Основные способы получения ферросплавов. Общие требования к их качеству

Соответствующее качество ферросплавов можно охарактеризовать следующими параметрами: содержанием и пределами колебаний ведущего элемента, концентрацией регламентируемых сопутствующих примесей (C, S, P, цветные металлы), температурой плавления, плотностью, состоянием поверхности кусков слитка, гранулометрическим составом, содержанием неметаллических включений, водорода, кислорода и др. Химический состав ферросплавов является основным показателем их качества, главным образом, содержание в нем ведущего элемента. Ферросплавная промышленность выпускает в основном сплавы с высокой концентрацией ведущего элемента для того, чтобы соответствовать требованиям изготовителей стали, заинтересованных в наиболее малой массе легирующей присадки. При объединении в одну партию отдельных плавок необходимо учитывать содержание легирующего элемента в ферросплаве. Характеристикой однородности химического состава ферросплавов является максимальное допустимое отклонение от среднего содержания ведущего элемента в партии. В основном для большинства ферросплавов отклонение устанавливается равным ± 2 %, которое обеспечивает получать стали с узкими пределами содержания легирующих элементов [4].

На сегодняшний день известны следующие способы получения металлов и их сплавов: доменный, электротермический, металлотермический и самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), который считается частным случаем металлотермии.

Восстановление металлов оксидом углерода, коксом лежит в основе получения сплавов доменным процессом. Одновременно с чистым металлом образуются соединения металла с углеродом и некоторыми другими элементами (кремний, сера и фосфор), в результате чего понижается температура плавления сплавов. Достоинство данного метода: возможность получения сплавов в больших количествах; недостатки: большая зауглероженность получаемых сплавов, большое количество примесей и образование вредных загрязнений, отрицательно влияющих на экологию [5].

Электросиликотермический способ заключается в получении металлов из оксидов посредством их восстановления ферросилицием с добавлением извести. При добавлении извести (СаО) увеличивается выход и связывание примесей, понижается температура плавления. Процесс плавки ведут в дуговых печах. Достоинства данного метода: управляемость, относительная чистота продуктов, отсутствие экологических загрязнений; недостаток -высокая энергоемкость процесса [5].

В результате процесса восстановления металлов из оксидов алюминием или другими металлами получают различные металлы и сплавы - это металлотермический способ. Различают внепечную и электропечную плавку ферросплавов. Регулированием температуры можно добиться наибольшего выхода продукции - это электропечный способ. Внепечный процесс возникает только в том случае, если при протекании реакции металлотермического восстановления, количество выделяющего тепла является достаточным для самопроизвольного течения процесса и не требует подвода извне. В нем используют порошкообразные металлы, обеспечивающие высокие скорости протекания реакций восстановления, что является его отличительной особенностью [6].

В роли металлов-восстановителей применяются следующие металлы: алюминий, магний, кальций и затем РЗМ. Название металлотермических процессов происходит от названий используемых в них металлов-восстановителей, например, алюминотермический и т.п.

В основе всех металлотермических процессов лежат две стадии:

-стационарный медленный процесс, который создает условия для развития основной реакции (индукционный период);

-нестационарный автоускоряющийся процесс, заканчивающийся воспламенением основной реакционной смеси [6].

Известны следующие основные требования металлотермического способа [7]:

1. Измельчение компонентов шихты должно быть совершенно одинаковым;

2. Компоненты шихты должны быть тщательно перемешаны;

3. Наличие запала шихтовой смеси.

Полученные металлы посредством металлотермии практически не содержат углерода, что является основным преимуществом данного способа. Но для металлотермического способа, в частности алюминотермического, получения ферросплавов необходимы шихтовые материалы с минимальным содержанием в своем составе вредных примесей, поэтому используют либо концентраты, либо чистые руды.

В настоящее время при проведении алюминотермических процессов для выплавки ферросплавов наиболее широко используют электропечные методы. Например, такими методами стали получать 75 % всех алюминотермических сплавов. Также наблюдается уменьшение доли внепечной плавки до 5-10 % [6, 7].

Алюминотермия представляет собой восстановление алюминием металлов из оксидов или других соединений с добавлением таких соединений, как оксид кальция и оксид кремния для увеличения выхода металла и уменьшения содержания алюминия в сплаве [8].

Алюминотермический процесс имеет следующие достоинства [9]:

Ø поскольку алюминий обладает высоким химическим сродством к кислороду, то характерно восстановление оксидов металлов, имеющих высокую прочность при извлечении их из шихты;

Ø восстановление оксидов;

Ø получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей;

Ø небольшие капитальные затраты;

Ø простота аппаратурного оформления процесса;

Ø ведение процесса в горне с выпуском металла;

Ø интенсификация процесса и уменьшение расхода алюминия посредством предварительного расплавления оксидов и флюсов в электропечи;

Ø возможность введения в шихту значительного количества металлических отходов сплавов и металлов (металлотермический переплав).

Недостатки алюминотермического процесса:

ü высокая стоимость;

ü дефицитность первичного алюминия;

ü вероятность образования низших оксидов ведущих металлов;

ü возможность уменьшения термодинамической вероятности в ходе процесса восстановления оксидов и извлечения металлов из шихты;

ü возможность образования высокоглиноземистого шлака с высокой вязкостью, которая вызывает потери восстановленного металла (в виде корольков).

Эти недостатки ограничивают возможность применения алюминотермического процесса для получения ферросилиция, ферромарганца и многих сортов феррохрома. Кроме того, отличительная особенность алюминотермии состоит в образовании в результате реакций тугоплавкого глиноземистого шлака [10].