Получение комплексных ферросплавов из минерального сырья Казахстана

Получение комплексных ферросплавов из минерального сырья Казахстана

Друинский М.И., Жучков В.И.

Наука, 1988 г.

 

КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЛЕКСНЫХ

ФЕРРОСПЛАВОВ

 

1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ФЕРРОСПЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Металлургия ферросплавов характеризуется большой номенклатурой продукции, связанной с многообразием элементов и композиций, разнообразием технологий и агрегатов для получения ферросплавов, промежуточным положением между сырьевой базой и потребителем, зависимостью от их возможностей и требований.

Основными задачами науки и практики ферросплавного производства на ближайшие годы являются:

— увеличение мощности, совершенствование и разработка новых типов электропечей, в первую очередь руднотермических;

— применение безотходных процессов с максимальным извлечением ведущих элементов;

— использование рациональных   приемов   подготовки шихтовых материалов к плавке, разливки и сортировки ферросплавов;

— улучшение качественных характеристик   и сортамента ферросплавов;

— применение комплексной механизации и автоматизации ферросплавных агрегатов и цехов.

Тенденция увеличения мощности руднотермических ферросплавных печей наблюдалась практически во всех странах, за последние 10 лет единичная мощность печей возросла в 2—3 раза. Средняя мощность электропечи в СССР в 1970 г. составляла всего 12,7 ΜΒА, а вводимых в производство до 2000 г. составит около 40 MBА. Однако при повышении мощности возникают серьезные трудности: рост мощности происходит в основном за счет увеличения силы тока; уменьшается активное сопротивление ванны и увеличивается индуктивность печного контура, что приводит к снижению коэффициента мощности; ухудшаются условия эксплуатации электродов большого диаметра (более 2 м); усложняются условия протекания процесса, приводящие к снижению извлечения ведущих элементов и качества продукции; ужесточаются условия работы печного оборудования.

Повышению эффективности комплексной глубокой переработки сырья в ферросплавном производстве способствуют: применение подготовленной шихты (брикетированных совместно руды и восстановителя, предварительно восстановленной шихты), а также новых видов флюсов, увеличивающих активность элементов в шлаке, например щелочесодержащих флюсов; довосстановление отвальных шлаков; уменьшение механических потерь полезных компонентов при подготовке, транспортировке шихты, разливке и разделке сплавов и т. д.

Мало внимания уделяется подготовке шихты, разливке и сортировке полученных ферросплавов. В нашей стране практически не применяются окускованные материалы. В то же время за рубежом (США, Япония, ЮАР) брикетированную шихту используют для получения хромистых сплавов, ферросилиция. Эксперименты, проведенные советскими исследователями (А. П. Ем, С. И. Хитрик, А. Т. Хвичия и др.), показали эффективность применения брикетированной шихты при производстве ферросилиция, марганцевых и других ферросплавов.

Модернизация разливки поможет не только снизить отходы металла, улучшить качество слитка, но и повысить культуру производства, механизировать ручной труд.

Рациональное потребление ферросплавов, уменьшение их расхода и более стабильное усвоение сталью и чугуном требуют дробления и поставки ферросплавов по классам.

Несмотря на то что ферросплавы не применяются в качестве металлоизделий, от их состава и свойств (в основном потребительских) в значительной мере зависит качество основных конструкционных материалов — стали и чугуна.

В последние годы развитие конвертерного производства и связанного с ним ковшевого легирования, раскисления и модифицирования стали, выпуск высокопрочного чугуна вызвали во всем мире необходимость получения специальных комплексных ферросплавов. Однако в нашей стране их производство в промышленных масштабах не достигло нужного объема.

Механизация и автоматизация ферросплавного производства позволяют не только избавляться от тяжелых операций, но и увеличивать производительность агрегатов. Автоматизация только плавильных агрегатов может увеличить их производительность и снизить удельный расход электроэнергии за счет более ровного хода печи, устойчивого электрического режима до 10%.

 

2. КОМПЛЕКСНЫЕ ФЕРРОСПЛАВЫ

 

Качественные характеристики ферросплавов их сортамент и методы определения оптимального состава тесно связаны с качеством продукции черной металлургии и литейного производства, которые определяют требования к ферросплавам.

Наращивать производство стали предполагается путем развития кислородно-конвертерного и электросталеплавильного способов, расширения методов специального переплава и внепечной обработки металла. Проблема качества стали на стадии ее получения будет решаться путем выпуска массовых видов продукции с повышенным уровнем свойств за счет не только традиционного легирования, но и модифицирования редкоземельными и щелочноземельными металлами (ЩЗМ), повышения однородности и чистоты металла по вредным примесям [1].

При выплавке стали в кислородных конвертерах раскисление и легирование металла стремятся производить полностью в ковше, поскольку это уменьшает угар легирующих элементов и повышает производительность конвертера. Перенесение присадки ферросплавов из печи в ковш при выплавке углеродистой и низколегированной стали в мартеновских и электродуговых печах сопровождается повышением их производительности на 2—10%, понижением угара марганца π хрома в 1,5—2 раза, снижением содержания водорода и фосфора, улучшением макроструктуры, повышением пластичности и ударной вязкости стали [2]. Однако максимальное количество вводимых в ковш твердых ферросплавов может составлять не более 2—4% от массы стали из-за длительного растворения и неравномерного распределения элементов сплава в ковше, вызванного дефицитом тепла, необходимого для нагрева, расплавления и растворения ферросплавов. В связи с этим требуются ферросплавы, пригодные по своим служебным характеристикам для обработки жидкой стали в ковше.

В XII пятилетке и в последующие годы планируется увеличение выпуска литых деталей из чугуна и стали. Самое большое внимание будет уделяться качеству литья, проблеме снижения массы отливок, утоньшения их стенок. Однако постоянный дефицит кондиционных шихтовых материалов, переход на синтетический литейный чугун (из передельного с обработкой ферросилицием) и ряд других негативных причин затрудняют решение этих важных задач. Следует отметить, что до настоящего времени чугуна высокого качества, особенно высокопрочного (ВЧ), в нашей стране выпускается недостаточно.

Одним из основных путей увеличения выпуска чугуна высокого качества является расширение его   модифицирования,   для чего необходим выпуск достаточного количества ферросплавов-модификаторов, оптимального для каждой группы чугунов состава.

Таким образом, для коренного улучшения качества стали и чугуна необходимо иметь специальные ферросплавы, в первую очередь комплексные, обладающие необходимыми служебными характеристиками.

Комплексные (многокомпонентные) ферросплавы могут быть или только раскислителем (модификатором, легирующим сплавом), или совокупностью раскислителя и легирующего сплава, модификатора и раскислителя и т. д. Основу комплексных сплавов составляют железо, кремний, никель, алюминий и др.

С увеличением числа элементов в сплавах последние утрачивают универсализм. В то же время повышенное число компонентов позволяет легче получить требуемые служебные характеристики, снизить число присаживаемых марок сплавов.

Процесс получения комплексных сплавов имеет положительные и отрицательные стороны: расширяется рудная база их производства, поскольку в него могут вовлекаться более бедные и комплексные руды, появляется возможность более гибкого регулирования технологических параметров процесса (подбор вязкости, температуры плавления шлака и сплава, электросопротивления шихты и т. д.), однако ограничено количество теоретических и экспериментальных данных о физико-химических свойствах многокомпонентных металлических и оксидных систем, механизме и кинетике восстановления сложных шихт, затрудняется организация промышленного производства (хранение, дозировка повышенного количества компонентов шихты, ее расчетов) и т. д.

Совершенно очевидно, что преимущества комплексных ферросплавов существеннее их слабых сторон, о чем говорит и длительная практика их получения и применения. Продукция ферросплавного производства должна иметь оптимальное соотношение между двухкомпонентными ферросплавами (FeSi, Fe—Мn, Fe—Сr и др.) и комплексными сплавами.

Несмотря на значительную потребность в комплексных ферросплавах, они не получили широкого промышленного внедрения. Это связано в первую очередь с отсутствием обоснованного метода определения рационального состава комплексных и простых ферросплавов, критериев, по которым он находится, эффективной технологии получения сплавов.

Изучением физико-химических характеристик ферросплавов занимались многие авторы —И. П. Казачков, Б. М. Лепинских, М. И. Гаснк и др. [2—8].

Большинство исследователей при выборе оптимального состава ферросплавов исходят из их действия на качество и свойства обрабатываемого металла. По мнению [2], для выбора состава лигатур кроме сведений о механических и технологических свойствах стали представляют интерес данные о раскислительной способности лигатур. Есть мнение, что при разработке составов комплексных модификаторов необходимо учитывать особенности влияния входящих в них элементов на процессы структурообразования обрабатываемого металла, обусловленные различным сродством модификаторов к кислороду, сере, отличием в термодинамической активности на литую структуру, жидкотекучесть, физико-механические и другие свойства металла.

Ряд авторов при определении состава ферросплавов учитывают следующее: температуру плавления, плотность, технологические особенности и экономичность их получения, рассыпаемость, токсичность.

Предлагается и комплексный подход к выбору состава ферросплавов. Так, для определения эффективности воздействия активных элементов (ЩЗМ, Al, Si) А. С. Дубровин использовал величины упругости их паров и тепловых эффектов взаимодействия с другими элементами наряду с данными о технологических, экономических и экологических характеристиках. Ю. Я. Скок и др. об эффективности состава ферросплава судили по его влиянию на качество поверхности и макроструктуру заготовок, выход годной продукции, неметаллические включения, механические свойства стали, остаточное содержание в ней элементов сплава и примесей. Учитывались также плотность сплава, усвоение основных компонентов, методы введения в сталь. В. Е. Власенко считает, что при разработке новых марок ферросплавов кроме известных физико-химических характеристик сплава (температуры плавления, плотности) следует учитывать такие факторы, как экономическая эффективность и технологичность выплавки, потребность в сплаве, его усвоение, раскислительная способность, тенденция развития сталеплавильных процессов и др. По мнению [3], выбор оптимального состава комплексных сплавов возможен с учетом поведения составляющих сплава в жидком металле, степени их сродства к кислороду и другим элементам, распределения продуктов окисления и снижения температуры жидкой стали. Наиболее разносторонний и глубокий подход к выбору новых марок комплексных сплавов содержится в работах И. П. Казачкова [4], который учитывает тепловой эффект присадки ферросплавов в сталь, скорость их плавления в ковше, температуру плавления и плотность сплавов, их химическое взаимодействие с кислородом и азотом и очищение стали от неметаллических включений.

Комплексный подход при выборе состава ферросплава, безусловно, является наиболее целесообразным. Однако такой подход, за редким исключением, не использовался на практике из-за отсутствия общепринятой схемы и трудности определения некоторых физико-химических характеристик.

 

3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ФЕРРОСПЛАВАМ

 

Специфика получения и использования ферросплавов предъявляет к их качеству определенные требования.

Влитературе отсутствует перечень требований, которыми должны обладать ферросплавы по условиям плавки и разливки. В отдельных случаях упоминается о необходимости иметь плотность ферросплава более высокую, чем у шлака, а также минимальную ликвацию элементов при остывании и кристаллизации сплава.

О требованиях к ферросплавам со стороны потребителей сведения в литературе достаточно многочисленны. В первую очередь, они относятся к химическому составу ферросплавов по содержанию сопутствующих примесей и пределам ведущих элементов. А. Н. Морозов и С. И. Хитрик [5] справедливо отмечают, что пределы содержания сопутствующих примесей в ферросплаве каждого сорта должны быть в соответствии с его технологическим назначением и экономическими соображениями. Содержание ведущего элемента следует выдерживать стабильным, регламентируемыми сопутствующими примесями являются углерод, сера, фосфор, азот, цветные металлы (Zn, Sri, Си, Bi, Sb, Pb, As), дополнительные требования относятся к содержанию неметаллических включений, кислорода и водорода.

Физико-механическим характеристикам ферросплавов стали уделять внимание в связи с применением сортированных и порошкообразных ферросплавов, их дроблением, гранулированием [6].

Другие требования к ферросплавам можно свести к следующему:

1) содержание основного (ведущего) элемента необходимо иметь максимальным [7];

2) легирующие элементы должны иметь минимальное, а элементы-раскислители — максимальное сродство к кислороду [7], в комплексных раскислителях следует иметь элементы, обладающие разным сродством к кислороду [3, 4];

3) температуру плавления ферросплава рационально принимать ниже температуры кристаллизации обрабатываемого металла или ниже, чем температура стали в ковше [3, 4];

4) плотность ферросплава должна быть равной [4, 7] или более высокой [3], чем у обрабатываемого металла;

5) тепловой эффект взаимодействия ферросплавов с жидкой сталью не должен приводить к значительному охлаждению последней [3, 4];

6) продолжительность растворения составляющих сплава в жидком металле должна быть минимальной [3, 4].

Большинство приведенных требований основаны на длительной практике использования ферросплавов, и с ними следует согласиться. Однако в литературе отсутствуют сведения о некоторых характеристиках, в ряде случаев данные разноречивы (п. 2—4) или спорны (п. 1).

Нельзя согласиться с распространенной рекомендацией о необходимости иметь в сплаве максимальное содержание основного элемента, предполагающей снижение затрат тепла на расплавление ферросплава и содержания в стали других элементов. Однако снизить затраты тепла на усвоение ферросплава можно введением в его состав кремния, алюминия, титана. Кроме того, при вводе элемента, содержание которого в стали мало (например, при микролегировании), целесообразнее применять сплавы с пониженной концентрацией этого элемента, поскольку увеличится количество вводимого ферросплава и создадутся условия для более равномерного и стабильного растворения элемента. Это положение подтвердилось на практике, например для сплавов с бором и ниобием.

Исходя из результатов наших исследований и литературных данных были сформулированы основные требования к ферросплавам с точки зрения их получения и использования [8]:

1. Оптимальная температура плавления (начала кристаллизации) ферросплавов, предназначенных для обработки стали,— 1350—1400°С, для обработки чугуна — 1150—1200.

2. Оптимальная плотность промышленных ферросплавов — от 5000 до 7000 кг/м3.

3. Ведущие элементы для лучшего усвоения должны слабо окисляться кислородом воздуха, для этого в комплексном ферросплаве желательно иметь недорогие элементы с большей окисляемостью и поверхностной активностью, чем у основных компонентов сплава.

4. В сплаве, предназначенном для микролегирования, целесообразно снижать содержание ведущего элемента до 10—25%, а в отдельных случаях — до 2—5.

5. Время плавления и растворения ферросплава в обрабатываемом металле должно быть минимальным.

6. В комплексных раскислителях следует иметь элементы, обладающие разным сродством к кислороду и обеспечивающие максимальное удаление, измельчение и глобуляризацию неметаллических включений.

7. Тепловой эффект взаимодействия ферросплава с жидким металлом должен приводить к минимальному охлаждению последнего.

8. Необходимо, чтобы ферросплавы обладали механической прочностью, обеспечивающей удовлетворительную дробимость при образовании минимума мелких фракций, низкими значениями пористости, рассыпаемости и ликвации элементов в слитке, удовлетворяющими потребителя гранулометрическим составом и внешним видом,

9. Ферросплавы обязаны отвечать требованиям санитарной и пожаро- и взрывобезонасности.

10. Состав ферросплава должен находиться в соответствии с экономической эффективностью и технологическими особенностями его получения и использования.