Производство ферросплавов

      Энтальпия элементов (и их соединений) изменяется в зависимости от их атомной массы, поэтому более правильно выражать удельную теплоту в кДж/г-атом, поскольку, согласно правилу Дюлонга-Пти, атомные теплоемкости элементов (простых веществ) близки и при комнатной температуре составляют 25,5—28,5 Дж/(г-атом • К). При использовании грамм-атомной теплоемкости зависимость температуры расплава от удельной теплоты может быть выражена уравнением Т_р = 1420+ 10,7 δН' (δН'— удельная теплота процесса, отнесенная к 1 г-атому шихтовых материалов).

      Металлотермическое восстановление алюминием и кремнием отличается от восстановления углеродом тем, что на восстановителе образуется оксидная пленка, затрудняющая развитие диффузионных процессов. По-видимому, этим объясняется высокая температура начала реакции (900— 1000 °С), заканчивающихся часто вспышкой. При этих температурах происходит разрушение пленки вследствие растрескивания или взаимодействия ее с оксидами смеси, что устраняет диффузионный барьер и обеспечивает интенсивное развитие реакции.

      Быстрому развитию алюминотермического процесса способствует растекание жидкого алюминия (температура его плавления 660 °С) по поверхности твердых оксидов. Вследствие уменьшения межфазной энергии на границе алюминия и оксида при их взаимодействии происходит капиллярное растекание алюминия по поверхности зерен, ускоряемое образованием трещин и расслоений.

      В начале силикотермического процесса до появления жидких фаз решающую роль, по-видимому, играет описанный выше механизм образования промежуточной фазы. Но в отличие от углетермического процесса при силикотермическом процессе существенное значение может иметь образование паров не только оксида, но и кремния. В случае восстановления легкоплавких оксидов, например оксидов молибдена (МоОз плавится при 795 °С), интенсивному развитию силикотермического процесса способствует капиллярное растекание оксида.

      Алюмино- и силикотермические процессы обычно заканчиваются в жидких фазах. С образованием жидких фаз реакции восстановления протекают на поверхности капель восстановителя и сопровождаются растворением в них восстановленных элементов.

      В ряде случаев вследствие высокого содержания примесей (углерода, кремния, алюминия и др.) в ферросплаве необходимо их дополнительное рафинирование. В связи с этим в производстве ферросплавов нашел применение ряд рафинировочных процессов. Рафинирование высокоуглеродистых ферросплавов от углерода можно осуществить путем окисления углерода следующими методами: 1) обработкой высокоуглеродистого сплава окислительными шлаками; 2) продувкой сплава кислородом; 3) вакуумирова-нием, в том числе и брикетов из углеродистого сплава с окислителем.

      По первому способу высокоуглеродистые (высококремнистые) сплавы подвергают периодической плавке в электропечи, обычно с наклоняющейся ванной, с использованием кислорода из руд и с применением извести для шлакообразования. Кремнистый сплав реагирует по следующей схеме:

           (12)

 Рафинирование углеродистых сплавов протекает по схеме

                          (13)

      Из оксидов металлов наиболее активными окислителями являются оксиды железа FeO и особенно Fe₃О₄, которые преимущественно и используют для рафинирования.

Реакция (13) идет с образованием газообразной фазы СО, поэтому, в соответствии с правилом Ле — Шателье, при понижении давления равновесие реакции сдвигается в сторону более низких концентраций углерода в сплаве. Таким образом, вакуумирование позволяет проводить глубокое рафинирование сплавов от углерода, понижая его содержание до < 0,01 %.

 

 

 

2. СПОСОБЫ  ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСПЛАВОВ

Соответственно требуемым  физико-химическим условиям протекания процессов и возможностям создания этих условий в различных агрегатах, а также с учетом технико-экономических показателей производства ферросплавы производят тремя способами: в доменных печах, электротермическим в дуговых электрических печах и металлотермическим (электропечным и внепечным). В последнее время все шире применяют способы получения ферросплавов путем вакуум-термической обработки в жидком и твердом состоянии, рафинирования углеродистых сплавов продувкой кислородом в конвертере, смешением жидких расплавов и т. д.

      Сортамент ферросплавов, выплавляемых в доменных печах, ограничен 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 % Мn, углеродистый ферромарганец с 70— 80 % Мn, феррофосфор с 15 % Р и некоторые другие сплавы. Выплавляемые в доменных печах ферросплавы насыщены углеродом и вследствие высокого (по сравнению с электротермическими) расхода кокса они более загрязнены серой и фосфором. Объем производства ферросплавов этим методом непрерывно сокращается.

       Электротермический способ получения ферросплавов в зависимости от вида применяемого восстановителя имеет две разновидности: 1) углевосстановительный процесс, основанный на применении в качестве восстановителя углеродистых материалов; 2) металлотермический процесс с применением в качестве восстановителей кремния и алюминия и их сплавов. Получение ферросплавов можно вести непрерывным способом или периодическим с проплавлением шихты. При непрерывном способе получения 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. При этом виде процесса зоны металлургических реакций с высокими температурами (1400— 2500 °С) закрыты слоем твердой шихты, поэтому потери тепла и улет восстановительных элементов значительно уменьшаются. При производстве ферросплавов периодическим процессом проплавляется вся шихта, загруженная наплавку, и затем производится выпуск сплава и шлака. К периодическому процессу также относятся методы плавки «на блок», с вычерпыванием сплава, смешения расплавов. Периодическим процессом осуществляют получение ферросплавов продувкой в кислородном конвертере, вакуумной обработкой в твердом и жидком состоянии, получение азотированных сплавов и т. п.

 

 

 

 

      В зависимости от удельного количества образующегося шлака процессы получения ферросплавов можно разделить на шлаковые и бесшлаковые. Количество образующегося шлака характеризуется соотношением массы выпущенного из печи шлака и сплава (кратностью шлака). При бесшлаковом процессе кратность шлака колеблется в пределах 0,05—0,1. Примерами бесшлакового процесса могут служить производство ферросилиция всех марок, кристаллического кремния и др. Шлаковым процессом выплавляют феррохром, ферромарганец, ферровольфрам и др. Кратность шлака в этих процессах колеблется от 0,4 до 2,5 и более в зависимости от количества и состава пустой породы в руде (концентрате).

      Металлотермический способ позволяет получить ферросплавы с очень низким содержанием углерода (<0,03 %). Промышленное значение имеет алюминотермическое производство металлического хрома, безуглеродистого ферротитана, феррованадия, феррониобия и силикотермическое или алюминосиликотермическое производство ферромолибдена и др. Для металлотермического способа необходимы шихтовые материалы с минимальным содержанием вредных примесей, которые почти полностью переходят в сплав, поэтому в шихту вводят либо очень чистые руды и концентраты, либо оксиды, получаемые химической переработкой руд, что значительно повышает себестоимость производства.

      Металлотермический процесс является периодическим; плавку ведут в специальных горнах (очагах), а при использовании электроподогрева шлака или в случае предварительного расплавления части шихты — в печной ванне, которая делается сменной. Для сокращения тепловых потерь, снижения расхода восстановителя и повышения качества сплавов ведутся работы по осуществлению полунепрерывной или непрерывной металлотермической плавки.

     На рис. 6 и 7 приведена классификация технологических процессов, применяемых при производстве ферросплавов. Выбор наиболее рациональной технологии зависит от заданного состава сплава, качества применяемых сырых материалов и имеющихся средств.