Билет №1

1. Классификация и назначение ферросплавов. Общие требования к качеству ферросплавов. Способы получения ферросплавов.

Ферросплавы - сплавы железа с одним или несколькими элемен­тами, получаемыми преимущественно извлечением металлов из руд, концентратов, технически чистых оксидов. Основное количество ФС используют в сталеплавиль­ном производстве для легирования и раскисления стали, а также для легирования и модифицирования чугуна и сплавов, изготовления сварочных электродов, производства химических соединений, в ка­честве исходного материала для защитных покрытий на металличе­ских конструкциях и устройствах, при обогащении полезных иско­паемых. ФС служат также исходным сырьем при получе­нии особо чистых веществ и широко ис­пользуются в качестве восстановителей в металлотермических про­цессах.

К группе больших ферросплавов (объем производства миллионы тонн) относят: кремнистые, марганцевые, хромовые ФС. К группе малых ферросплавов (объем производства — десятки и сотни тысяч тонн) относятся: ферровольфрам, ферромолибден, фер­рованадий, ферротитан, феррониобий, ферросиликоцирконий и ферроалюминоцирконий, ферроникель и феррокобальт, сплавы с алюминием, сплавы щелочноземельных металлов, сплавы РЗМ и др.

Общие требования к качеству ферросплавов.

Качество ферросплавов характеризуется содержанием и предела­ми колебаний ведущего элемента, концентрацией регламентируемых сопутствующих примесей (С, Р, S, цветных металлов, N, Н, О и др.), гранулометрическим составом, плотностью, состоянием поверхности кусков, температурой плавления, содержанием неметаллических включений и вкраплений шлака.

Химический состав. Основным показателем качества ферроспла­ва является его химический состав и прежде всего содержание в нем ведущего элемента.

Гранулометрический состав. Важной характеристикой качества ферросплава является его гранулометрический состав, поскольку при правильном его выборе ускоряется процесс расплавления, обеспечи­вается высокое усвоение легирующего элемента стальной ванной.

Классификация по виду применяемых восстановителей.

Углеродотермические процессы. Углеродом мо­гут быть восстановлены все элементы из их оксидов при высоких температурах процесса, так как химическое сродство углерода к ки­слороду с повышением температуры увеличивается. Углерод имеет невысокую стоимость, при этом возможно использование углероди­стых материалов различного качества. В общем виде суммарные реакции могут быть представлены следующим об­разом:

2/y Ме_хО_y+ 2С = 2х/уzМе + 2СО + ΔH₁;

2/y Ме_хO_y + (2 + 2x/z)C = 2x/yzМe_zС_у + 2СО + ΔH₂;

Недостатки: 1) При восстановлении оксидов образуются карбиды элементов; при повышении содержания кремния в сплаве снижается концентра­ция углерода; 2) Реакции восстановления оксидов протекают с по­глощением большого количества тепла (ΔH»0), поэтому требуется применение электрических дуговых печей большой мощности.

Силикотермические процессы. Силикотермическое восстанов­ление металлов из оксидов происходит по реакции: 2/уМе_xО_y, + Si = 2x/yMe + SiO₂ - ΔH.

Восстановление оксидов кремнием ведут с применением ком­плексных передельных высококремнистых ФС. Поэтому технологическая схема производства низкоуглеродистых ФС включает стадию выплавки передельных сплавов: ферросиликомарганца и ферросиликохрома. Кремний обладает достаточно высоким химическим сродством к кислороду, поэтому он может служить восстановителем элементов из таких оксидов, как Сг₂O₃, МnО, МоO₃, WO₃, V₂O₃ и др. Восстановле­ние оксидов кремнием сопровождается выделением тепла, которого недостаточно для ведения внепечного силикотермического процесса, поэтому процесс ведут в электропечах относительно небольшой мощности. Недостатки: 1) Вследствие образования кремнезема увеличивается количество шлака, в котором образуются прочные силикаты низших оксидов ведущего элемента. Дальнейшее восстановление ведущего элемента возможно при введении в шлак (шихту) оксидов с высокими основ­ными свойствами (CaO, MgO); 2) Кремний образует с металлами растворы, характеризующиеся существенными отрица­тельными отклонениями от идеального поведения, что свидетельст­вует о прочности связи Me - Si и затрудняет получение сплавов с низкой концентрацией кремния.

Алюминотермические процессы. Алюминотермическое восста­новление металлов из оксидов протекает по реакции: 2/уМе_xO_y, + 4/3Аl = 2х/уМе + 2/3 А1₂O₃ – ΔH, процесс протекает с высоким полезным извле­чением ведущего элемента. Особенности: выделение значительного количества тепла и возможность прове­дения процессов вне печи. Достоинство: 1. Возможность восстановления более широкой гаммы элементов с химическим сродством к кислороду меньшим, чем у алюминия; 2. Восстановление оксидов и получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей цвет­ных металлов; 3. Простота аппаратурного оформления процесса, небольшие ка­питальные затраты; 4. Ведение процесса в наклоняющемся горне с выпуском шлака и металла; 5. Возможность предварительного расплавления оксидов и флю­сов в электропечи, что позволяет значительно интенсифицировать процесс и уменьшить расход алюминия; 6. Использование высокоглиноземистых шлаков для получения синтетических шлаков, а также высокоглиноземистого цемента. Недостатки: 1.Высокая стоимость и дефицитность алюминия; 2.Возможность образования низших оксидов ведущих металлов, уменьшение термодинамической вероятности восстановления этих оксидов и извлечения металлов из шихты; 3.Образование высокоглиноземистого шлака с высокой вязкостью, вызывающее потери восстановленного металла в виде корольков.

Классификация по виду используемого агрегата.

Электропечной способ основан на использовании дуговых элек­трических печей, в которых тепло выделяется при прохождении тока через газовый промежуток и шихтовые материалы, обладающие дос­таточно высоким электрическим сопротивлением.

Металлотермический способ основан на использовании тепла химических реакций восстановления оксидов элементов алюминием и кремнием.

Доменный способ позволил впервые получить ферросплавы, со­держащие кремний, марганец и хром, но этот способ требует значи­тельного расхода кокса, а получаемые сплавы содержат углерод на пределе насыщения, поэтому в доменной печи невозможно получить ферросплавы с низким содержанием углерода.

Электролитический способ основан на электролизе водных рас­творов или расплавленных солей и используется для получения особо чистых металлов.

Специальные методы используются для получения и рафиниро­вания сплавов в вакуумных печах сопротивления, индукционных пе­чах и в конвертерах, что позволяет производить ФС и чис­тые металлы с весьма низким содержанием углерода, кислорода, во­дорода, неметаллических включений, а также азотированные.