Что такое ферросплавы и как их получают

Cпособы производства ферросплавов

Исходным сырьём для получения ферросилиция, ферромарганца и феррохрома служат руды, так как в них достаточно высокое содержание указанных элементов. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, ферротитана и других сплавов исходным сырьём является концентрат. Для этого руду ввиду малой концентрации в ней полезного элемента обогащают.

Сырье для получения ферросплавов

Исходным сырьём для получения ферросилиция, ферромарганца и феррохрома служат руды, так как в них достаточно высокое содержание указанных элементов. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, ферротитана и других сплавов исходным сырьём является концентрат. Для этого руду ввиду малой концентрации в ней полезного элемента обогащают.

Ферросплавы получают восстановлением оксидов соответствующих металлов. Восстановление большей частью ведется в присутствии железа или его оксидов. В этом случае восстановленный металл образует раствор с железом. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность, облегчает условия восстановления, препятствует обратной реакции – окислению. В большинстве случаев температура плавления сплава с железом ниже температуры плавления восстанавливаемого элемента. Поэтому реакция восстановления протекает при более низкой температуре. При выплавке ферросплавов, если исходное сырьё не содержит железа, то его вводят в шихту в виде лома или железной руды.

Способы получения ферросплавов

В зависимости от вида применяемого восстановителя различают три основных способа получения ферросплавов

Углевосстановительный способ

Углевосстановительный способ применяется при производстве углеродистых ферромарганца, феррохрома и всех сплавов с кремнием (кремний препятствует переходу углерода в сплав). Для восстановления в этом случае используют углерод, который является наиболее дешевым из восстановителей. При восстановлении указанных элементов (Mn, Cr) легко образуются карбиды. Поэтому соответствующие ферросплавы при использовании углерода в качестве восстановителя получаются с высоким содержанием углерода и применяются при производстве углеродистых и малолегированных сталей.

Силикотермический и алюминотермический способ

Для выплавки высоколегированных сталей (нержавеющих, жаропрочных и др.) необходимо иметь минимальное содержание углерода в ферросплавах. Для этой цели выплавляют ферросплавы с низким содержанием углерода, например безуглеродистый феррохром, металлический хром и марганец, ферросплавы с титаном, вольфрамом, ванадием и другими металлами. В этом случае при выплавке ферросплавов в качестве восстановителя используют кремний, алюминий или другой элемент, обладающий большим сродством к кислороду по
сравнению с восстанавливаемым.

Источник

Ферросплавы, модификаторы и лигатуры в литейном производстве

Общее определение

Промышленное литейное производство невозможно представить без процесса легирования – обогащения основного металла или сплава определенными химическими элементами/соединениями, обеспечивающими возможность придания отливкам необходимых дополнительных свойств. В черной и цветной металлургии в качестве таких легирующих добавок используют композиции на основе или с присутствием железа (Fе) в сочетании с другими металлами или неметаллами – т. наз. ферросплавы. Существуют также иные легирующие полуфабрикаты – модификаторы и лигатуры, по принципу действия во многом сходные с ферросплавами, но имеющие существенные отличия в отношении состава и назначения.

1. Ферросплавы

Ферросплавами именуют группу сплавов, в состав которых, помимо Fе, могут входить такие металлы, как марганец (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), вольфрам (W), молибден (Mo), ниобий (Nb), титан (Ti) и др., а также примеси неметаллических элементов в виде углерода (C), фосфора (Р), серы (S), различных газов и т.д. Основные компоненты ферросплавов называют ведущими.

В литейном чернометаллургическом производстве для легирования и раскисления расплавов широко используются ферросплавные композиции ферросилиция (сплав Fе с 12% и более Si), ферромарганца, феррохрома, ферровольфрама, ферромолибдена, ферротитана, феррониобия и др. Подобные соединения могут иметь двойную, тройную, многокомпонентную структуру.

Номенклатура ферросплавов весьма разнообразна (Рис. 1).

Рисунок 1. Образцы ферросплавов на стенде НИТУ «МИСиС».

Сегодня промышленным способом изготавливаются сотни различных марок ферросплавов простой и сложной структуры, могущих включать в себя около 50 целевых (ведущих) компонентов.

1.2. Основные характеристики

Ферросплавы характеризуются по химическому и гранулометрическому составу, концентрации сопутствующих примесей, плотности, химико-механическим свойствам, температуре плавления, наличию газообразных включений (О₂, Н₂).

Т° плавления ферросплавов почти всегда является более низкой в сравнении с аналогичным параметром чистых металлов, вследствие чего ввод требуемых легирующих элементов в жидкий расплав стали/чугуна в виде ферросплавной композиции значительно ускоряет процесс растворения.

Ферросплавы могут поставляться в кусках, чушках, литых блоках, прочих крупных формах, а также в гранулах и порошках, как агломерированных, так и неагломерированных.

1.3. Применение

Наряду с использованием ферросплавов с целью легирования сталей, чугунов, сплавов цветных металлов они находят широкое применение для т. наз. раскисления – удаления кислорода из растворенных в расплаве оксидных соединений (например, закиси железа FeO из расплавов сталей). Процесс раскисления основан на реакции восстановления, где функцию восстановителей выполняют компоненты ферросплавов, которые, соединяясь с содержащимся в оксиде кислородом, образуют отделяющийся от восстановленного металла легко удаляемый шлак. Рафинирование расплавов методом термораскисления позволяет придать металлу отливок дополнительную чистоту, прочность и ковкость.

1.4. Получение

Ферросплавы получают плавкой руды или подготовленного рудного концентрата в специальных ферросплавных электропечах дугового типа (рис. 2).

Рисунок 2. Электродуговая печь для выплавки ферросплавов из рудного концентрата.

По способу восстановления процесс выплавки ферросплавов может осуществляться карботермическим и металлотермическим методами.

Методом карботермии получают высокоуглеродистые ферросплавы путем восстановления из оксидов с помощью углерода.

Металлотермическим способом осуществляют получение низкоуглеродистых (рафинированных) ферросплавов путем восстановления из расплавов с применением металлов, более активных в химическом отношении (напр. алюмотермия).

2. Модификаторы

2.1. Понятие «Модификаторы»

Модификаторы (от лат Modifico – изменение формы) – легирующие композиции химических элементов, малые добавки которых при введении в расплавы металлов, практически не влияя на состав, существенно изменяют их кристаллическую структуру и эксплуатационные характеристики, способствуя, в частности, измельчению зерен и сопутствующему повышению прочности. Модификаторы во многом способствуют устранению или нейтрализации посторонних включений (раскисление, дегазация, связывание серы в стойкие сульфиды).

Основная суть процесса модифицирования заключается в активном регулировании кристаллизации на ее первоначальном этапе и повышении степени диспергируемости кристаллизующихся фаз.

2.2. Классификация

Чаще всего модификаторы классифицируют по методу, предложенному П.А. Ребиндером, согласно которому их подразделяют на два основных типа.

К модификаторам 1-го типа относят группу замедляющих охлаждение расплава поверхностно-активных веществ (ПАВов), адсорбирующихся на зародышах в центральной области кристаллизации и препятствующих их росту. В результате образуется множество новых зародышей, активно разрастающихся благодаря уменьшению общей концентрации модификатора по отношению к количеству зерен.

К модификаторам 2-го типа причисляют т. наз. инокуляторы. Частицы вещества-инокулятора при их вводе в расплав ускоряют процесс охлаждения и затвердения, что способствует возникновению множества новых очагов кристаллизации с образованием большого количества мелких зерен основной фазы или мельчайших включений иных фаз. За счет этого происходит требуемое изменение общей структуры с добавлением к уже существующим новых структурных компонентов.

2.3. Комплексные модификаторы

Наряду с модификаторами 1 и 2 типов существуют и модификаторы комплексного действия, при помощи которых удается решить сразу несколько задач, осуществляя одновременно легирование, раскисление, десульфурацию, инокуляцию и т.д.

В разряд многокомпонентных комплексных модификаторов входит также ряд т. наз. наномодификаторов, предназначенных для выполнения узкоспециальных модифицирующих функций.

2.4. Модификаторы чугунов и сталей

Для сталей и чугунов применяют широкий спектр различных модификаторов. Так, например, внедоменная обработка сталей осуществляется с широким применением Mg, Al, элементов щелочноземельной и редкоземельной групп.

В настоящее время осуществляется промышленное применение более 750 разновидностей модификаторов для черной металлургии, как одно- двухкомпонентных, так и комплексных, могущих содержать десятки композиционных составляющих.

Преимуществом ввода в состав расплавов сталей и чугунов комплексных модификаторов является не только собственно измельчение структуры, но также возможность попутно изменять природу и форму сульфидных, нитридных, оксидных и других посторонних включений неметаллического генеза, снижая при этом в полтора-два раза уровень засорения ими границ аустенитных зерен. Немаловажное значение имеет и более равномерное распределение структурных компонентов стали, оптимизация таких важнейших функциональных свойств, как термостойкость, прочность, пластичность и ударная вязкость.

3. Лигатуры

В металлургии лигатурами (Ligatura от лат. связь) называют сплавы вспомогательного назначения, которые могут содержать две и более составляющих. Лигатурные композиции используются для введения в расплавы металлов малых доз жаростойких легирующих элементов. Лигатуры, применяемые в чернометаллургической отрасли, отличаются от ферросплавов тем, что не содержат в своем составе Fe.

Наиболее распространенным является применение лигатурных композиций цветных металлов, например: Cu-Ni (16-35% Ni), Cu-Al (до 52% Al), Cu-Sn (до 55% Sn), Al-Mg (до 12% Mg).

За счет содержания в лигатурах не только собственно легирующих компонентов, но и основного металла литейного сплава, их усвоение расплавом происходит в более полном объеме, чем при легировании чистыми элементами. А благодаря тому, что любой лигатуре присуща меньшая Т° плавления в сравнении с каждым из входящих в нее металлов, достаточно высока и быстрота ее растворения в основном сплаве. Использование лигатур особенно востребовано в случаях, когда основной литейный сплав и легирующий элемент значительно различаются по температуре плавления.

Необходимость применения лигатур, прежде всего, обусловлена нормативными требованиями к составу литейного сплава по точному соблюдению количественного соотношения компонентов.

Кроме того, применение лигатур позволяет придать металлу целый ряд определенных вспомогательных свойств (например, жидкотекучесть в фазе расплава или повышенную механическую прочность и ковкость в твердой фазе). Выгода их использования обусловлена также незначительной концентрацией в общей массе сплава, скорейшим растворением и снижением степени угара. Качественно улучшить одновременно несколько свойств основного сплава (тугоплавкость, износостойкость, устойчивость к коррозии и т.д.) удается при использовании комплексных лигатур.

Заключение

Развитие легирующих технологий сегодня позволяет выплавлять более 3000 марок сталей и чугунов для производства разнообразного оборудования, востребованного в горнодобывающей, нефтегазовой, машиностроительной, химической, энергетической, строительной и других промышленно-хозяйственных отраслях. Ассортимент выпускаемых в России легирующих композиций представлен сотнями наименований, и все же потребность в них неуклонно возрастает. Ситуация особенно обострилась в последние годы из-за растущего санкционного прессинга и повсеместного перехода отечественной промышленности к импортозамещению. На этом фоне значительно возросла активность российских ученых и инженеров по разработке инноваций в металлургической сфере, среди которых получение и производство современных легирующих материалов не составляет исключения. Несомненно, что уже в самой ближайшей перспективе данная тенденция будет способствовать дальнейшему расширению номенклатуры и увеличению эффективности использования ферросплавов, модификаторов и лигатур.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Источник

Способы производства ферросплавов

В настоящее время ферросплавы получают домен­ным, электротермическим (в дуговых электропечах) и металлотермическим (электропечным и внепечным) ме­тодами. В последнее время все шире применяют способы получения ферросплавов путем вакуум-термической об­работки в твердом и жидком состоянии, рафинирования углеродистых сплавов продувкой кислородом в конвер­торе, смешением жидких расплавов и т. д.

Производство ферросплавов в доменных печах

Количество ферросплавов, выплавляемых в доменных пе­чах, ограничено такими сплавами, выплавка которых не требует очень высоких температур и которые имеют по­ниженное содержание ведущего элемента. В доменных печах выплавляют доменный ферросилиций с 9—15% Si, зеркальный чугун с 10—25% Mn, углеродистый ферромарганец с 70—80% Mn, феррофосфор с 15% P и неко­торые другие сплавы. Выплавляемые в доменных печах ферросплавы насыщены углеродом и вследствие высоко­го (по сравнению с электротермическими способами) расхода кокса более загрязнены серой и фосфором. Об­щий объем производства ферросплавов этим методом со­кращается.

Электротермическое производство ферросплавов

Электротермическое производство ферросплавов по роду применяемого восстановителя делится на два про­цесса: углевосстановительный, основанный на примене­нии в качестве восстановителя углеродистых материалов, и металлотермический, основанный на применении в ка­честве восстановителей кремния и алюминия и их сплавов.

По принципу работы электротермическое производст­во ферросплавов может быть непрерывным или периодическим. При непрерывном процессе производства ферросплавов шихту загружают в печь равномерно по мере ее проплавления; поэтому уровень шихты в печи почти по­стоянен. Сплав и шлак периодически выпускают из печи по мере их накопления на подине. Зоны металлургиче­ских реакций с высокими температурами (1400—2500° С) закрыты слоем твердой шихты и поэтому потери тепла и испарение (улет) восстановленных элементов значитель­но уменьшаются. Плавку непрерывным процессом с закрытым колошником можно производить как в открытой (без свода), так и в закрытой (со сводом) печи.

Периодическим процессом работают печи, предназна­ченные для получения рафинированных сплавов. При производстве ферросплавов периодическим процессом плавку ведут с открытым колошником. К этому типу процесса также относится плавка на блок. Периодическим процессом осуществляют производство ферросплавов продувкой в кислородном конверторе, вакуумной обра­боткой в твердом и жидком состоянии, получение азотированных сплавов и т. п.

В зависимости от удельного количества образующе­гося шлака процессы производства феросплавов можно разделить на шлаковые и бесшлаковые. Количество об­разующегося шлака характеризуется отношением мас­сы выпущенного из печи шлака к массе выпущенного сплава, т. е. кратностью шлака. При бесшлаковом про­цессе кратность шлака колеблется в пределах 0,05—0,1. Примерами бесшлакового процесса может служить производство ферросилиция всех марок, кристаллического кремния и др., примером шлакового процесса — производство феррохрома, ферромарганца, ферровольфрама и др. Кратность шлака в этих процессах колеблется от 0,4 до ≥2,5 в зависимости от количества и состава пус­той породы в руде (концентрате).

Металлотермический способ

Металлотермический способ позволяет получать фер­росплавы с очень низким содержанием углерода (

Промышленное значение имеют алюминотермическое производство металлического хрома, безуглеродистого ферротитана, феррованадия, феррониобия и силикотермическое или алюминосиликотермическое производство ферромолибдена и ферровольфрама и др.

Металлотермический процесс — периодический, плав­ка ведется в специальных горнах, футерованных огнеупорным материалом, а при использовании электропо­догрева шлака или в случае предварительного расплава части шихты печная ванна, в которой ведется плавка, делается сменной. Для уменьшения тепловых потерь, а значит, и снижения расхода восстановителя и повы­шения качества сплавов ведутся работы по осуществле­нию полунепрерывной или непрерывной внепечной плавки.

Важными преимуществами металлотермического способа производства ферросплавов являются низкие капитальные вложения на строительство новых цехов, от­сутствие сложного оборудования и возможность быстрого увеличения производства без больших дополнитель­ных затрат.

Источник

Что такое ферросплавы и где применяются

Для улучшения качественных показателей металла в современной металлургии ископаемое сырьё дополняют искусственно синтезированными продуктами. При литье чугуна или выплавке стали в список базовых компонентов обязательно входят ферросплавы.

Что такое ферросплавы?

Ферросплавы — это категория искусственно созданных соединений на основе железа, применяемых для легирования стали. Современные технологии позволяют синтезировать более сотни разновидностей ферросплавов, в составе которых в различных комбинациях включают до 25 химических элементов.

Данные компоненты востребованы в современной металлургической промышленности, поскольку значительно удешевляют технологию производства конечной продукции. Кроме того, использование этих добавок упрощает процесс легирования стали благодаря низкой температуре их плавления.

Говоря о том, как выглядит ферросплав, необходимо отметить, что размер фракции зависит от вида и назначения конечной продукции. Это может быть и сырье в виде чушек, отдельных кусков или сыпучего материала.

Сырьё для производства

Для производства синтетических соединений применяется руда, имеющая в своем составе определенный набор химических элементов.

Ферросилиций, феррохром, ферромарганец получают из руды, отличающейся повышенным содержанием именно этих элементов. На основе обогащенного концентрата производят ферровольфрам, ферромолибден, ферротитан, феррованадий.

При производстве ферросплавов используют технологию восстановления оксидов базовых элементов с использованием железа или окислов. В процессе синтеза формируется раствор железа с базовым элементом. При этом активность восстановленного металла снижается, железо блокирует окислительную реакцию, упрощая восстановительные процессы.

Рабочая температура плавления подобного соединения обычно ниже, чем той, что необходима для плавления базового компонента. Эта особенность дает возможность снизить температуру рабочей среды при выполнении технологических процессов восстановления. В случае, когда сырьё не содержит железа, то для синтеза ферросплава в шихту добавляют руду или лом железа.

Производство ферросплавов

В основе производства ферросплавов лежит химическая реакция восстановления. Это напрямую влияет на требования, которым должны отвечать применяемые реагенты:

Современные технологии предполагают три пути производства легирующих синтетических соединений на основе железа:

Первый способ применяют для изготовления соединений с марганцем, хромом и кремнием. Реакция эндотермического типа относится к наиболее дешевым технологиям. Рабочий процесс выполняют с постоянным подводом тепла, вырабатываемого электрическими дугами. К отличительным особенностям данной технологии относят непрерывный процесс подачи шихты, использование трансформаторов мощностью от 10 до 115 МВхА. Конечный продукт периодически выгружают из печи.

Термические способы производства ферроматериалов также предполагают применение ферросплавных печей с трансформаторами мощностью до 7 МВхА. Такая технология применяется для производства низкоуглеродистых ферросплавов (безуглеродистого феррохрома, металлического марганца и хрома, ферросплавов с титаном, ванадием, бором, цирконием, вольфрамом и другими элементами).

Альтернативный метод изготовления ферросплавов требует использования футерованных горнов. Рабочая температура в них должна быть достаточно для расплавления шлака и металла.

Классификация ферросплавов

В основе промышленной классификации ферросплавов лежит востребованность их в металлургии и, соответственно, объем производства. Виды ферросплавов подразделяют на большие и малые основные группы.

В «большую» группу входят продукты массового использования:

«Малая» группа отличается узкой специализацией применения. В перечень таких компонентов входят:

Как маркируются

Ферроматериалы маркируют достаточно простым методом. «Ф» в начале символизирует принадлежность продукта к ферросплавам. Следующий символ указывает на основной элемент в составе синтетического материала, основа сплава, определяющая его наименование и основные свойства. Число в маркировке характеризует массовую долю основного элемента в составе искусственного компонента. Последующие символы означают присутствие в составе дополнительных веществ.

К примеру, ФМо60 служит маркировкой для ферромолибдена с содержанием основного компонента не ниже 60%.

Следует отметить, что число в маркировке обозначает приблизительное содержание ведущего элемента. Ферросплав на основе кремния с меткой ФС45 имеет в составе от 41 до 47% базового элемента.

Дополнительно в маркировке может содержаться информация, указывающая на:

Код транспортировки регламентирован ГОСТ 14192-77. Степень опасности у ферросплавов независимо от типа установлена в рамках третьей группы, в которую входят умеренно-опасные вещества. Предельная концентрация их в воздухе должна быть менее 10 мг на кубический метр. На этот показатель заметно влияет размер фракции. Чушки при транспортировке не представляют угрозы, а ферросилиций с фракцией менее 3,2 мм входит в категорию опасных грузов.

Учитывая разнообразие ферросплавных соединений, существует огромное количество их марок.

Применение ферросплавов

Основная ферросплавная составляющая определяет свойства и технические характеристики синтетического продукта. На основе степени восстановления этого базового элемента разрабатывается технология производства, и определяется ее эффективность.

Базовый элемент ферросплавов напрямую определяет их химические и физические свойства. В первую очередь это влияет на рабочую температуру плавления. Именно этот показатель служит базовым в использовании ферросплавов для легирования или раскисления конечной продукции металлургии.

Кроме металлургии феррометалл применяют в качестве источника базовых элементов при нанесении защитных металлических покрытий. Примером, для чего нужны ферросплавы, служит изготовление сварочных электродов, производство пленочных нагревателей.

В сферу применения входит и обогащение железной руды, а также получение химически чистых веществ, необходимых в некоторых отраслях производства.

Азотированные ферросплавы

Основное их назначение заключается в легировании стали молекулами азота. Использование азотированных компонентов на основе хрома стимулирует растворение азота в расплаве.

Для выпуска высоколегированных марок стали, быстрорежущей и нержавеющей стали используют феррованадий и компоненты на основе марганца.

Ферросилиций необходим для производства марок стали, легированных кремнием, а также электротехнической стали.

В нашей стране именно азотированные компоненты предназначены для различных отраслей металлургии и машиностроения.

Компоненты на основе марганца

Ферромарганец позволяет удалить кислород и связать молекулы серы, что заметно улучшает износостойкость конечного материала. Подобная составляющая необходима для марок особой стали, устойчивой к ударным нагрузкам. Они идут на изготовление рабочих органов камнедробилок, шаровых мельниц, землеройных установок.

При производстве некоторых марок чугуна ферромарганец позволяет увеличить электросопротивление материала без реакции на изменение температуры рабочей среды. Примером применения конечного материала служат реостаты.

Кремнистые ферросплавы

Данные компоненты предназначены для различных целей:

Кремний активно применяется в различных технологических процессах при производстве различных электронных приборов, микросхем, цемента, стекла, силикатной керамики, различных силиконов и силиконового масла.

Хромистые соединения

Обязательным компонентом шихты при выплавке нержавеющей и высоколегированной стали служит феррохром. Его используют и создания износостойких и эстетичных хромированных покрытий.

Сплавы, имеющие хром в своем составе, предназначены для космической сферы и авиастроения.

Ферровольфрам

Ферросплав вольфрама и железа предназначен для легирования специальных жаропрочных, магнитных, особых марок конструкционной стали. Такая добавка позволяет увеличить твердость и прочность материала даже в условиях высоких рабочих температур, повысить максимальный показатель текучести материала, интенсивность намагничивания.

Ферроникель

Никель входит в список основных элементов, положительно влияющих на эксплуатационные свойства стали. Она становится более вязкой, пластичной и устойчивой к механическому воздействию. Применение ферроникеля необходимо для выпуска кислотостойких, жаропрочных, устойчивых к коррозии сталей и сплавов.

С экономической точки зрения внесение ферроникеля заметно выгоднее, чем использование чистого металла.

Преимущества и недостатки

Применение синтезированных компонентов при в металлургическом производстве обладает рядом плюсов и минусов. К достоинствам технологии необходимо отнести:

Использование ферросплавов в качестве компонента при литье чугуна и выплавке стали позволяет снизить себестоимость конечной продукции, упростить технологические процессы за счет снижения температуры плавления рабочей массы.

К недостаткам этих компонентов в первую очередь относят низкое содержание в составе легирующих элементов. Кроме того в составе добавок имеется немало сторонних примесей, способных отрицательно повлиять на свойства конечного продукта (марганец, углероды, фосфор).

Стоимость ферросплавов

В условиях современного рынка нет точного ответа на вопрос о стоимости ферросплавов, поскольку на политику ценообразования влияет большое количество факторов.

Учитывая сложный состав некоторых синтезированных компонентов, а также большой ассортимент используемых материалов разброс цен получается немалым. При выяснении стоимости следует уточнить марку конкретного компонента. Кроме марки на стоимость влияет объем сырья в партии.

Стоимость килограмма ферросплавов колеблется в большом диапазоне от 18 до 1600 рублей. В категорию самых дорогих входят соединения на базе тугоплавких компонентов.

Источник