Ферросплав

Ферросплав — это сплав железа с одним или несколькими химическими элементами (легирующими), предназначенный для введения этих элементов в жидкий металл в процессе выплавки стали и других сплавов. Основная цель применения ферросплавов — легирование (придание стали заданных механических, физических и химических свойств) и раскисление (удаление избыточного кислорода из расплава). Ферросплавы являются промежуточными продуктами металлургического производства, так как их температура плавления, как правило, ниже, чем у чистых легирующих элементов, что облегчает их растворение в стали.

История

Производство ферросплавов неразрывно связано с развитием металлургии стали. До середины XIX века легирование стали было затруднено из-за высокой температуры плавления большинства чистых металлов (например, марганца, хрома, кремния). Первым промышленно значимым ферросплавом стал ферромарганец. В 1860-х годах британский металлург Роберт Мюшетт разработал способ получения сплава железа с марганцем в доменной печи. Этот сплав, названный «спигель» (нем. Spiegel — зеркало, из-за блестящего излома), позволил эффективно раскислять сталь и связывать серу.

Ключевым этапом стало изобретение в 1890-х годах электродуговой печи для производства ферросплавов французским инженером Анри Муассаном и шведским учёным Фредериком Шёльдом. Электрическая печь позволила достигать температур, достаточных для восстановления тугоплавких элементов (кремния, хрома, вольфрама) из их оксидов. В начале XX века, с развитием электроэнергетики, началось промышленное производство ферросилиция, феррохрома и ферровольфрама. В СССР массовое производство ферросплавов было организовано в 1930-е годы в рамках индустриализации. Крупнейшие заводы (Челябинский, Серовский, Запорожский) были построены для обеспечения растущих потребностей оборонной и машиностроительной промышленности.

Классификация

Ферросплавы классифицируются по нескольким признакам: по основному легирующему элементу, по способу производства и по содержанию углерода.

По основному легирующему элементу

Это наиболее распространённая классификация. Выделяют следующие группы:

Кремнистые (ферросилиций, силикомарганец, силикокальций). Используются для раскисления и легирования стали кремнием.
Марганцовистые (ферромарганец, силикомарганец, металлический марганец). Применяются для раскисления, связывания серы и легирования.
Хромистые (феррохром, ферросиликохром). Основной источник хрома для нержавеющих, жаропрочных и инструментальных сталей.
Вольфрамовые (ферровольфрам). Вводят вольфрам для повышения твёрдости, красностойкости и износостойкости (быстрорежущие стали).
Ванадиевые (феррованадий). Используется для легирования ванадием, улучшающим прочность, ударную вязкость и измельчающим структуру зерна.
Титановые (ферротитан). Применяется для раскисления, связывания азота и легирования титаном.
Молибденовые (ферромолибден). Вводит молибден, повышающий прокаливаемость, прочность и коррозионную стойкость.
Ниобиевые (феррониобий). Используется в производстве низколегированных и нержавеющих сталей для повышения прочности и свариваемости.
Борсодержащие (ферробор). В малых количествах резко повышает прокаливаемость стали.
Комплексные (силикомарганец, силикокальций, ферросиликохром, ферросиликоалюминий). Содержат два и более легирующих элемента, что позволяет одновременно вводить несколько компонентов.

По способу производства

Доменные (выплавляются в доменных печах). В основном это передельный ферромарганец и ферросилиций с низким содержанием кремния. Процесс менее энергоёмкий, но даёт продукт с повышенным содержанием углерода.
Электротермические (выплавляются в руднотермических (электродуговых) печах). Это основной способ производства большинства ферросплавов (ферросилиция, феррохрома, ферромарганца, ферровольфрама). Позволяет получать сплавы с высоким содержанием легирующего элемента и низким содержанием углерода.
Алюминотермические (получаются путём восстановления оксидов металлов алюминием). Применяется для получения ферросплавов с очень низким содержанием углерода (например, низкоуглеродистого феррохрома) и сплавов тугоплавких металлов (ферротитан, ферромолибден).

По содержанию углерода

Высокоуглеродистые (содержание углерода более 2–4 %). Типичны для доменного и электротермического процессов без специального рафинирования.
Среднеуглеродистые (0,5–2 %). Получают путём рафинирования или переплава.
Низкоуглеродистые (менее 0,5 %). Производятся силикотермическим или алюминотермическим способами. Используются для легирования сталей с низким содержанием углерода (например, нержавеющих).

Устройство и технология производства

Основным агрегатом для производства ферросплавов является руднотермическая печь (РТП). Это электрическая печь, в которой электрическая дуга горит между электродами и шихтой (смесью руды, углеродистого восстановителя и флюса). Конструкция печи включает:

Ванна (кожух с футеровкой из огнеупорного кирпича).
Электроды (обычно графитированные или самоспекающиеся, погружённые в шихту).
Механизм перемещения электродов (для регулирования глубины погружения).
Система газоочистки (для улавливания и очистки отходящих газов, содержащих CO, SiO₂ и другие компоненты).

Технологический процесс состоит из следующих этапов:

Подготовка шихты. Руды (оксиды металлов) дробятся, усредняются, смешиваются с восстановителем (кокс, уголь, древесный уголь) и флюсом (известняк, кварцит).
Загрузка в печь. Шихта непрерывно или периодически подаётся в ванну.
Плавка. Под действием электрической дуги (температура до 2000–2500 °C) происходит восстановление оксидов металлов углеродом (или кремнием, алюминием). Железо, восстанавливаясь, растворяет легирующий элемент, образуя сплав.
Выпуск. Расплавленный ферросплав периодически (каждые 1–2 часа) выпускают через лётку в ковш или на разливочную машину.
Разливка и дробление. Расплав разливают в изложницы, после застывания слитки дробят на куски заданного размера (от 10 до 100 мм) и упаковывают.

Применение

Основными потребителями ферросплавов являются предприятия чёрной металлургии. Ферросплавы используются на двух ключевых этапах производства стали:

Раскисление. В жидкой стали после конвертерного или мартеновского процесса содержится растворённый кислород, который вызывает хрупкость и ухудшает качество металла. Для его удаления вводят элементы с высоким сродством к кислороду: кремний (в виде ферросилиция), марганец (в виде ферромарганца), алюминий (в виде алюминиевой катанки или ферросиликоалюминия). Продукты реакции (оксиды SiO₂, MnO, Al₂O₃) всплывают в шлак.
Легирование. Для придания стали специальных свойств в неё вводят легирующие элементы. Например, хром (феррохром) обеспечивает коррозионную стойкость (нержавеющие стали), вольфрам (ферровольфрам) — красностойкость (быстрорежущие стали), ванадий (феррованадий) — прочность и ударную вязкость (рельсовые стали, трубопроводы).

Кроме чёрной металлургии, ферросплавы используются:

в производстве сварочных электродов и флюсов (в составе покрытий);
в литейном производстве (для модифицирования чугуна);
в химической промышленности (для получения некоторых соединений, например, ферросилиций используется в производстве водорода).

Крупнейшие производители и рынок

Мировой рынок ферросплавов оценивается в десятки миллионов тонн в год. Крупнейшими производителями являются Китай (около 60 % мирового производства), ЮАР, Украина, Россия, Казахстан, Индия и Бразилия. В России основными центрами производства ферросплавов являются:

Челябинский электрометаллургический комбинат (ЧЭМК) — крупнейший производитель ферросилиция, феррохрома и ферромарганца в России.
Серовский завод ферросплавов (Свердловская область) — специализируется на феррохроме и ферросилиции.
Ключевский завод ферросплавов (Свердловская область) — производит ферротитан, ферромолибден, феррованадий.
Тулачермет-Сталь (Тульская область) — производит ферромарганец.

Рынок ферросплавов характеризуется высокой волатильностью цен, зависящей от стоимости сырья (руды, кокса, электроэнергии) и спроса со стороны сталелитейной промышленности.

Интересные факты

Ферросилиций с содержанием кремния около 75 % обладает свойством пирофорности — при ударе или трении он может искрить, что используется в производстве «кремниевых» зажигалок.
Феррохром с низким содержанием углерода (менее 0,03 %) называют «рафинированным» и используют для производства особо чистых нержавеющих сталей.
В 1930-х годах в СССР была разработана технология выплавки ферросплавов в закрытых печах, что позволило улавливать отходящие газы (CO) и использовать их как топливо.
Ферромарганец является одним из самых массовых ферросплавов — его мировое производство превышает 10 миллионов тонн в год.

Источники

Металлургия стали: учебник для вузов / под ред. В. И. Явойского. — М.: Металлургия, 1973.
Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Мир, 2003.
Справочник по ферросплавам / под ред. В. П. Елютина. — М.: Металлургия, 1965.
ГОСТ 1415-93 «Ферросилиций. Технические условия».
ГОСТ 4757-91 «Феррохром. Технические условия».
Статистические данные Международной ассоциации производителей ферросплавов (IMFA).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →