Кратко определяя, что такое ферросплавы и их применение, можно сказать – это категория соединений на основе или с присутствием железа, преимущественно используемых под легирование стали. Существует две причины востребованности подобных сплавов. Во-первых, технологически, легирование ферросплавами обходится дешевле, чем применение чистых металлов. Во-вторых, получаемые сплавы железа характеризуются более низкими температурами плавления, что упрощает процесс легирования стали. Ферросплавы (англ. – ferroalloys) очень востребованы в мировой металлургии.
Производство ферросплавов
Сырьевая база этого технологического процесса представляет собой разнообразные руды или концентраты. В частности, руда востребована в производстве следующих групп соединений:
- ферросилиций;
- феррохром;
- ферромарганец.
Причина тому – высокий процент окислов элемента, подлежащего восстановлению в составе руд. Напротив, металлургия ферросплавов железа и тугоплавких металлов использует в качестве сырья рудные концентраты. Это связано с низкой концентрацией полезных элементов. Чтобы повысить эффективность, руду предварительно обогащают, получая из нее концентрат требуемого окисла.
Как видно, в основе производства ферросплавов лежит реакция восстановления. Это задает определенные требования по выбору реагентов:
- Восстановителем должен быть элемент, характеризующийся более высокой химической совместимостью с кислородом (способностью образовывать оксиды), чем извлекаемое вещество.
- Протекание реакции с присутствием железа, его окислов.
Второе условие обусловлено способностью железа, понижать активность элементов, в частности препятствовать их окислению.
Современная технология производства ферросплавов
К настоящему времени, существует три восстановительные методики получения легирующих соединений на основе железа. Сюда относятся:
- Углевосстановительный способ.
- Силикотермическая обработка.
- Алюминотермическая технология.
Первый вариант применяется в производстве ферромарганца, а также сплавов железа с кремнием и хромом. Считается наиболее дешевой технологией, а сама восстановительная реакция относится к типу эндотермичных. Как результат, процесс проходит с постоянным подводом тепла, генерируемого электрическими дугами. Отличительные особенности углевосстановительной методики: непрерывная подача шихты и работа трансформаторов в интервале мощностей 10 – 115 МВхА. Продукт плавки при этом выпускается из печи периодически.
Термические способы производства ферросплавов также проходят внутри ферросплавных печей. Однако требуемые мощности трансформаторов при этих процессов существенно ниже – до 7 МВхА. Таким способом производятся низкоуглеродистые ферросплавы. В частности ферромарганец соединения лигатуры с тугоплавкими металлами, цирконием, бором.
Альтернативно, выплавка ферросплавов может производиться в футерованных горнах. Основное условие для этого – выделяемого тепла должно быть достаточно под расплавление металла и шлака.
Ферросплавы – свойства и типы соединений
Рассматривая характеристики соединений, где ведущим элементом выступает железо, необходимо остановиться на их классификации. Существует две основные группы, которые образуют ферросплавы – виды большие и малые.
В первый класс массового применения входят соединения:
- кремнистые, включая все разновидности ферросилиция;
- марганцевые, независимо от содержания углерода, металлический, азотированный и силико-марганец;
- хромистые, включая лигатуры сложных композиций с участием Cr.
К специализированной группе относятся:
- ферро- вольфрам, молибден и ванадий;
- соединения с щелочноземельными металлами, а также ряд комплексных составов Fe-Si-Mg-Ca, Si-B-Fe и прочие;
- феррониобий и сложные системы на его основе;
- ферротитан;
- ферробор, ферроборал, прочие лигатуры с В;
- сплавы с алюминием, редкоземельными металлами;
- феррокобальт;
- ферроникель.
Важную роль для ферросплавов, свойств соединений играет основный компонент состава, именуемый как ведущий элемент. На основе степени его восстановления вырабатывается технология производства соединения, ее эффективность.
На физико-химические свойства, характеризующие ферросплавы, состав, точнее ведущий элемент, также играет определяющую роль. В частности, важным оказывается строение электронных оболочек, модификация конфигурации которых приводит к изменению температуры плавления. Эта характеристика особенно важна, определяя назначение ферросплавов, как легирующих и раскисляющих соединений в ряде отраслей:
- изготовление сварочных электродов;
- модификация свойств чугуна, стали;
- производство получение ряда химических соединений, используемых при обогащении полезных ископаемых.
Альтернативно, для чего нужны ферросплавы – так это получение элементов высокой степени чистоты. Тут железосодержащие соединения используются как восстановители. Отдельным классом выступает продукция с внедрением азота.
Азотированные ферросплавы
Предназначение соединений – обеспечение легирования стали молекулами N. Как пример можно привести применение азотированного феррохрома при получении нержавеющей высокохромистой стали. Следует добавить, что применение азотированных ферросплавов в литейном производстве на базе хрома, регулярно увеличивается. Причина тому – повышение растворимости азота в металле, именно, благодаря присутствию Cr. Таким образом, азотированные ферросплавы обеспечивают максимальное усваивание сталью, содержащегося в них N.
Наряду с феррохромом существует ряд других соединений, используемых в металлургии:
- Азотированный ферросплав марганца и феррованадий применяется в производстве высокопрочной стали, нержавейки, а также быстрорежущих марок.
- Ферросилиций востребован под изготовление любых видов стальной продукции, легированной кремнием. Наиболее эффективна лигатура для выплавки электротехнической стали.
Что касается отечественного рынка азотированных соединений, то производство ферросплавов в России дополнительно ориентировано на такие отрасли:
- изготовление сварочных и наплавочных электродов;
- нанесение износостойких покрытий;
- выпуск пленочных нагревателей;
- получение катализаторов, прочих химических веществ.
