Получение комплексных ферросплавов из минерального сырья Казахстана

Друинский М.И., Жучков В.И.
Наука, 1988 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Получение комплексных ферросплавов из минерального сырья Казахстана

 

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.