ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФЕРРОСПЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

Ферросплавы представляют собой сплавы железа с различными элементами: кремнием, хромом, марганцем и другими.

Двойные сплавы называются: ферросилиций, ферромарганец, феррохром. Тройные – ферросиликомарганец, ферросиликохром и др.

Ферросплавная промышленность производит более 100 различных марок ферросплавов, в которые в различном сочетании входят примерно 25 элементов.

В начале XIX века ферросплавы из руд получали только в доменных печах. В связи с развитием электроэнергетики в начале XX века получило распространение производство ферросплавов в электропечах. В настоящее время основное количество ферросплавов получают в дуговых рудовосстановительных электропечах с использованием в качестве восстановителей углерода и кремния.

История зарождения электроферросплавной промышленности в России связана со строительством и пуском 12 августа 1910 г первого электроферросплавного завода "Пороги" на Урале (г. Сатка).

Начиная с 1910 г в этих печах выплавляли ферросилиций, высокоуглеродистый ферромарганец, высокоуглеродистый феррохром, карбид кальция, карбид кремния и другие ферросплавы.

В годы первой пятилетки сооружались заводы ферросплавов в городах Челябинске, Запорожье, Зестафони и Липецке.

В последующие годы быстро рос объем производства традиционных и осваивалась выплавка новых комплексных ферросплавов. Необходимость их получения вызвана бурным развитием производства и ростом потребления жаропрочных, коррозионностойких и других сталей и сплавов специального назначения.

В настоящее время ферросплавная промышленность стран СНГ (России, Украины, Казахстана) и Грузии представлена десятью электроферросплавными заводами: три из них - Челябинский электрометаллургический комбинат, Запорожский и Зестафонский заводы ферросплавов — сооружены в 1931—1933гг. В годы Великой Отечественной войны построены Актюбинский, Кузнецкий и Ключевский. В послевоенные годы введены в строй действующих еще четыре завода ферросплавов: Стахановский (1962 г), Серовский (1958 г). Никопольский (1966 г) и Ермаковский (1968 г). Электроферросплавы производятся также в цехах Чусовского металлургического завода. Новолипецкого металлургического комбината и НПО "Тулачермет".

 

Огромное значение для ферросплавной промышленности имеет расширение рудной сырьевой базы. В довоенные годы успешно велась добыча марганцевых руд на Никопольском и Чиатурском месторождениях, являющихся и в настоящее время основными поставщиками руд марганца для черной металлургии. В степях Казахстана обнаружено уникальное Кемпирсайское месторождение хромсодержащих руд, запасы которых составляют 95% от основных, разрабатываемых месторождений в странах СНГ.

В поисках новых источников минерального сырья и энергии расширяются геологические работы на континенте, шельфах морей и дне океана, где обнаружены огромные донные отложения железомарганцевых конкреций, содержащих Ni, Co, Сu и другие элементы, а также сульфидные полиметаллические руды.

Классификация ферросплавных процессов Классификация и назначение ферросплавов

Современная электрометаллургия ферросплавов специализируется на первичном извлечении металлов из руд, концентратов и технически чистых оксидов, к ферросплавам относятся также лигатуры и модификаторы. Лигатуру получают либо сплавлением составляющих ее компонентов, либо восстановлением их из руд и концентратов. Лигатура имеет более низкую температуру плавления, чем любой из входящих в ее состав металлов, быстрее растворяется при легировании ею сплавов, и при этом уменьшается угар элементов. Модификатор – вещество, малые количества которого существенно изменяют структуру и свойства обработанного им металла или сплава. Этот эффект называют модифицированием. Модификаторы делятся на 2 группы: 1-го рода – поверхностно-активные вещества (ПАВ) и 2-го рода – инокуляторы. Модификаторы 1-го рода адсорбируются на зародышах кристаллизующихся металлических расплавов, тормозят их рост и тем самым измельчают микроструктуру сталей. Модификаторы 2-го рода облегчают образование в расплаве центров кристаллизации и также измельчают микроструктуру конструкционных сталей и сплавов.

Согласно современной классификации металлы делятся на две основные группы: черные и цветные. К первой группе относится железо во всем многообразии продуктов, где оно является основным металлом – чугун, стали и ферросплавы. Ко второй группе относятся практически все известные металлы. В зависимости от физико-химических свойств металлы подразделяются на следующие группы:

1)       легкие (Al, Ba, Be, K, Ca, Li, Mg, Na, Rb, Si, Sr, Ti, Cs);

2)       редкие (V, W, Ga, Hf, Y, Ge, Mo, Re, РЗМ, Se, Ta, Tl, Te, Zr);

3)       тяжелые (As, Bi, Cd, Co, Cu, Cr, Mn, Hg, Ni, Sb, Sn, Pb,);

4) благородные (Au, Ag, Ir, Os, Pt, Rd, Rh, Ru) и радиоактивные (Pu, Po, Ra, Np, Th, U).

Целый ряд элементов, относящихся к группе цветных металлов, являются основой сплавов, называемых ферросплавами и представляющих собой двухкомпонентные или более сложные композиции соответствующих металлов и неметаллов с железом. Условно, металлы и неметаллы, составляющие основу ферросплавов, можно называть ферросплавными элементами. К ним относятся элементы: Mn, Si, Cr, Ca, A1, Ва, Be, Co, Mg, Ti, V, W, Mo, Y, Nb, P3M, Se, Та, Те, Zr, Ni. В ферросплавах в больших или меньших количествах присутствуют элементы — примеси S, Р, Си, Sn, Sb, Bi, О, Н, N и др.

Выделяют группы "больших" и "малых" ферросплавов.

I. Группа больших ферросплавов (крупнотоннажные сплавы): 1) кремнистые ферросплавы (ферросилиций всех марок, кристаллический кремний); 2) марганцевые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый ферромарганец), товарный и передельный ферросиликомарганец, металлический марганец, азотированный марганец, марганцевые лигатуры;3) хромистые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый феррохром, товарный и передельный ферросиликохром, металлический хром, азотированный феррохром лигатуры сложных композиций).

II группа малых ферросплавов (малотоннажные ферросплавы): 1) ферровольфрам; 2) ферромолибден; 3) феррованадий; 4) сплавы щелочноземельных металлов ЩЗМ (силикокальция, силикобарий, силикомагний, силикостронций, комплексные сплавы систем Fe—Si—Mg—Ca;  Si—Ca—Ba—Fe;  Si—Ba—Fe; Si—Ba—Sr и др.; 5) феррониобий и сплавы систем Ni—Nb, Nb-Ta-Fe; Nb-Ta-Mn-Al-Si-Ti; Nb-Ta-Al; 6) ферротитан и сплавы систем Fe—Si—Ti, Ti—Cr—Al; Ti—Cr—Al—Fe, Ti—Ni; 7) ферробор, и лигатуры с бором (Ni—B, Cr—B, грейнал B—Si—Al—Ti—Zr); 8) сплавы с алюминием (силико-алюминий, ферроалюминий, ферросиликоалюминий, сплавы систем Fe—Al—Mn—Si, Fe-Mn-Al ; 9) сплавы с редкоземельными металлами (P3M) систем P3M- Si; Ce-Si-Fe; РЗМ-Al-Si; РЗМ—Ni—Si; 10)ферросиликоцирконий, ферроалюминоцирконий; 11) ферроникель.

Основные компоненты ферросплавов называют ведущими элементами. Степень восстановления и перехода в металл или извлечение ведущего элемента определяет технико-экономическую эффективность и целесообразность применяемой технологии. Анализ и сравнение показателей производства ферросплавов из сырья различного состава и происхождения в печах разной конструкции и мощности приводятся при условии пересчета количества ферросплавов в базовые тонны. Базовая тонна — 1т ферросплава, руды, концентрата со строго определенным содержанием ведущего элемента или его соединения. Например, в соответствии со стандартом ферросилиций марки ФС45 может содержать 41-47% Si, а за базовую тонну принята 1 т сплава с 45 % Si.

Пересчет с натуральных тонн в базовые производится по формуле:

Qбаз.т. = Qнат.т. · А / 45,

где А – фактическое содержание кремния в данном сплаве.

Основное количество ферросплавов используют в сталеплавильном производстве для легирования и раскисления стали, а также для легирования и модифицирования чугуна и сплавов, для производства химических соединений, в качестве восстановителей в металлотермических процессах.

Большинство ферросплавов содержит относительно большое количество железа. Это обусловлено тем, что в исходном сырье вместе с ведущим элементом всегда присутствуют оксиды железа, которые не являются вредной примесью для большинства ферросплавов. Железо, растворяя восстановленный ведущий элемент, снижает активность последнего и температуру плавления ферросплавов, повышает плотность ряда и увеличивает полезное использование ведущих элементов при раскислении и легировании стали и сплавов. Образование металлических растворов восстанавливаемых элементов в железе снижает активность ведущего элемента в растворе, что уменьшает изменение энергии Гиббса процесса восстановления. Так, при образовании растворов на основе железа восстановление ведущего элемента возможно при более низких температурах лучшим результатом извлечения, поэтому часто железо специально вводят в шихтовые материалы (в виде стружки, оксидов). Стоимость восстановленных элементов в ферросплавах ниже, чем в чистом виде.