Железосплавы (ферросплавы)

Железосплавы

ЖЕЛЕЗОСПЛАВЫ, ферросплавы, представляют собою сплавы железа и какого-либо второго металла из применяемых в сталеделательном и чугунолитейном производствах, как то: Mn, Si, Сr, W, Mo, V, Ti, U и др. Содержание их в железосплавах часто сильно преобладает над железом, доходя до 80—90%, но не редки также железосплавы с содержанием второго металла в 10—15%. Обычной составной частью железосплавов является углерод, в присутствии которого почти всегда производится выплавка их из руд. Содержание С в сплаве бывает тем больше, чем больше у второго металла способность к образованию карбидов; это содержание С колеблется в пределах от 3 до 8%. В случае надобности оно м. б. понижено до 0,5—1% путем переплавки сплавов с соответственными окислителями. Обычные примеси Fe-С-сплавов - Mn, Si, S и Р - также входят в состав железосплавов, причем содержание их зависит исключительно от чистоты применяемых при плавке материалов - руды, горючего, флюса и электродов, но чаще всего оно не превышает количеств, встречающихся в обыкновенных чугунах. Кроме того, в железосплавах находятся в небольших количествах (от 0,1 до 1%) необычные для Fe-C-сплавов примеси - Аl, Са, Mg; они входят в состав железосплавов в виде карбидов, особенно легко образующихся при выплавке их электротермическим процессом.

Железосплавы применяются в металлургии исключительно в качестве прибавок к стали и чугуну для улучшения тех или иных свойств готового металла. Особенное значение железосплавы имеют в производстве специальных сортов стали, в которые специальные примеси в определенном количестве удобнее всего вводить при помощи соответствующих железосплавов.

Железосплавы получаются путем прямого восстановления руд, содержащих кроме железа и второй металл, причем соотношение между ними может быть установлено произвольно, путем соответствующего обогащения руды или введения в нее железных окислов. Чаще всего указанное восстановление идет по простой схеме:

Jelezosplavy 1

где R означает второй металл железосплава, a m и n - коэффициенты, характеризующие соотношение железа и второго металла в шихте и в готовом железосплаве. Восстановление происходит при очень высоких температурах и, следовательно, с затратой больших количеств горючего или электрической энергии, в присутствии тугоплавких (основных) или легкоплавких (кислых) силикатов (шлаков). Наиболее простым и наиболее старым способом производства железосплавов является тигельный способ, при котором шихту из RO, FeO, С (в виде чистого горючего) и флюса выдерживают в графитовых тиглях при высокой температуре до полного восстановления металлов; по получении жидкого железосплава его выливают в металлические изложницы. Тигельный способ не требует сложного оборудования и м. б. осуществлен в любом масштабе; но он связан с очень большим расходом горючего, тиглей и рабочей силы и поэтому в настоящее время почти оставлен. Некоторые железосплавы выплавляются в обыкновенных доменных печах: это железосплавы массового потребления, получающиеся из легко восстановимых руд и плавящиеся при сравнительно умеренных температурах (зеркальный и кремнистый чугуны, ферромарганец, ферросилиций, силикошпигель и др.). Выплавка этих железосплавов также требует большого расхода горючего, тугоплавких шлаков и высокой температуры печи, что достигается соответствующим составом шихты и подогревом дутья до наивысшей возможной температуры. Но такая работа печи ведет к быстрому разъеданию печной кладки, засорению газопроводов и воздухонагревателей улетучивающимися металлами (марганец) и солями с последующим расстройством хода печи; поэтому продолжительность кампании печей, работающих на железосплавах, измеряется не годами, как при выплавке обыкновенных чугунов, а только месяцами, что делает сам способ выплавки железосплавов в доменных печах невыгодным. В настоящее время преобладающее значение получает электротермический способ выплавки железосплавов, особенно в странах с дешевой электрической энергией. При выплавке железосплавов в электрических  печах можно широко варьировать масштаб производства и получать железосплавы с любым содержанием второго металла, по сравнительно умеренной цене. Для выплавки железосплавов применяются исключительно дуговые печи, чаще всего с подвижным верхним электродом и неподвижным нижним, заделанным в под печи. Шихта, состоящая из соответствующей руды (RО + Fe2О3), угля и флюса, загружается сверху вокруг верхнего вертикального электрода, проходит в печи через зону высоких температур вольтовой дуги и подвергается восстановлению, в результате которого на поду печи собирается жидкий железосплав, который вместе с образовавшимся шлаком  время от времени выпускается из печи. Иногда готовые железосплавы подвергаются в таких же электрических печах вторичной (рафинировочной) переплавке с рудой для удаления большей части содержащегося в железосплавах углерода; при этом получаются малоуглеродистые железосплавы, идущие для приготовления малоуглеродистых сортов специальной стали. Иногда безуглеродистые железосплавы получают в заводском масштабе алюминотермическим путем (способ Гольдшмита), по которому восстановление производится металлическим алюминием по схеме:

Jelezosplavy 2

Способ Гольдшмита очень дорог и дает железосплавы с б. или м. значительным содержанием Аl; поэтому он применяется в тех случаях, когда стоимость железосплава имеет второстепенное значение, а присутствие Аl не вредит применению сплава.

Все железосплавы отличаются резко выраженной хрупкостью, что объясняется присутствием в них карбидов или других химических соединений; легкой изменяемостью некоторых из этих соединений объясняется присущая многим железосплавам способность рассыпаться на воздухе. Цвет различных железосплавов различен и меняется от темно-серого и почти черного до серебряно-белого. Удельный вес их колеблется в очень широких пределах в зависимости от второго металла: наиболее легкими являются сплавы с Si (2,5), наиболее тяжелыми - сплавы с W и U (16,5). Почти все железосплавы плавятся при более высоких температурах, чем обыкновенный чугун (1145°), а сплавы с тугоплавкими металлами (W, Мо) плавятся при температурах значительно более высоких, чем температура плавления Fe (1530°); последнее обстоятельство создает затруднение при выплавке этих сплавов. Многие железосплавы отличаются высокой кислотоупорностью и м. б. переведены в раствор только путем сплавления их с содой; это обстоятельство несколько затрудняет анализ этих сплавов.

Ферросилиций. Сплавы с содержанием Si до 20% принято называть кремнистым чугуном, свыше 20% Si - ферросилицием. Кремнистые сплавы находят себе самое широкое применение в сталеплавильном и чугунолитейном производствах: в первом они применяются для раскисления металла и для уничтожения пузыристости в получаемых из него слитках и отливках; кроме того, введение в сталь некоторого количества кремния (до 1 %) заметно повышает ее механические качества, что способствует широкому применению целого ряда сортов кремнистой стали. Введение Si в чугун улучшает литейные качества последнего и позволяет широко варьировать прочность и твердость чугунных отливок. Кремнистые чугуны (до 20% Si) получаются преимущественно в доменных печах; в шихту вводится большое количество SiО2 (кварциты), а также избыток глинозема для образования тугоплавких глиноземистых шлаков; расход горючего (кокса) велик (2% вес. ч. на 1 ч. сплава). Различные сорта ферросилиция (>20% Si) готовятся в электрических печах при умеренном напряжении тока (60—70 V) и высокой плотности (6—7 А/см2). Шихта здесь составляется из кварцита и древесного угля. Для более полного отделения восстановленного Si от кислого шлака к шихте прибавляют железный лом, от количества которого часто и зависит конечный состав ферросилиция. В сводной табл. 1, приводятся данные о составе наиболее распространенных кремнистых железосплавах с 12, 30, 50, 75 и 90% Si.

Состав железосплавов

Для всех этих сплавов характерно невысокое содержание С, что объясняется разлагающим действием Si на Fe3C и полной неспособностью высококремнистых сплавов удерживать в себе С. Часть углерода по-видимому находится здесь в форме карбидов Аl и Са, которые сами неустойчивы на воздухе и сообщают такую же неустойчивость и содержащим их сплавам, особенно при содержании Si от 30 до 65%; последние на воздухе рассыпаются с выделением легко воспламеняющихся и ядовитых газов. Это обстоятельство требует применения различных мер предосторожности при перевозке, хранении и употреблении сплавов, содержащих около 50% Si.

Ферроманган - наиболее важный и наиболее широко применяемый железосплав. Во всех сталеплавильных производствах он применяется для раскисления (FeO + Mn = Fe + МnО), для уничтожения вызываемой присутствием серы красноломкости (FeS + Mn = Fe + MnS) и для сообщения стали более высших механических свойств; кроме того, в некоторые сорта стали Мn вводится в качестве специальной примеси (например, сталь Гадфильда). Этот железосплав выплавляется в настоящее время гл. обр. в доменных печах из пиролюзита (МnO2) и обожженного марганцового шпата (МnСO3 переходит в Мn3O4), при избытке горючего (2,5 ч. на 1 ч. сплава) и сильно известковых шлаках. В последнее время, с удешевлением электрической энергии, в производстве ферромангана с доменными печами начинают конкурировать электрические печи, легко дающие из богатой руды (48—50% Мn) сплав с содержанием Мn около 80%. Теперь применяются два типа марганцовых железосплава: зеркальные чугуны с содержанием Мn около 20% и ферроманганы - с 80% Мn; состав тех и других характеризуется цифрами, приведенными в табл. 1. В СССР зеркальные чугуны и ферроманганы выплавляются в доменных печах, в Донецком бассейне; но это производство обслуживает только внутренний рынок и по своему масштабу далеко не соответствует имеющимся у нас богатым залежам марганцовых руд (Чиатуры, Никополь).

Феррохром - железосплав с хромом, применяемый в качестве прибавки к стали для введения в нее хрома и получения специальных сортов стали: хромистых, хромоникелевых, хромовольфрамовых и др. В прежнее время (до 1899 г.) феррохром получался в тиглях, доменных печах и вагранках путем восстановления углем хромистого железняка (FeO·Сr2O3). В настоящее время феррохром получается исключительно в дуговых электрических печах из хорошо обогащенного (до 50% Сr) хромистого железняка; восстановление последнего ведется антрацитом при минимальном количестве хромисто-железистого шлака. Полученный феррохром содержит 60—70% Сr и очень большое количество С. Для обезуглероживания сплава, что теперь особенно требуется при приготовлении малоуглеродистой нержавеющей стали, его подвергают переплавке в электрической печи с хромистым железняком до надлежащего содержания С. Состав углеродистого и безуглеродистого феррохрома приведен в табл. 1.

Ферровольфрам - сплав с W, применяемый для приготовления специальных сталей, вольфрамовой и хромовольфрамовой - получается исключительно в дуговых электрических печах путем восстановления вольфрамита (FeWО4) или шеелита (CaWО4) углем. Получающийся при этом железосплав вследствие его высокой температуры плавления не выпускается в жидком виде, а после накопления в печи и обезуглероживания охлаждается вместе с печью и затем выламывается из нее в виде полусплавленной массы, легко разбивающейся на куски. Содержание вольфрама в сплаве обычно достигает 70—80% и зависит исключительно от степени обогащения руды, а содержание углерода - от продолжительности рафинирования. Состав наиболее обычных, углеродистого и малоуглеродистого, сплавов приводится в табл. 1.

Ферромолибден - применяется только в качестве прибавки для введения в специальные стали (молибденовая, хромомолибденовая и др.) молибдена. Получается ферромолибден в электрических печах из хорошо обогащенного, предварительно обожженного или необожженного молибденового блеска (MoS2) в присутствии угля и извести. При содержании Мо в сплаве до 60% он может быть выпущен из печи в жидком состоянии; более богатые сплавы настолько трудноплавки и густы, что, так же как и ферровольфрам, выламываются из печи после ее охлаждения. Обезуглероживание сплава производится в той же печи дополнительной плавкой с известью. Состав двух образцов ферромолибдена приводится в табл. 1.

Феррованадий - железосплав, применяемый для наиболее полного раскисления специальной стали и введения в нее небольших количеств ванадия, заметно улучшающих механические свойства металла. Феррованадий получается главным образом из патронита (V2S3) после его обогащения и иногда после предварительного обжига. Восстановление его углем в электрических печах идет очень трудно, поэтому в качестве восстановителя предпочтительно применяют 90—95%-ный ферросилиций (силиколь). Полученный сплав подвергают затем окислительной плавке для удаления Si. Феррованадий готовится также алюминотермическим путем в тиглях или в особых шахтных печах. Состав кремнистого и малокремнистого образцов феррованадия приводится в табл. 1.

Ферротитан - применяется при плавке обыкновенной и специальных сортов стали в качестве раскислителя и поглотителя азота, но роль его в этом отношении остается до сих пор спорной. Готовится ферротитан из ильменита (титанистый железняк) и рутила (TiO2) восстановлением углем в электрической печи, а также алюминотермическим путем. В первом случае сплав необходимо рафинировать для удаления С, а во втором - для удаления Аl; в обоих случаях содержание Ti чаще всего не превышает 15—20%. Состав электротермического и алюминотермического ферротитана приводится в табл. 1.

Кроме перечисленных железосплавов, известны еще другие б. или м. часто применяемые сплавы: ферроуран, ферроалюминий, феррофосфор, а также сложные железосплавы, с двумя или большим числом составляющих - силикошпигель, силикомарганец (сплавы Fe, Si, Mn), AMS (сплавы Fe, Al, Mn, Si), ферроцирконсилиций (Fe, Zr, Si). Для характеристики этих железосплавов, в табл. 1 приводится их состав.

Производство железосплавов наиболее обширно в странах с высокоразвитой железоделательной промышленностью и обладающих запасами необходимых для производства железосплавов руд и дешевыми источниками электрической энергии. Точных статистических данных о производстве многих железосплавов не имеется; можно только грубо определить, что мировое производство ферромарганца и ферросилиция измеряется сотнями тысяч тонн в год, феррохрома - десятками тысяч, ферровольфрама - тысячами, ферромолибдена и феррованадия - сотнями тонн, а остальных железосплавов - лишь десятками тонн.

Цены на железосплавы

Для характеристики рыночной стоимости отдельных железосплавов приводится табл. 2, дающая средние цены их в 1927 г. на американском рынке. В СССР выплавляются только зеркальные и кремнистые чугуны и ферроманган, притом исключительно для внутреннего потребления. Другие железосплавы не изготовляются в СССР за отсутствием дешевой электрической энергии, а частью вследствие недостатка соответствующих руд.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.