Виды и особенности ферросплавных процессов

Ферросплавы получают из руд и концентратов путем восстановления. Восстановителями служат углерод, кремний и алюминий. Наиболее распространенным способом получения является углеродовосстановительный. Углерод является универсальным восстановителем, способным восстановить оксиды всех элементов (включая такие прочные, как кремнезем и глинозем) при высоких температурах, так как химическое сродство углерода к кислороду с ростом температуры увеличивается. В качестве восстановителей используют мелочь каменноугольного и нефтяного кокса. К восстановителю предъявляются следующие требования: низкая электропроводность (высокое электрическое сопротивление); высокая реакционная способность; достаточная механическая прочность; низкое содержание в золе вредных и шлакообразующих оксидов; невысокое содержание летучих; постоянная влажность; невысокая стоимость. Реакции углеродотермического восстановления являются эндотермические, протекают с поглощением большого количества тепла, поэтому требуется применение рудовосстановительных дуговых печей большой мощности и значительные затраты электроэнергии. Этот способ применяют в тех случаях, когда нет особых требований к содержанию углерода в сплавах.

Восстановление кремнием и алюминием носит название металлотермического способа. Таким способом можно получать безуглеродистые типы ферросплавов, либо сплавы с очень низким содержанием углерода (<0,03%) и других примесей. Металлотермический способ основывается на использовании тепла химических реакций восстановления оксидов. Процессы выплавки характеризуются высоким извлечением ведущих элементов, небольшими капитальными затратами на строительство цехов и необходимых установок.

Если количество теплоты, 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 ориентировочной оценки возможности металлотермического процесса можно пользоваться правилом С. Ф. Жемчужного: металлотермический процесс может быть осуществлен без внешнего подогрева, если количество теплоты, выделяемого металлотермической реакцией, превышает 550 кал (~2300 Дж) на 1 г шихты.

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

Восстановление оксидов кремнием сопровождается выделением теплоты, которой, 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. Вледствие 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. Высокая стоимость.

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

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. Получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей цветных металлов;

3. Простота технологии 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 уменьшить расход алюминия;

6. Использование образующихся 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 извлекаемых металлов, неполное восстановление оксидов и извлечение металлов из шихты;

3. Образование вязкого высокоглиноземистого шлака, вызывающее потери восстановленного металла в виде корольков.