книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

содержания FeO в шлаке на этот процесс. Однако подобное влияние обнаруживается только в равновесных условиях. При содержании FeO в шлаке выше 10% его вязкость заметно снижается, что обеспе­ чивает увеличение скорости массопереноса и в целом ускоряет про­ цесс десульфурации. Поэтому в сталеплавильных шлаках содержа­ ние FeO в пределах 10—25% либо не оказывает влияние на десуль­ фурацию металла, либо даже улучшает его в связи с уменьшением вязкости шлака. При более низком содержании закиси железа в шлаке (ниже 5%) она практически не влияет на вязкость шлака. Поэтому повышение его содержания даже на десятые доли процента оказывает заметное отрицательное влияние на глубину процесса десульфурации. В связи с этим в восстановительный период необ­ ходимо добиваться минимального содержания FeO в шлаке.

7. ГАЗЫ В СТАЛИ И ФЕРРОСПЛАВАХ

Согласно многочисленным исследованиям растворимость водо­ рода и азота в железе подчиняется закону квадратного корня:

гДе Рн2 и рм2 — парциальные давления водорода и азота в газовой фазе;

Кн и Kn — постоянные, зависящие от температуры. Равновесное содержание газов в жидком железе при их парциаль­

ном давлении 0,1 МН/м2 (1 ат) составляет:

Примеси, присутствующие в стали, по-разному влияют на по­ ведение газов. Часть из них увеличивает содержание газов в стали. Например, титан, хром, марганец повышают содержание как водо­ рода, так и азота в стали, в то время, как кремний понижает содер­ жание этих газов в металле.

Источниками газов в стали являются исходная металлическая шихта, а также ферросплавы и другие присадки, которые дают в печь по ходу плавки. Особенно много водорода вносят влажные мате­ риалы: известь, железная руда и т. д. Поэтому сыпучие материалы перед использованием необходимо прокаливать, а известь транспор­ тировать из известковообжиговых печей в закрытых контейнерах. В зоне дуг молекулярный азот и водород разлагаются на атомарный, который более интенсивно поглощается металлом.

Газы, и прежде всего водород, растворенные в металлической ванне, выделяются в пузыри окиси углерода, где их парциальное давление равно нулю. Поэтому с увеличением скорости окисления углерода улучшается дегазация металла. Однако следует иметь в виду, что возможности открытых сталеплавильных печей по вы­ плавке стали и сплавов с низким содержанием газов весьма ограни­

151

чены. Содержание азота в среднелегированных сталях типа 18ХНВА и 12Х2Н4А на выпуске из печи колеблется в пределах 0,005— 0,010%, а содержание водорода — в пределах 5—9 см3/100 г, воз­ растая до 12—14 см3/100 г в высокохромистых сталях.

Только выплавка стали в вакуумных печах или обработка жидкой стали в вакууме позволяет получить сталь с содержанием водорода меньше 3 см3/100 г, т. е. такое содержание, при котором исключается появление таких дефектов, как флокены и др.

В ферросплавах содержание водорода может достигать 15— 25 см3/100 г, а содержание азота 0,1%. Столь высокое содержание газов в ферросплавах оказывает не только отрицательное влияние на качество стали, но порой затрудняет получение плотных кусков ферросплава.

В то же время в некоторых сталях, используемых для изготовле­ ния трущихся деталей, азот используется как легирующая присадка, так как присутствие азота повышает износостойкость стали. Легиро­ вание стали азотом осуществляется азотированным феррохромом или ферромарганцем.

8. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛИ

Обнаруживаемые в готовой стали неметаллические включения весьма разнообразны по составу. Среди них обычно выделяются про­ стые и сложные оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды, а также иногда фосфиды. В общем случае они могут образоваться в процессе выпуска, разливки и кристаллизации металла, а также могут вно­ ситься извне прежде всего в виде продуктов разрушения огнеупоров. Ориентировочно удельная доля каждого из возможного источника загрязнения шарикоподшипниковой стали оксидными включениями можно оценить по данным, приведенным ниже, %:

В большинстве случаев легкоплавкие включения удаляются из жидкого металла быстрее, чем твердые. Поэтому состав раскислителей- необходимо выбирать таким, чтобы он обеспечивал получение окислов с температурой плавления ниже 1500° С. Обычно такие продукты раскисления образуются при использовании комплексных сплавов, содержащих два и больше элемента раскислителя, напри­ мер силикокальций (до 30% Са и более 60% Si).

Снижение содержания продуктов вторичного окисления в стали достигается защитой металла от окисляющего воздействия кисло­

152

Ч А С Т Ь Т Р Е Т Ь Я

ФЕРРОСПЛАВЫ

Г Л А В А XI V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРРОСПЛАВОВ

Ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом и другими элементами, применяют в производстве стали и цветных металлов для улучшения их свойств, а также как сырье в ряде химических производств.

Лигатурами называют все легирующие сплавы на нежелезной ос­ нове (никелевой, хромовой и т. д.). Ферросплавы на железной основе, применяемые только для легирования, часто также называют лига­ турами, например лигатуры с бором, селеном и др.

К ферросплавному производству относят и производство ряда технически чистых элементов, например хрома, кремния, марганца

и др.

Ферросплавы, кроме основного, ведущего легирующего элемента и основы, которой в ферросплавах является железо, содержат и дру­ гие, порой вредные примеси. Так, например, в феррохроме и ферро­ марганце хром и марганец — ведущие элементы, железо — основа, углерод и кремний — нежелательные примеси, сера и фосфор — вредные примеси, содержание которых строго лимитируется.

Комплексные ферросплавы содержат несколько ведущих элемен­ тов, например в силякохроме это кремний и хром.

сульфидов, карбонатов и в виде других подобных соединений, руду обычно подвергают обжигу с целью перевода этого элемента в кисло­ родное соединение. В связи с высокой прочностью окислов освобож­ дение легирующих элементов от кислорода путем термической диссо­ циации в большинстве случаев неосуществимо. Эти элементы и их сплавы с железом в условиях производства ферросплавов получают из руд методом восстановления.

Возможность восстановления того или другого окисла можно оце­ нить по величине изменения изобарно-изотермического потенциала. Чем меньше изменение этого потенциала для образования данного окисла, тем легче его восстановить.

154

Теоретически каждый элемент, образующий прочный окисел, может служить восстановителем для менее прочного окисла. Проч­ ность окислов при 1500° С согласно диаграмме на рис. 50 возрастает в следующей последовательности: NiO —> FeO —>Cr20 3 —>AlnO —> —>СО ►V20 3 —>S i0 2 —» T i02 —>A120 3 —»MgO —»CaO. Таким об­ разом, при указанной температуре кальций способен восстановить все перечисленные окислы.

Большое распространение при производстве ферросплавов в каче­ стве восстановителей получили углерод, кремний и алюминий. Наи­ более экономичным является процесс восстановления углеродом, если нет ограничения по его содержанию в сплаве. На рис. 57 приве­ дена диаграмма изменения величины AZTс температурой для реакций восстановления некоторых окислов углеродом до образования чистого металла и карбидов. Обращает на себя внимание, что восстановление окислов до чистых металлов сопровождается меньшим изменением AZT, чем в реакции с получением карбидов, т. е. получать сплавы с высоким содержанием в них карбидов легче, чем низкоугле­ родистые и чистые по углероду сплавы.

Особенность использования углерода в качестве восстановителя состоит в том, что продуктом реакции является окись углерода, удаляющаяся из зоны реакции. Это обстоятельство позволяет весьма полно восстановить легирующие элементы из окислов при высоком извлечении. В то же время следует иметь в виду, что реакция восста­ новления углеродом (углетермические процессы) идут с поглощением тепла. Поэтому в ферросплавных печах углетермические процессы необходимо проводить с подводом тепла извне.

При использовании кремния в качестве восстановителя процессы идут в большинстве случаев с выделением тепла. Однако этого тепла, как правило, недостаточно для проведения внепечного силикотермического процесса, и поэтому плавки также ведут в ферросплавных печах. При восстановлении окислов алюминием выделяется большое количество тепла и алюмотермические процессы, как правило, про­ водят внепечным способом.

Углеродистый восстановитель применяют при производстве ферро­ марганца и феррохрома углеродистых марок, ферросилиция всех марок, кристаллического кремния, силикокальция, силикохрома, ферросиликохрома, силикомарганца и др.

Кремнесодержащий восстановитель используют при производстве феррохрома и ферромарганца безуглеродистых, малоуглеродистых и среднеуглеродистых марок, при производстве феррованадия, ферросиликокальция и др.

Алюминий как восстановитель, применяют при производстве безуглеродистых сплавов хрома, титана, циркония и ряда других элементов.

В ряде случаев применяют комплексное восстановление сначала углеродом, а затем для доводки шлака используют сплавы кремния (например, при выплавке ферровольфрама, силикованадия) или для повышения термичности процесса используют смесь алюминия и фер­ росилиция или ферросиликоалюминий.

155

Восстановление окислов при производстве ферросплавов осуще­ ствляют в присутствии железа или его окислов, что значительно об­ легчает протекание восстановительных процессов по следующим при­ чинам:

1. Окислы железа восстанавливаются значительно быстрее боль­ шинства других окислов. Восстанавливаемые элементы растворяются

в железе, что понижает их активность и смещает таким образом реак­ цию в сторону восстановления.

2. Растворенные в железе элементы выводятся из зоны реакции, что, с одной стороны, опять-таки способствует смещению реакции в сторону восстановления, а с другой стороны, уменьшает испарение элементов.

3. Сплавы железа имеют в большинстве случаев более низкую тем­ пературу плавления, чем чистые легирующие элементы, что позво­ ляет проводить процессы при более низких температурах.

156

2.СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСПЛАВОВ

Внастоящее время основное количество ферросплавов произ­ водят тремя способами: в доменных печах, электротермическим в дуго­

вых электрических печах и металлотермическим — электропечным и внепечным методами. В последнее время все шире применяют спо­ собы получения ферросплавов путем вакуумтермической обработки в твердом и жидком состоянии, рафинирования углеродистых спла­ вов продувкой кислородом в конвертере, смешением жидких распла­ вов и т. д.

Производство ферросплавов в доменных печах. Количество фер­ росплавов, выплавляемых в доменных печах, ограничено такими сплавами, выплавка которых не требует очень высоких температур и которые имеют пониженное содержание ведущего элемента. В домен­ ных печах выплавляют доменный ферросилиций с 9—15% Si, зер­ кальный чугун с 10—25% Мп, углеродистый ферромарганец с 70— 80% Мп, феррофосфор с 15% Р и некоторые другие сплавы. Выплав­ ляемые в доменных печах ферросплавы насыщены углеродом и вслед­ ствие высокого (по сравнению с электротермическими способами) расхода кокса более загрязнены серой и фосфором. Объем производ­ ства ферросплавов этим методом неуклонно сокращается. Например, в СССР полностью прекращено производство доменного ферросили­ ция.

Электротермическое производство ферросплавов по роду приме­ няемого восстановителя можно разбить на два процесса: углевосста­ новительный, основанный на применении в качестве восстановителя углеродистых материалов, и металлотермический с применением в качестве восстановителей кремния и алюминия и их сплавов.

По методу работы электротермическое производство ферросплавов может быть непрерывным с закрытым колошником или периодическим с открытым колошником с проплавлением шихты. При непрерывном процессе производства ферросплавов шихту загружают в печь равно­ мерно 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 способе зоны металлургических реакций с высокими температурами (1400—2500° С) закрыты слоем твердой шихты и поэтому потери тепла и улет восстановленных эле­ ментов значительно уменьшаются. Плавку непрерывным процессом с закрытым колошником можно производить как в открытой печи (без свода), так и в закрытой печи (со сводом).

Периодическим процессом работают печи, предназначенные для получения рафинированных сплавов. При производстве ферроспла­ вов периодическим процессом плавку ведут с открытым колошником. К периодическому процессу также относится метод плавки, приме­ няемый при производстве сплавов, которые вследствие высокой температуры плавления не могут быть выпущены через летку. В этом случае после накопления в печи определенного количества сплава печь останавливают, охлаждают и выламывают из нее блок нако­ пившегося сплава. Такой метод плавки называют плавкой на блок.

157

Периодическим процессом осуществляют производство ферро­ сплавов продувкой в кислородном конвертере, вакуумной обработ­ кой в твердом и жидком состоянии, получение азотированных спла­ вов и т. п.

Шлаковый и бесшлаковый процессы производства ферросплавов.

В зависимости от удельного количества образующегося шлака произ­ водство ферросплавов можно разделить на две группы: на шлаковые и бесшлаковые процессы. Количество образующегося шлака характе­ ризуется отношением массы выпущенного из печи шлака к массе выпущенного сплава, т. е. кратностью шлака. При бесшлаковом про­ цессе кратность шлака колеблется в пределах 0,05—0,1. Примерами бесшлакового процесса может служить производство ферросилиция всех марок, кристаллического кремния и др. Шлаковым процессом выплавляют феррохром, ферромарганец, ферровольфрам и др. Крат­ ность шлака в этих процессах составляет 0,4 и более.

Металлотермический способ позволяет получать ферросплавы с очень низким содержанием углерода (ниже 0,03%). Хотя в настоя­ щее время чистые металлы с очень низким содержанием углерода могут быть получены применением обработки в вакууме или электро­ лиза, однако в ряде случаев металлотермическое производство более эффективно.

Промышленное значение имеют алюминотермическое производ­ ство металлического хрома, безуглеродистого ферротитана, феррова­ надия, феррониобия и силикотермическое или алюминосиликотер-

а при применении электроподогрева шлака или в случае предвари­ тельного расплава части шихты печная ванна, в которой ведется плавка, делается сменной. В целях сокращения 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 произ­ водства ферросплавов являются низкие капитальные вложения на строительство новых цехов, отсутствие сложного оборудования и возможность быстрого увеличения производства без больших допол­ нительных затрат.

3. РАЗВИТИЕ ФЕРРОСПЛАВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В СССР

Ферросплавное производство в России возникло в 1908 г., когда на Южном Урале был построен завод по производству ферросилиция, который давал в год 500 т сплава. Современное ферросплавное произ­ водство в нашей стране по сути дела начинается с 7 ноября 1930 г., когда была пущена первая печь Челябинского ферросплавного завода, в дальнейшем преобразованного в электрометаллургический комбинат. В годы довоенных пятилеток были построены и введены в эксплуатацию также Запорожский и Зестафонский заводы, а в годы Великой Отечественной войны и после нее Актюбинский, Кузнецкий,

158

Ключевской, Никопольский, Кадиевский и другие заводы ферро­ сплавов.

Отечественные заводы строили с использованием наиболее совре­ менного для того времени оборудования. Уже на первых отече­ ственных заводах устанавливали печи мощностью 7500— 12000 кВА. Усилиями советских ученых, инженеров и рабочих были созданы собственные методы производства ферросплавов, отличные от приме­ нявшихся на зарубежных заводах. Одним из них является произ­ водство ферровольфрама, когда сплав вычерпывают из печи. По сравнению со способом выплавки ферровольфрама на блок при указанном способе увеличивается производительность печи, сни­ жается расход электроэнергии и повышается извлечение вольфрама. На Челябинском электрометаллургическом комбинате было освоено производство силикокальдия одностадийным методом в отличии от двустадийного, применявшегося на зарубежных заводах, а затем впервые в мировой практике было освоено производство силикокальция силикотермическим методом. На Запорожском заводе вы­ плавка последнего сплава была налажена углетермическим способом.

В СССР успешно освоено производство ферросплавов в печах с вра­ щающейся ванной и в закрытых печах. Например, при выплавке богатого ферросилиция в печах с вращающейся ванной на Челябин­ ском электрометаллургическом комбинате производительность печи возросла на 3—5%, расход электроэнергии снизился на 200— 300 кВт-ч/т, повысилась производительность труда плавильщиков на 46% по сравнению с выплавкой этого сплава в стационарных печах.

В последние годы на Никопольском ферросплавном заводе ус­ пешно освоены в работе уникальные закрытые прямоугольные печи мощностью 63 MBA по выплавке сплавов марганца.

Предполагается значительное увеличение единичной мощности печных агрегатов для производства всего сортамента ферросплавов. Так, в строящемся цехе № 8 Челябинского электрометаллургиче­ ского комбината будут установлены закрытые печи мощностью 40 MBA для выплавки силикохрома и углеродистого феррохрома и печи мощностью 16,5 MBA для получения рафинированного ферро­ хрома. Разрабатываются круглые закрытые печи для рудовосстано­ вительных процессов мощностью 60, 80 и 100 MBA.

Перевод выплавки ферросилиция, углеродистого феррохрома и силикомарганца в закрытые печи позволил улучшить условия обслу­ живания печей, утилизировать отходящий из печи высококалорий­ ный газ и снизить загрязнение воздушного бассейна.

Большой интерес представляет разработанный ЦНИИчерметом совместно с Серовским ферросплавным заводом и с Челябинским электрометаллургическим комбинатом метод смешения силикохрома с рудоизвестковым расплавом, обеспечивающий высокое извлечение хрома, повышение стойкости футеровки печей и получение ферро­ хрома, содержащего менее 0,03% С. ■

Совместными усилиями Днепропетровского металлургического института и Запорожского завода ферросплавов решена задача полу­

159

чения феррохрома с содержанием углерода ниже 0,02% путем вакуу­ мирования твердого феррохрома.

Освоено производство феррохрома с содержанием углерода 0,01— 0,02% путем вакуумирования в печах сопротивления брикетов из смеси углеродистого феррохрома и окислителя или из безуглеродистого феррохрома с 0,06—0,07% С. Выявлена перспективность полу­ чения в вакууме в твердом состоянии феррованадия и ферроволь­ фрама. Вакуумирование в индукционной печи ферромолибдена обеспечивает его очистку от примесей ряда цветных металлов. На Челябинском электрометаллургическом комбинате в содружестве

сЧелябинским НИИМом разработан способ получения феррохрома

ссодержанием 0,01% С и азотированного феррохрома в вакуумных индукционных печах.

На Ключевском заводе ферросплавов разработан эффективный ком­ бинированный метод выплавки алюминотермических ферросплавов с предварительным расплавлением части шихты в электропечи. Ус­ пешно начато применение кислорода в металлургии ферросплавов. Это — получение рафинированного феррохрома путем продувки угле­ родистого сплава кислородом в конвертере или рафинирование ферро­ хрома от углерода продувкой кислородом в ковше.

Внедряются методы внепечной обработки сплавов шлаками в це­ лях снижения в них содержания вредных примесей, например де­ сульфурации углеродистого феррохрома. В последние годы получают распространение процессы получения ферросплавов из бедных руд методом селективного восстановления.

Ведутся опытные работы по использованию электроннолучевой плавки в вакууме, плазменной и зонной плавок и электрошлакового переплава для получения особо чистых ферросплавов и легирующих металлов. Дальнейшее развитие получит также производство экзо­ термических ферросплавов путем брикетирования и окомковывания шихт. Усиленно ведутся исследования по усовершенствованию подго­ товки шихты к плавке за счет внедрения различных методов обога­ щения, брикетирования, окомкования и агломерации руд, их предва­ рительного нагрева и восстановления, а также создания моношихт.

Значительное внимание уделяется вопросам утилизации побочных продуктов плавки, шлаков и т. д. В частности, успешно решены во­ просы утилизации таких ценных металлов, как висмут и свинец при выплавке ферровольфрама и ферромолибдена, использования шлаков выплавки рафинированного феррохрома для известкования почв, изготовления самотвердеющих стержневых смесей в литейном про­ изводстве, варки тарного стекла и др.

Большие работы проведены на отечественных заводах по механи­ зации трудоемких процессов: механизирована загрузка шихты в от­ крытой печи с помощью машины П. С. Плюйко, внедрены в ряде слу­ чаев машины для обработки колошника, закрытия летки, разливоч­ ные машины и т. д. Эти работы будут всемерно расширены, так как они являются базой для дальнейшей автоматизации производства.

В настоящее время полностью автоматизировано управление электрическим режимом ферросплавных печей, созданы автоматиче-

160