5.1.4.10. Производство ферросплавов
Ферросплавами называют сплавы железа с легирующими элементами (V, W, Ti, Zr, Nb, Сг, и др.) или с элементами-раскислителями (Mn, Si и др.). Применение их в технологическом процессе производства стали более удобно и более выгодно, чем чистых элементов. Во-первых, ферросплавы, как правило, имеют более низкую температуру плавления, что облегчает введение их в жидкую сталь. Во-вторых, ферросплавы значительно дешевле, чем чистые металлы, так как получаются непосредственно из руд.
Поскольку легирующий металл находится в руде или концентрате в виде оксида, то процесс получения ферросплавов сводится к восстановлению данного элемента и его растворению в расплавленном железе. Последнее обстоятельство существенно повышает эффективность процесса - восстановление идёт более быстро и более полно.
В настоящее время основными способами получения ферросплавов являются электротермический и металлотермический.
При электротермическом процессе плавку ведут в мощных дуговых рудовосстановительных печах, работающих обычно в непрерывном режиме: отдозированные шихтовые материалы загружаются в печь по мере их проплавления; сплав и шлак выпускаются периодически через 2-4 ч в ковши. Нагрев и плавление шихты в ферросплавной печи происходит под действием тепла электрических дуг, возникающих между угольными электродами и металлической ванной. Дуги в таких печах горят под слоем шихты, поэтому их называют закрытыми. Как правило, восстановителем в электротермическом процессе является углерод.
Отечественная металлургия производит широкую гамму различных ферросплавов: феррованадий, ферровольфрам, ферромолибден, феррониобий, ферросиликомарганец, ферросиликохром, силикокальций и др.
Ниже приведены некоторые технологические данные, характеризующие производство наиболее распространенных ферросплавов ферросилиция (FeSi), ферромарганца (FeMn), феррохрома (FeCr) - табл. 5.6.
Все эти ферросплавы получают в электрических дуговых печах (с углеродистой футеровкой), работающих в непрерывном режиме. Кремний, марганец, хром относятся к трудновосстановимым металлам, поэтому процесс ведут при высоких температурах. Так, при производстве FeSi температура в пространстве печи около 1700°С. В этих условиях степень восстановления составляет: SiО2 - 98%; FeO - 99%; Al2О3 - 10-55%; Р2О5 - 100%. Восстановленные кремний и железо переходят в сплав практически полностью, а алюминий, кальций, фосфор - наполовину (другая половина испаряется).
Таблица 5.6
Удельные расходы шихтовых материалов и электроэнергии при выплавке ферросплавов
Примечание. Содержание в сплавах, %: Si – 75; Mn – 75; Cr – 65.
В FeMn и FeCr довольно активно растворяется углерод шихты, содержание которого в этих сплавах достигает 7-8%. Такие сплавы называются углеродистыми.
При необходимости получения безуглеродистых ферросплавов используют металлотермический способ восстановления.
В этом случае в качестве восстановителей обычно используют кремний, алюминий или их смеси. При производстве ферросплавов этим способом процесс ведут обычно в плавильных горнах, где необходимое для процесса тепло выделяется в ходе экзотермических реакций окисления кремния или алюминия.
Очень важным для достижения хороших результатов металлотермического процесса является создание в зоне реакции температур, достаточных для плавления продуктов реакции: восстановленного металла (сплава) и оксидной (шлаковой) фазы. Взаимодействие в расплавах обеспечивает не только высокую полноту протекания восстановительных процессов, но и последующее хорошее разделение металла и шлака. Ориентировочные расчеты показывают, что необходимое для этого количество тепла составляет 2400-2500 Дж/г материала. Если количество выделяющегося тепла (в результате экзотермической реакции восстановления) значительно превышает указанную величину, процесс носит неуправляемый взрывоопасный характер. В этом случае в шихту вводят теплопоглощающие компоненты (шлак, флюсы и др.). Если же выделяющегося в ходе основной реакции восстановления тепла не хватает, то процесс ведут в электродуговых печах, а при внепечном способе металлотермического восстановления в шихту вводят термитные смеси (аммиачную селитру NH4NО3 с железом или алюминием).
Представление о технологических показателях металлотермического получения феррованадия дают следующие цифры. Для производства 1 т 40- 50%-ного феррованадия расходуют технического пентоксида ванадия (V2О5) - 990 кг, ферросилиция ФС75 - 415 кг, алюминия - 100 кг (ферросилиций и алюминий используют в качестве восстановителей), извести - 1500 кг, железной обрези - 200 кг; удельный расход электроэнергии - 2 МВтч. В разделе 5.4.4 приведено описание установки и технологического процесса получения ферротитана внепечным алюмотермическим способом.