Виды и особенности ферросплавных процессов

Для производства ферросплавов характерно многообразие применяемых технологических приемов. Это вызвано различием физико-химических свойств элементов, входящих в состав сплавов или получаемых в технически чистом виде.

Классификация способов получения ферросплавов по виду используемого агрегата: 1 - электротермический; 2 - металлотермический; 3 - доменный; 4 - электролитический.

Электротермические способы осуществляются в энергетических установках, позволяющих преобразовывать электрическую энергию в тепловую, используемую для восстановления, плавления, нагрева металлов и сплавов, а также рафинирования их. Электротермические методы основаны на использовании дуговых электрических печей, в которых тепло выделяется при прохождении тока через газовый промежуток и шихтовые материалы, обладающие высоким электрическим сопротивлением. Сами процессы характеризуются возможностью получения высоких температур в области горения электрических дуг, химической нейтральностью источников тепла, возможностью осуществления процессов с любым составом газовой фазы (восстановительной, окислительной, нейтральной) и в вакууме, а также легко и быстро изменять мощность установки с полной автоматизацией ее работы.

Металлотермический способ основан на использовании тепла химических реакций восстановления оксидов алюминием, кремнием, кальцием. Процессы с применением алюминия могут проводиться без подвода электрической энергии, хотя в последние годы большая часть таких технологий предусматривает предварительное расплавление шихтовых материалов (оксидов) в дуговых электрических печах с целью интенсификации процесса, экономии дорогих восстановителей и более полного извлечения ведущих элементов из шихты в металл.

Металлотермические методы производства ферросплавов, сплавов и технически чистых металлов подразделяются в зависимости от типа применяемого восстановителя (алюминотермия, силикотермия, кальциетермия); в ряде случаев используются одновременно несколько восстановителей.

Ферросплавы, сплавы металлов, выплавленные металлотермическим методом, характеризуются низким содержанием углерода и ряда других примесей; при этом легко получить сплавы с низким содержанием железа на основе хрома, титана, никеля и других металлов. Процессы выплавки характеризуются высоким извлечением ведущих элементов, небольшими капитальными затратами на строительство цехов и необходимых установок.

Если количество тепла, которое выделяется при металлотермической реакции, достаточно для расплавления металла и шлака, для их нагрева до требуемой температуры и компенсации тепловых потерь металлотермическую плавку проводят не в электрических печах, а в шахтах или горнах, к которым энергия не подводится. Такой способ называется внепечным способом производства ферросплавов. Для определения возможности осуществления внепечного способа плавки необходимо рассчитать тепловой баланс плавки. Для ориентировочной оценки возможности металлотермического процесса можно пользоваться правилом С. Ф. Жемчужного. Согласно этому правилу, металлотермический процесс может быть осуществлен без внешнего подогрева, если количество тепла, выделяемого металлотермической реакцией, превышает 550 кал (~2300 Дж) на 1 г шихты.

Электролитические способы основаны на электролизе водных растворов или расплавленных солей и используются для получения особо чистых металлов. Однако это связано с расходом значительного количества электроэнергии и необходимостью применения особо чистых материалов.

Доменный процесс позволил впервые получать необходимые ферросплавы (с марганцем, кремнием и хромом), но он требует значительного расхода высококачественного кокса, а получаемые сплавы содержат много углерода. Недостатком доменной плавки является также невозможность достижения высоких температур вследствие образования большого количества газов и потерь с ними тепла.

В последние годы получили развитие специальные методы производства ферросплавов в вакуумных печах сопротивления, индукционных печах и в конвертерах, позволяющие получать сплавы с особо низким содержанием углерода (0,03–0,01 % и менее), кислорода, водорода и неметаллических включений, а также азотированные ферросплавы с хромом, марганцем, ванадием и др.

Ферросплавные процессы подразделяются на непрерывные и периодические процессы.

Непрерывные процессы характеризуются непрерывной загрузкой шихты в рудовосстановительную электропечь с закрытым колошником и периодическим (или непрерывным) выпуском ферросплава и шлака. Шихта расположена в печи все время на определенном уровне. Электроды постоянно погружены в шихту, а выпуск металла и шлака ведется периодически или непрерывно.

При этом используют печи большой электрической мощности (16,5–75 MBА), а в качестве восстановителя применяют углеродные материалы.

Непрерывный процесс характеризуется рациональным использованием тепла, получаемого при подводе электрической энергии в ванну печи; расплав оксидов и металла всегда закрыт слоем шихты, потери тепла открытой поверхностью расплава отсутствуют. Тепло отходящих газов частично расходуется на нагрев шихтовых материалов, в результате этого в шихте идут процессы удаления летучих веществ, гидратной и гигроскопической влаги, начинаются процессы восстановления оксидов в твердых фазах, обеспечиваются теплом эндотермические реакции, протекающие на поверхности углеродистого восстановления при контакте конденсированных высших и газообразных низших оксидов элементов.

Непрерывные процессы осуществляются в основном в закрытых и герметических печах, оборудованных сводом, что обеспечивает улавливание и очистку отходящего газа (85–90% СО).

Периодические процессы ведут с использованием определенного количества шихтовых материалов, предназначенных для одной плавки. Загруженная в печь шихта полностью проплавляется с восстановлением оксидов ведущих элементов. Выпуск продуктов плавки (металла и шлака) ведут периодически; чаще всего выпускают из печи металл и шлак одновременно.

Электротермические процессы подразделяют на шлаковые и бесшлаковые процессы.

Относительное количество шлака при производстве ферросплавов определяют или в процентах по отношению к массе металла, или по кратности шлака, т. е. по соотношению массы шлака и металла. Обычно к бесшлаковым процессам относят выплавку ферросплавов, при которых количество шлака незначительно и составляет 3–10% от массы металла (например, выплавка кристаллического кремния, ферросилиция, силикокальция, силикоалюминия, ферросиликохрома).

Шлаковые процессы сопровождаются образованием значительного количества шлака. Кратность шлака может составлять 1,2–1,5 при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца и силикомарганца и 2,5–3,5 при получении феррохрома и металлического марганца силикотермическим способом.

Флюсовые и бесфлюсовые процессы. В качестве флюсов используют материалы, содержащие СаО, MgO и другие компоненты, образующие наиболее прочные химические соединения с оксидами — продуктами реакций восстановления. При этом уменьшается вязкость шлака, снижается (или повышается) температура плавления шлака, уменьшается концентрация в сплаве примесей, что приводит к более полному извлечению ведущего элемента и повышению качества ферросплава. Возможна электропечная плавка и бесфлюсовым методом. При этом снижается расход электроэнергии и увеличивается производительность печи, но степень восстановления ведущего элемента уменьшается. Шлак содержит значительное количество оксидов ведущего элемента, и его обычно используют для выплавки ферросплавов углеродовосстановительным способом. При этом уменьшается расход флюса и повышается сквозное использование ведущего элемента. Однако бесфлюсовый способ может быть осуществлен при условии использования высококачественных руд и концентратов.

В зависимости от используемого восстановителя процессы производства ферросплавов классифицируются на углеродовосстановительные, силикотермические и алюминотермические.

При углеродовосстановительных процессах восстановителем оксидов является углерод. Углерод является универсальным восстановителем. Углеродом могут восстанавливаться оксиды всех элементов (включая такие прочные оксиды, как кремнезем и глинозем) 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 происхождения. Углеродовосстановительным способом получают ферромарганец, феррохром, а также кремнистые ферросплавы – ферросилиций, ферросиликохром, силикомарганец и др.

К недостаткам углерода как восстановителя относятся:

1. высокое содержание углерода в получаемых ферросплавах, поскольку при восстановлении оксидов образуются карбиды элементов и углерод, содержащийся в шихте, растворяется в получаемых ферросплавах, поэтому при небольшой концентрации кремния сплавы содержат повышенное количество углерода. Только кремнистые ферросплавы содержат мало углерода, что связано с низкой растворимостью углерода в кремнистых сплавах.

2. реакции восстановления оксидов протекают с поглощением большого количества тепла, поэтому требуется применение рудовосстановительных печей большой мощности и большие затраты электроэнергии.

В силикотермических процессах кремний в качестве восстановителя используют в виде силикомарганца, ферросилиция, ферросиликохрома и др., которые получаются восстановлением кремнезема углеродом.

Использование таких сплавов позволяет вводить в получаемый продукт силикотермической плавки ведущий элемент Me, восстановленный дешевым углеродом на первом переделе. В этом случае технологическая схема производства низкоуглеродистых ферросплавов включает стадию выплавки передельных сплавов: силикомарганца и ферросиликохрома. В некоторых случаях в качестве восстановителя при силикотермическом процессе применяют ферросилиций марок ФС75 или ФС65 (выплавка ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия и др.).

Кремний, обладающий достаточно высоким химическим сродством к кислороду, может служить восстановителем различных оксидов (Сr₂O₃, МnО, МоО₃, WO₃, V₂O₃ и др.). Восстановление оксидов кремнием сопровождается выделением тепла, которого, как правило, недостаточно для ведения внепечного силикотермического процесса, поэтому применяют электропечи небольшой мощности (2,5–7 МВА).

Печной силикотермический процесс получил применение для получения малоуглеродистых и безуглеродистых ферросплавов – ферромарганца, феррохрома и феррованадия; внепечной силикотермический процесс применяется для получения ферромолибдена.

Кремний как восстановитель имеет следующие недостатки:

1. вследствие образования кремнезема увеличивается количество шлака, при этом возрастает активность SiO₂, возникают прочные силикаты низших оксидов ведущего элемента; дальнейшее восстановление возможно при введении в шлак (шихту) оксидов с основными свойствами;

2. при температурах выплавки ферросплавов кремний образует с металлами растворы, обладающие отрицательными отклонениями от свойств идеальных растворов, что свидетельствует о прочности связи Me–Si и затрудняет получение сплавов с низкой концентрацией кремния;

3. высокую стоимость.

Алюминотермическое восстановление оксидов металлов имеет следующие основные особенности: выделение значительного количества тепла в результате протекания реакции восстановления и возможность проведения процессов без подвода тепла, вне печи. При этом достигаются очень высокие температуры (2400–2800 К), которые обеспечивают получение шлака и металла с температурой, превышающей начало кристаллизации, хорошее разделение металлической и шлаковой фаз, высокую скорость процесса.

При алюминотермических процессах для восстановления оксидов не требуется дополнительного подвода тепла (использования электропечи), за исключением особо прочных оксидов (например, получение ферросиликоциркония).

Алюминотермический (внепечной) процесс можно вести двумя способами: в горне (шахте, ковше) с верхним или с нижним запалом шихты.

К достоинствам алюминотермического процесса относятся:

1. восстановление оксидов металлов, имеющих высокую прочность при удовлетворительном извлечении их из шихты, поскольку алюминий обладает высоким химическим сродством к кислороду;

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 его интенсифицировать и уменьшить расход алюминия;

6. использование высокоглиноземистых шлаков для получения синтетических шлаков, а также клинкера высокоглиноземистого цемента;

7. возможность использования в шихте значительного количества металлических отходов металлов и сплавов (металлотермический переплав);

8. простота получения, хранения и применения алюминиевого порошка по сравнению с порошками кальция или магния.

К недостаткам алюминотермического процесса относятся:

1. высокая стоимость и дефицитность первичного алюминия;

2. возможность образования низших оксидов ведущих металлов, уменьшение термодинамической вероятности восстановления оксидов и извлечения металлов из шихты;

3. образование высокоглиноземистого шлака с высокой вязкостью, вызывающее потери восстановленного металла в виде корольков.