Ферросплавы — это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и другими элементами, применяемые в производстве стали для улучшения ее свойств и легирования. Вводить в сталь нужный элемент не в виде чистого металла, а в виде его сплава с железом удобнее вследствие более низкой температуры плавления и выгоднее, так как стоимость ведущего элемента в сплаве с железом ниже по сравнению с технически чистым металлом.

Ферросплавы получают восстановлением окислов соответствующих металлов. Исходным сырьем служат руды или концентраты. При производстве основных сплавов—ферросилиция, ферромарганца и феррохрома — пользуются рудами, так как в них содержание окислов элемента, подлежащего восстановлению, высокое. При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия, ферротитана и других сплавов руду вследствие малой концентрации в ней полезного элемента обогащают, получая концентрат с достаточно высоким содержанием окислов основного элемента.

При производстве любого сплава необходимо выбрать подходящий восстановитель и создать условия, обеспечивающие высокое извлечение ценного (ведущего) элемента из перерабатываемого сырья.

Восстановительные процессы облегчаются, если они проходят в присутствии железа или его окислов. Растворяя восстановленный элемент или образуя с ним химическое соединение, железо уменьшает его активность, выводит его из зоны реакции, препятствует обратной реакции — окислению. В ряде случаев температура плавления сплава с железом ниже температуры плавления восстанавливаемого элемента, следовательно, реакция может протекать при более низкой температуре.

В качестве восстановителей в ферросплавном производстве применяют углерод, кремний и алюминий. Наиболее дешевым является углерод, поэтому его используют при производстве углеродистого ферромарганца, углеродистого феррохрома и всех сплавов с кремнием (кремнистые сплавы содержат мало углерода).

Все реакции восстановления металлов из их окислов углеродом эндотермичны, поэтому они требуют подвода тепла.

Полнота извлечения ведущего элемента зависит от температуры и давления, при которых ведут процесс, от состава шлака и сплава.

Технология производства ферросилиция

В металлургии ферросплавов максимальный объем производства занимает ферросилиций, который применяют для раскисления и легирования стали, а также в качестве восстановителя при производстве некоторых ферросплавов.

В электрических печах выплавляют ферросилиций следующих марок: ФС20 с 19—23% Si; ФС25 – 23 – 27% Si; ФС45 41—47% Si; ФС65 63—68% Si; ФС70 67—72% Si; ФС75 74—80% Si и ФС90 89% Si.

При содержании кремния в сплаве в пределах 50—70% и при загрязнении его фосфором и алюминием сплав рассыпается в порошок с выделением ядовитых летучих соединений. Поэтому сплав такого состава заводы не выпускают.

§ 1. Сырые материалы

При производстве ферросилиция в качестве рудной части шихты используют кварц, кварциты и халцедон. Основным требованием к рудному сырью является высокое содержание в нем кремнезема (не менее 95%), минимальное присутствие примесей (Al₂O₃, MgO, CaO, Р₂О₅), достаточная прочность при высоких температурах. Наличие в рудном сырье оксидов железа не снижает его ценности, так как при выплавке ферросилиция в шихту вводят некоторое количество железа. Чем меньше в кремнийсодержащем сырье примесей, тем меньше образуется шлака и ниже удельный расход электроэнергии. Перед загрузкой кварцит дробят до кусков размером 25—80 мм, а образующуюся мелочь отсеивают. Кварциты с повышенным содержанием глинозема после дробления необходимо подвергать промывке. Промывка кварцитов водой снижает содержание в них глины и других примесей и улучшает показатели электроплавки.

Основные требования, предъявляемые к восстановителю: низкая зольность, высокое электросопротивление, низкое содержание летучих, достаточная прочность кусков при нагреве, постоянная низкая влажность и большая реакционная поверхность. По своим характеристикам лучшими материалами являются древесный уголь, пековый и нефтяной кокс.

Из-за высокой стоимости и дефицита древесный уголь применяется только при производстве кристаллического кремния. Пригодными являются некоторые сорта антрацита и каменного угля. Каменный уголь и антрацит имеют высокое электросопротивление и низкое содержание золы, однако они растрескиваются при нагреве, поэтому их применяют ограниченно, с добавками других восстановителей. Наибольшее применение при производстве ферросилиция получил коксик (коксовый орешек) – отсев при сортировке доменного кокса с размерами кусков 5 – 25 мм и содержанием золы <13%. Наличие в коксике большого количества мелочи затрудняет выход газов и нарушает ход печи. Избыток крупных кусков увеличивает электропроводность шихты, отчего уменьшается глубина посадки электродов, уменьшается производительность печи. Кроме того, крупный недостаток коксика - высокое содержание влаги, которое зависит от условии перевозки и хранения и колеблется в широких пределах, поднимаясь иногда до 25%. Непостоянная высокая влажность коксика часто бывает причиной расстройства хода печи.

В последние годы наряду с коксиком в значительном количестве применяют полукокс — продукт коксования углей при температуре до 700° С. Полукокс, как правило, имеет стабильный состав, высокое электросопротивление, хорошую реакционную способность. При работе на смеси обычного коксика и полукокса увеличивается глубина посадки электродов и улучшаются показатели работы печей.

Третьим материалом, применяемым при производстве ферросилиция, является стружка углеродистых сталей с низким содержанием фосфора без примесей цветных металлов и легирующих элементов. Лучшей считается мелкая стружка, длинная витая стружка затрудняет загрузку и обслуживание печи, распределяется неравномерно среди шихтовых материалов. Поскольку хром, никель, марганец и фосфор полностью переходят в ферросилиций, поэтому легированную и чугунную стружку, содержащую много фосфора, использовать при производстве ферросилиция не разрешается.