое потребление – 10,4 тыс. т. 

Данный вид сплава Россия активно экспортирует на мировой рынок.  

В 2014 г. общий объем экспорта ферроникеля из России составил 13 тыс. т, 

также экспортировался ферромолибден в количестве 5 тыс. т из общего объема 

выплавки ферромолибдена 6,4 тыс. т. Ферровольфрама в России выплавляется 

недостаточно, и объем импорта составил 13,3 тыс. т. 

Наибольшее распространение, особенно для массовых ферросплавов, 

получили электротермический и металлотермический методы производства.  

Электротермический 
метод 
основан 
на 
использовании 
дуговых 

электрических печей, в которых тепло выделяется при прохождении тока через 

газовый промежуток и шихтовые материалы, обладающие высоким электрическим 

сопротивлением. Эти агрегаты отличаются возможностью получения высоких 

температур в области горения электрических дуг, химической нейтральностью 

источников тепла, возможностью осуществления процессов с любым составом 

газовой фазы. Металлотермический способ основан на использовании тепла 

химических реакций восстановления металлов из оксидов алюминием, кремнием, 

кальцием. Процессы с использованием алюминия могут осуществляться без 

подвода электрической энергии. Однако, с целью экономии дорогостоящих 

восстановителей и для интенсификации процессов, используют предварительное 

расплавление шихтовых материалов в дуговых электрических печах. 

Ферросплавы 
и 
металлы, 
выплавляемые 
этими 
способами, 

характеризуются высоким извлечением ведущих элементов и низким 

содержанием железа. Металлотермическим методом получают большой 

ассортимент 
различных 
ферросплавов, 
используя 
различные 
варианты 

аппаратурного оформления процесса [2]: 

внепечная плавка «на блок»; 

плавка с выпуском металла и шлака; 

электропечной 
процесс 
с 
предварительным 
расплавлением 

восстанавливаемых оксидов и флюсов; 

металлотермический переплав и некоторые другие. 

Выбор технологии и способа выплавки ферросплавов требует от 

специалистов умения проводить различные расчеты по выбору шихтовых 

материалов и восстановителей с прогнозированием результатов плавки. С 

развитием многоуровневой системы подготовки инженерных кадров более 

остро встает вопрос практики. 

В 
данном 
учебном 
пособии 
раскрываются 
физико-химические 
и 

технологические 
особенности 
производства 
различных 
ферросплавов 
и 

рассматриваются примеры определения технологических параметров и расчетов 

показателей процессов. 

 
 

1. МЕТОДИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ 
ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСПЛАВОВ 

В процессе расчетов происходит ознакомление с построением технологии 

выплавки заданного сплава, определение параметров технологии и показателей 

производства.  

Расчеты включают в себя определение состава шихты, составление 

материального и теплового балансов плавки, определение материальных и 

энергетических затрат. 

1.1. Материальный и тепловой баланс  
углевосстановительного процесса 

Углевосстановительным процессом производят ферросплавы большой 

группы [1–3]. Метод выплавки непрерывный электротермический. Метод 

характеризуется 
значительными 
энергозатратами 
на 
проведение 

восстановительных 
процессов 
(нужны 
мощные 
печи) 
и 
насыщением 

получаемого сплава углеродом из-за образования карбидов, поэтому его 

применяют для получения либо высокоуглеродистых сплавов (на основе 

марганца, 
хрома), 
либо 
сплавов, 
не 
растворяющих 
углерод 

(высококремнистых). 

К положительным сторонам метода следует отнести универсальность и 

сравнительную 
дешевизну 
восстановителя: 
углеродом 
могут 
быть 

восстановлены оксиды всех элементов при высоких температурах процесса, так 

как химическое сродство углерода к кислороду возрастает с повышением 

температуры, в то время как у других элементов уменьшается. 

Суммарная реакция процесса предполагает развитие преимущественно 

прямого восстановления: 

MеОх + хС → Me + хСО Q1  

МеОх + (х + у)С → МеСу + хСО Q2  
 

Образование газообразного оксида в продуктах и его удаление 

предполагает возможность высокой полноты восстановления всех элементов и 

проведения бесшлакового процесса. 

Выплавку сплавов ведут в закрытых и открытых рудовосстановительных 

печах мощностью до 100 МВт с вращающейся или стационарной ванной, 

футерованной магнезитовым кирпичем или угольными блоками. 

Состав шихты включает рудную (окисную) часть, содержащую ведущий 

элемент, углеродистый восстановитель и металлические или флюсовые добавки 

для корректировки состава получаемого сплава и шлака. 

Данные о составе шихтовых материалов и восстановителей приведены в 

табл. П.1.1 и П.1.2. На первом этапе производят выбор восстановителя и 

состава шихтовых материалов. Сумма компонентов в шихтовых материалах 

должна быть равна 100 %. Составы продуктов плавки углевосстановительного 

процесса приведены в табл. П.1.3, П.1.4, П.1.5, П.1.6. 

1.1.1. Условия расчетов 

Полнота восстановления оксидов углеродом определяется температурой, 

давлением, концентрацией (активностью) реагентов. Газовая фаза принимает 

активное участие в восстановительных процессах. Состав газовой фазы 

определяется термодинамической прочностью восстанавливаемых оксидов 

(возможностью их диссоциации), температурным режимом и возможностью 

образования газообразных субпродуктов типа SiO.  

Основным компонентом газовой фазы является СО (табл. П.1.7). Давление 

газовой фазы в расчетах принимают равным 1 атм. Обычно значительного 

изменения давления и состава газовой фазы не происходит, поэтому 

определяющими 
факторами 
полноты 
восстановления 
и 
распределения 

элементов между фазами остаются температурный и шлаковый режимы 

восстановления оксидов.  

В 
многошлаковых 
процессах 
температуру 
в 
зоне 
химического 

взаимодействия «металл – шлак» можно приравнять к температуре шлакового 

расплава она на 40–50 °С выше температуры металла на выпуске из печи 

(табл. П.1.3).  

Шлаковыми являются процессы выплавки ферромарганца флюсовым и 

бесфлюсовым способом, силикомарганца, силикохрома одностадийного, 

углеродистого и передельного феррохрома. 

В бесшлаковых и малошлаковых процессах с кратностью шлака до 0,1 

(ферросилиций, силикохром двухстадийный, силикокальций и др.) реакционная 

зона «металл – шлак» приближена к дуговому разряду, ее температура 

превышает температуру металла на выпуске из печи по предварительной 

оценке на 120–180° (табл. П.1.3). 

Ориентируясь на приведенные сведения, можно оценить температуру 

реакционной зоны, при которой проходит процесс восстановления оксидов. 

Условно назовем ее температурой печи (Т печи). 

С другой стороны, полнота восстановления оксидов определяется их 

термодинамической прочностью (величиной 

o
298
 f
G
) и температурой начала их 

восстановления (Tнв) (табл. П.1.8, П.1.9). 

За температуру начала восстановления оксидов углеродом принята 

температура, при которой 
o
Т
G
реакции восстановления равна нулю, а  

РCO = 1 атм. 

Температуру 
начала 
химического 
взаимодействия 
оксидов 
с 

восстановителем можно оценить по эмпирическим выражениям М. С. Хрущева 

и В. П. Елютина [4–7]: 

85
2,2
o
298
 f
нв
G
T
, K, 

Tнв = 0,45 Тпл + 250, K,  

где 
o
 f
G
энергия Гиббса образования оксидов в стандартных условиях, 

кДж/моль O2 (табл. П.1.8); 
 
Тпл – температура плавления оксидов, °K (табл. П.1.8).