187

Розділ 4. Виробництво феросплавів

Феросплавами називають сплави заліза із різними хімічними елементами, які використовують для розкиснення і легування сталі, отримання деяких видів чавунів, високолегованих сплавів та сплавів спеціального функціонального призначення.

Промисловість виробляє 150 різних видів та марок простих і складних феросплавів, до складу яких в тому чи іншому співвідношенні входить близько 25 елементів. До них належить більшість легких (Al, Ba, В, Ca, Mg, Sr, Ti), частина рідкісних і розсіяних (V, W, Ce, Y, Mo, Nb, Та, Sc) та важких (Со, Mn, Ni, Cr) металів, а також неметали (Si, P, Se, N).

Історія розвитку виробництва феросплавів складається з двох періодів. На початку XIX ст. феросплави отримували лише із руд у доменних печах. У зв’язку з розвитком електроенергетики на початку XX ст. набуло поширення виробництво феросплавів в електропечах. Нині основну кількість феросплавів отримують у дугових електропечах з використанням як відновника вуглецю, силіцію, алюмінію.

Україна має розвинену феросплавну промисловість, яка за обсягами і сортаментом виробництва значною мірою задовольняє потребу металургійного комплексу в феросплавах. Певну частку феросплавів експортують на світовий ринок. Сумарна потужність вітчизняних феросплавних заводів перевищує 2 млн т феросплавів на рік. Феросплави електропічним способом виплавляють на Нікопольському, Запорізькому і Стаханівському феросплавних заводах (сплави мангану й силіцію, деякі лігатури), Побузькому феронікелевому комбінаті (сплави нікелю і хрому), Запорізькому алюмінієвому комбінаті (сплави силіцію). На Донецькому хіміко-металургійному заводі позапічним способом виплавляють сплави молібдену і ванадію, а на Краматорському металургійному заводі у доменних печах — сплави мангану. Останнім часом уведені в експлуатацію потужності для виплавки феротитану, феромолібдену і ферованадію на підприємствах у містах Дніпродзержинську та Новомосковську Дніпропетровської області.

Значний внесок у теорію і практику виробництва феросплавів внесли видатні вчені О. М. Самарін, В. П. Елютін, Ф. П. Єднерал, В. О. Боголюбов, О. А. Єсін, М. А. Кекелідзе, С. Т. Ростовцев, С. Й. Хитрик, М. М. Деханов, Б. І. Ємлін, А. Г. Кучер, Ю. В. Чепеленко, В. В. Мураховський та ін. Нині провідна роль у розвитку теорії й технології виробництва феросплавів належить школі дніпропетровських учених, які працюють під керівництвом академіка НАН України М. І. Гасика.

4.1.Класифікація, призначення і властивості феросплавів

Сучасна електрометалургія феросплавів спеціалізується на первинному відновленні металів із руд, концентратів і технічно чистих оксидів. До феросплавів належать також лігатури і модифікатори.

Лігатура (від лат. ligatura — зв’язую) — це багатокомпонентний (комплексний) металевий сплав, який отримують або сплавленням складових компонентів, або відновленням їх із руд і концентратів. Лігатура має нижчу температуру плавлення, ніж кожний із елементів, що входить до її складу, тому швидше розчиняється під час легування нею сплавів, унаслідок чого зменшується вигар елементів.

Модифікатор (від лат. modifico — видозмінною) — речовина, введення якої навіть у незначній кількості змінює структуру і властивості обробленого нею металу або сплаву. Цей процес називають модифікуванням. Модифікатори, які адсорбуються на зародках металевих розплавів у процесі кристалізації, гальмують ріст кристалів, тобто подрібнюють структуру сталі. Крім того, модифікування впливає на утворення в розплаві центрів кристалізації, що додатково зумовлює подрібнення мікроструктури.

Умовно метали і неметали, що складають основу феросплавів, можна назвати феросплавними елементами. До них належать елементи: Mn, Si, Cr, Ca, Al, Ba, Be, Co, Mg, Ti, V, W, Mo, Y, Nb, Se, Та, Те, Zr, Ni, а також рідкісноземельні метали. У феросплавах у значних або менших кількостях містяться елементи-домішки^* S, P, Cu, Sn, Sb, Bi, О, H, N і ін. У свою чергу, виділяють групи «великих» і «малих» феросплавів.

^*Відношення цих елементів до домішок умовне, оскільки в одній групі феросплавів — це домішки, в інших — легуючі елементи (ферофосфор, азотований манган).

Група великих феросплавів (великотоннажні сплави) складається із трьох підгруп: 1) кременисті феросплави (феросиліцій усіх марок, кристалічний силіцій); 2) манганові феросплави (високо-, середньо- і низьковуглецевий фероманган), товарний і переробний силікоманган, металевий манган, азотований манган, манганові лігатури; 3) хромисті феросплави (високо-, середньо- і низьковуглецевий ферохром, товарний і переробний феросилікохром, металевий хром, азотований ферохром, лігатури складних композицій). Сплави силіцію й мангану, що входять до цієї групи, використовують для розкиснення і легування сталей, інші види феросплавів — для легування заздалегідь розкисненої сталі.

Група малих феросплавів (малотоннажні феросплави) має одинадцять підгруп: 1) феровольфрам; 2) феромолібден; 3) ферованадій; 4) сплави лужноземельних металів ЛЗМ — силікокальцій, силікобарій, силікомагній, силікостронцій, комплексні сплави систем Fe—Si—Mg—Ca; Si—Ca—Ba—Fe; Si—Ba—Fe; Si—Ba—Sr та ін.); 5) фероніобій і сплави систем Ni—Nb, Nb—Ta—Fe; Nb—Ta—Mn—Al—Si—T; Nb—Ta—Al; 6) феротитан і сплави систем Fe—Si—Ti, Ti—Cr—Al; Ti—Cr—Al—Fe, Ti—Ni; 7) феробор, фероборал і лігатури з бором (Ni—B, Cr—B, грейнал B—Si—Al—Ti—Zr); 8) сплави з алюмінієм (силікоалюміній, фероалюміній, феросилікоалюміній, сплави систем Fe—Al—Mn—Si, Fe—Mn—Al ); 9) сплави з рідкісноземельними металами (РЗМ) систем РЗМ—Si; Ce—Si—Fe; РЗМ—Al—Si; РЗМ—Nі—Si; 10) феросилікоцирконій, фероалюміноцирконій; 11) феронікель і ферокобальт. Малотоннажні феросплави використовують лише для легування сталей.

Головні компоненти феросплавів називають ведучими елементами. Ступінь відновлення і переходу в метал (або вилучення ведучого елемента) визначає техніко-економічну ефективність та доцільність застосування тієї або іншої технології виробництва феросплавів. Аналіз і порівняння показників виробництва феросплавів із сировини різного складу й походження у печах різних конструкцій та потужності проводять за умови перерахування кількості виплавлених феросплавів у так звані «базові тонни» . Базова тонна — це 1 т феросплаву, руди, концентрату зі суворо визначеним вмістом ведучого елемента або його сполуки. Наприклад, згідно із стандартом феросиліцій марки ФС 45 може містити 41—47 % Si, а за базову тонну прийнято 1 т сплаву із вмістом 45 % Si; мангановий концентрат може містити 30—43 % Mn, а за базову тонну прийнято сировину із вмістом 48 % Mn.

Слід зазначити, що більшість феросплавів містить відносно велику кількість заліза. Це зумовлено тим, що в рудній сировині разом з ведучим елементом завжди присутнє у певній кількості залізо, що в процесі відновлення переходить до складу феросплавів. Крім того, залізо, розчиняючи відновлений ведучий елемент, знижує його активність і температуру плавлення феросплавів, підвищує об’ємну густину деяких феросплавів та збільшує корисне використання ведучих елементів під час розкиснення й легування сталі і сплавів. Утворення металевих розчинів відновлюваних елементів у залізі знижує активність ведучого елемента в розчині, що зменшує зміну енергії Гіббса процесу відновлення. Так, під час утворення розчинів на основі заліза відновлення ведучого елемента можливе за нижчих температур із кращим результатом вилучення, тому часто залізо спеціально вводять у шихтові матеріали у вигляді стружки, оксидів. Вартість відновлених елементів у сплавах із залізом (феросплавах) значно менша, ніж аналогічних елементів у «чистому» стані.

За існуючою класифікацією, феросплави — це сплави, що складаються з кількох металевих та/або неметалевих елементів у вигляді зливків, блоків, шматків, а також у вигляді агломерованих (неагломерованих) гранул і порошків, які зазвичай використовують у чорній металургії як легуючі та/або розкиснювальні елементи, десульфуратори та модифікатори. Ці сплави вмістять 4 % і більше заліза та один або більше із таких елементів: Mn > 6 %, P > 3 %, Si > 8 %, В > 6 %/, Cr та інших потрібних елементів > 10 % кожного, крім вуглецю за масової частки Cu < 10 %.

До феросплавів умовно належать металеві хром і манган (сплави, які не містять заліза) та деякі марки сплавів систем Fe—Si—Ca і Fe—Si—Mn, в яких залізо є домішкою в кількості менше ніж 4 %.

Назва феросплаву (російською мовою) складається із назви хімічних елементів, що входять до його складу, за винятком Fe і Si, стосовно яких прийняті латинські найменування «ферум» і «силіцій» (відповідно, Ф и С), а також азоту — Н. Числа, які стоять після літер, означають вміст відповідного елемента у відсотках, за винятком ферохрому, в якому числа, що стоять після літери Х, означають вміст вуглецю в сотих частках відсотка.

У маркування феросплавів вводять також додаткову інформацію щодо способу виробництва (а — алюмінотермічний; с — силікотермічний; в — вуглецевотермічний; к — конвертерний; е — електролітичний; п — переробний; г — гранульований; ш — шлаковий), напряму використання (зв — зварювальний; л — для виробництва ливарних чавунів; ел — для виробництва електротехнічних сталей; ед — для виробництва електродів), вмісту шкідливих домішок (ч — відрізняється чистотою від шкідливих домішок; р — рафінований; нф — низькофосфористий; ф — фосфористий; нк –низькокременистий; к — кременистий; нв, св, вв — відповідно низько-, середньо- і високовуглецевий) та умов постачання (Е, якщо на початку марки, — постачання для експорту).

Усі літери і числа основного та додаткового позначення друкують в один рядок без розрядки. Позначення елементів у марках феросплавів згідно з нормативно-технічною документацією наведено в табл. 4.1.

Таблиця 4.1. Маркування феросплавів

Елемент	Система маркування та позначення хімічних елементів
	СНД	ІСО
Нітроген (азот)	Н	N
Алюміній	А	Al
Барій	Ба	Ba
Бор	Б	B
Ванадій	Вд	V
Вольфрам	В	W
Ферум (залізо)	Ф	Fe
Ітрій	І	Y
Кадмій	Кд	Cd
Кальцій	К	Ca
Кобальт	Ко	Co
Силіцій	С	Si
Магній	Мг	Mg
Манган	Мн	Mn
Купрум (мідь)	Ку	Cu
Молібден	Мо	Mo
Нікол	Ні	Ni
Ніобій	Нб	Nb
Рідкоземельні елементи	РЗМ
Елементи ітрієвої групи	РЗМі
Елементи церієвої групи	РЗМці
Тантал	Та	Ta
Титан	Ти	Ti
Карбон (вуглець)	В	C
Фосфор	Р	P
Хром	Х	Cr
Церій	Це	Ce
Цирконій	Цр	Zr

Приклади позначення феросплавів: ФС45 — 45 %-й феросиліцій; ФС75(ел) — 75 %-й феросиліцій для електротехнічних сталей; ФХ800,ФХ025 і ФХ003 — ферохром із вмістом вуглецю, відповідно, 8 %, 0,25 % і 0,03 %; ФМн75У7С4 — 75 %-й фероманган із вмістом 75 % мангану, 7 % вуглецю і 4 % силіцію; ФСХ40 — феросилікохром із вмістом 40 % хрому.

Найпоширенішим способом введення феросплавів у рідкий метал є завантаження твердих його шматків із бункерів і мульд на поверхню металу у піч або ківш. Щоб підвищити ступінь і стабільність засвоєння легуючих або розкиснювальних елементів із феросплаву, потрібні сприятливі умови для розвитку процесів теплообміну між шматком і рідким розплавом та зменшення тривалості контактування феросплаву з атмосферою й шлаком.

Властивості феросплавів значною мірою залежать від фізико-хімічних властивостей ведучих елементів, що входять до їхнього складу.

До основних властивостей феросплавів належать температура плавлення, густина і теплові ефекти розчинення в сталі.

Температура плавлення — одна з основних властивостей феросплавів, що впливає на технологію отримання феросплаву та його використання. Процес отримання феросплавів здебільшого відбувається за температури їх плавлення — близько 1450—1500 °С. У разі застосування феросплавів для розкиснення або легування рідкого металу бажано, щоб температура їх плавлення не перевищувала температури кристалізації металу, що обробляється, або була нижчою, ніж температура сталі в ковші.

Перед введенням феросплавів у ківш температура сталі становить 1550—1650 °С і залежить від її хімічного складу. Температура чавуну в ковші, у свою чергу, залежить від його марки і типу плавильного агрегату. Вагранковий чавун має температуру 1320—1400 °С, а виплавлений у плавильних індукційних печах — 1450—1500 °С. Температура плавлення більшості феросплавів нижча, ніж температура сталі й чавуну перед їх обробленням феросплавами (. 4.2).

Таблиця 4.2. Температура плавлення і густина деяких феросплавів

Назва феросплаву і його хімічний склад	Температура плавлення, °С	Густина, кг/м3
Феросиліцій:
ФС25:25 % Si	1310—1350	6230
ФС45:45 % Si	1190—1320	4890
ФС75:75 % Si	1210—1250	3040
Металевий манган: Mp-1 — 96 % Mn		7240
Фероманган високовуглецевий ФМн76: 76 % Mn, 6—8 % С	1200—1275	7140
Силікоманган СМн 17: 70 % Mn, 17 % Si	1240—1280	6310
Феросилікохром ФСХ40: 40 % Si	1380—1410
Ферохром
високовуглецевий ФХ800: 66 % Cr, 6,9 % С	1270—1600
низьковуглецевий ФХ010: 69 % Cr, 0,07 % С	1610—1630
Феротитан:
29 % Ti	1440—1490	5840
64 % Ti	1180—1190	5280
Ферованадій: 81,8 % V	1685—1710	6920
Феровольфрам: 76 % W	2600—2950
Феромолібден: 60 % Мо	1790—1830
Силікокальцій:
СК10: 10 % Са	1150—1170	2540
СК30: 30 % Са	990—1100	2510
Фероніобій ФНб 30: 30 % Nb	1640—1660	890

Густина — важлива фізико-хімічна і структурно-чутлива властивість розплавлених феросплавів. Вона впливає на плавлення й засвоєння кусків феросплаву в ковші та на перенесення розчиненої речовини конвективними потоками. На рух кусків феросплавів впливає також швидкість тепломасообмінних процесів між шматком і розплавом, що зумовлює характер, ступінь засвоєння і рівномірність розподілу елементів, які вводять у сплав. За відсутності руху самого розплаву шматок легкого феросплаву швидко спливає на поверхню і зазнає інтенсивного окиснення, а важкого — падає на дно ковша, де, залишаючись нерухомим, дуже повільно плавиться або розчиняється.

Бажано також, щоб густина феросплавів дорівнювала густині рідкого металу, що обробляється. Густина феросплаву має бути такою, щоб сплав повністю і рівномірно затягувався в об’єм рідкого металу, не контактуючи при цьому з повітрям (це призводить до втрати легуючих елементів) та не опускаючись при цьому на дно ковша. Значення густини деяких видів феросплавів наведено в табл. 4.2.

Теплові ефекти розчинення феросплавів у сталі. У процесі легування сталі феросплавами рідкий метал може охолоджуватися, що обмежує кількість феросплавів, які потрібно ввести для отримання сталі з наперед визначеними властивостями.

Сумарна зміна температури рідкої сталі після введення феросплавів відбувається завдяки сумісній дії кількох факторів: зміни температури сталі завдяки теплоті, потрібній для нагрівання феросплаву від початкової температури до температури рідкої сталі; теплоти розчинення в сталі компонентів сплаву; теплоти хімічних реакцій окиснення компонентів феросплаву.