Ферросплавы

Ферросилиций ФС 45
Ферросилиций ФС 45
FeSi - ГОСТ 1415-93
Ферросилиций ФС 65
Ферросилиций ФС 65
FeSi - ГОСТ 1415-93
Ферросилиций ФС 75
Ферросилиций ФС 75
FeSi - ГОСТ 1415-93
Ферромарганец ФМн 78
Ферромарганец ФМн 78
FeMn - ГОСТ 4755-91, ДСТУ 3547-97
Ферромарганец ФМн 88
Ферромарганец ФМн 88
FeMn - ГОСТ 4755-91, ДСТУ 3547-97
Феррохром ФХ003А
Феррохром ФХ003А
FeCr - ГОСТ 475791
Феррохром ФХ025А
Феррохром ФХ025А
FeCr - ГОСТ 475791
Феррохром ФХ010А
Феррохром ФХ010А
FeCr - ГОСТ 475791
Феррохром ФХ850А
Феррохром ФХ850А
FeCr - ГОСТ 475791
Ферромолибден ФМо60
Ферромолибден ФМо60
FeMo - ГОСТ 4755-91

Промышленное литейное производство невозможно представить без процесса легирования – обогащения основного металла или сплава определенными химическими элементами/соединениями, обеспечивающими возможность придания отливкам необходимых дополнительных свойств. В черной и цветной металлургии в качестве таких легирующих добавок используют композиции на основе или с присутствием железа (Fе) в сочетании с другими металлами или неметаллами – т. наз. ферросплавы. Существуют также иные легирующие полуфабрикаты – модификаторы и лигатуры, по принципу действия во многом сходные с ферросплавами, но имеющие существенные отличия в отношении состава и назначения.

Ферросплавами именуют группу сплавов, в состав которых, помимо Fе, могут входить такие металлы, как марганец (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), вольфрам (W), молибден (Mo), ниобий (Nb), титан (Ti) и др., а также примеси неметаллических элементов в виде углерода (C), фосфора (Р), серы (S), различных газов и т.д. Основные компоненты ферросплавов называют ведущими.

В литейном чернометаллургическом производстве для легирования и раскисления расплавов широко используются ферросплавные композиции ферросилиция (сплав Fе с 12% и более Si), ферромарганца, феррохрома, ферровольфрама, ферромолибдена, ферротитана, феррониобия и др. Подобные соединения могут иметь двойную, тройную, многокомпонентную структуру.

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.

Ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом и др. элементами, используемые при выплавке стали (для раскисления и легирования жидкого металла, связывания вредных примесей, придания металлу требуемой структуры и свойств), а также при получении других Ферросплавов (т. н. передельные Ферросплавы). К Ферросплавам условно относят некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (например, силикомарганец, силикокальций) и, кроме того, некоторые металлы и неметаллы в технически чистом виде (металлический марганец, металлический хром, кристаллический кремний).

Стандартное содержание компонентов в Ферросплавах обусловлено химическим составом сырья, условиями выплавки Ферросплавов и введения их в жидкую сталь. Широкое применение ферросплавов в металлургии обусловлено их физическими и химическим свойствами - температура плавления ферросплавов ниже температуры плавления чистого металла, что облегчает его растворение и приводит к уменьшению угара ведущего элемента. Таким образом, восстановление окислов ведущего элемента ферросплава происходит при более низкой температуре, быстрее, полнее и с меньшими энергетическими затратами.

Современный рынок ферросплавов не отличается узким разбросом цен. Это обусловлено широким ассортиментом ведущих элементов в соединениях, которые и задают цифры прайс-листов. Поэтому, корректно указывать конкретную марку или сорт продукции, а не ограничиваться стандартным: сколько стоят ферросплавы. Вторым критерием ценообразования выступает объем приобретаемого сырья.

Cущественные скачки наблюдаются даже для продукции одного вида. Тот же недорогой ферросилиций характеризуется вполне широким разбросом стоимости. Наиболее дорогими оказываются соединения на базе тугоплавких металлов. На подобные ферросплавы цена за тонну также определяется ведущим элементом.

Производство ферросплавов

Сырьевая база этого технологического процесса представляет собой разнообразные руды или концентраты.

В частности, руда востребована в производстве следующих групп ферросплавов:

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:

  1. Восстановителем должен быть элемент, характеризующийся более высокой химической совместимостью с кислородом (способностью образовывать оксиды), чем извлекаемое вещество.
  2. 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:

  1. Углевосстановительный способ.
  2. Силикотермическая обработка.
  3. 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.

Современная технология производства ферросплавов

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.
Ферросплавы – свойства и типы соединений

К специализированной группе ферросплавов 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.

Ферросплавы – свойства и типы соединений

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:

  1. Азотированный ферросплав марганца и феррованадий применяется в производстве высокопрочной стали, нержавейки, а также быстрорежущих марок.
  2. 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 нагревателе;
  • получение катализаторов, прочих химических веществ.

При этом, на азотсодержащие ферросплавы стоимость существенно не разнится от стандартных аналогов. Политика ценообразования на соединения требует отдельного рассмотрения.

Маркировка ферросплавов

Присвоение кода продукции строится по простому принципу и содержит три группы буквенно-цифровых обозначений:

  1. Ф – ведущая литера, обозначающая принадлежность к ферросплавам.
  2. Базовый элемент. Вторая часть кода указывает на основное соединение, например для ферросилиция это С, ферромолибдена Мо, феррониобия Нб и так далее.
  3. Процентное содержание ведущего элемента.

Относительно последнего пункта необходимо добавить, что цифры на маркировке не указывают точное содержание базового элемента. Например, марка ФС45 характеризуется концентрацией кремния на уровне 41 – 47%.

Дополнительно, существующий на ферросплавы ГОСТ 26590-85, регламентирует, чтобы маркировка соединения содержала следующее пункты:

  • транспортный код;
  • знаки опасности;
  • собственно шифр продукции.

Первый пункт должен соответствовать требованиям ГОСТ 14192-77. Относительно безвредности соединения, следует отметить, что ферросплавы по классу опасности относятся к третьей группе соответственно ГОСТ 12.1.007-76. Это умеренно-опасные вещества, предельная концентрация которых в воздухе должна не превышать 10 мг на кубометр.

Дополнительным критерием опасности выступает размер частиц. Например, ферросилиций фракции менее 3,2 мм относят к опасным грузам, сопровождая маркировкой 4323. Более крупные частицы от 3,2 до 315 мм, а также чушки соединения, напротив не обладает опасностью при транспортировании.

Перечислять все марки ферросплавов тоже не имеет смысла, в рамках этой статьи, т.к. их существует огромное множество, у каждого ферросплава десятки маркировок.

Ферросилиций

Ферросилиций – кремниево-железный сплав, отличающийся отменными прочностными показателями. Используют его в качестве раскислителя, восстановителя и укрепителя. Он широко применяется в выплавке рессорно-пружинных, коррозийно- и жаростойких, электротехнических сталей, термитных смесей.

Добавление в металл добавок, изменяющих его свойства – это важнейшая технологическая операция в металлургии. Благодаря легированию достигаются характеристики материала, требуемые для конкретного применения. Ферросилиций – это пример такого сплава, а о его составе можно судить по присутствию в названии элементов из таблицы Менделеева.

Наличие «силиция», то есть кремния, превращает обычную сталь в конструкционную. О важности этой добавки для промышленности свидетельствует тот факт, что ей посвящен отдельный госстандарт. В нем оговорено содержание кремния – от 8 до 95%.

Ферросилиций - применение и производство

Добавка ферросилиция увеличивает прочность металла. Это связано с усилением его упругости. Наличие в составе стали всего двух процентов кремния позволяет существенно увеличить устойчивость деталей из неё к ударным нагрузкам. Одновременно повышается и текучесть. Это свойство позволяет использовать материал для изготовления рессор.

Ещё одно преимущество ферросилиция – устойчивость к коррозии и увеличенная термостойкость. Если ещё увеличить долю кремния, то у стального сплава резко снижается способность к намагничиванию. Благодаря этому материал можно использовать в электротехнике – при производстве трансформаторов и силовых машин.

Полезен ферросилиций и при плавке чугуна. Наличие кремния в этом случае стабилизирует техпроцесс, позволяет увеличить температуру плавки. В результате получается более качественный, тонкостенный чугун.

Выплавка самой легирующей присадки производится в ферросплавных печах под действием электрической дуги, с использованием кварцитов и глинозема. Нужная концентрация достигается добавлением измельченной углеродистой стали. Сплав образуется за счет растворения кремния в жидком железе. Он периодически выводится из печи.

Стандарт на ферросилиций построен по содержанию в сплаве кремния. В последние десятилетия производятся сплавы, содержащие в среднем 18, 20, 25, 45, 65, 69, 75, 90 и 92% Si. Эти средние содержания входят в обозначение марок ферросилиция. Цифры показывают среднее содержание кремния в процентах. Например, ферросилиций ФС45 содержит 41-47% Si или в среднем 45% Si.

Маркировка ферросилиция

Стандартом на эту добавку установлены марки материала в соответствии с содержанием в нем основного элемента. Так в ферросилиций ФС75 содержание кремния должно находиться в диапазоне от 74 до 80%. Ферросилиций с минимальным содержанием кремния – ФС20. В нем доля кремния не превышает 20%. Нормировано и содержание других элементов – марганца, углерода и т.д. Международное обозначение ферросилиция FeSi - с добавлением числа, также указывающем на содержание кремния.

Потребителю ферросилиций поставляется в виде брикетов или дробленых частиц. При их размере менее 3 мм следует соблюдать требования пожарной безопасности. Это касается и продукта с содержанием кремния более 30%, поскольку при его горении выделяются токсичные газы.

Характеристика и область применения ферросилиция

Кремний занимает 14 место в Периодической таблице элементов Менделеева, является неметаллом, обладает свойствами полупроводника. Оксид кремния, SіО2, имеет кислотные свойства, т.е. при соединении с водородом образует кислоту (SіО3). Кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре и занимает 2-е место после кислорода. В чистом виде кремний был получен в 1811г при пропускании паров фтористого кремния (SіF4) над нагретым калием.

Основные свойства кремния и железа, которые являются составляющими ферросилиция:

  • Обозначение Ферросилиция: Sі Fe;
  • Атомный вес Ферросилиция: 28 56;
  • Плотность, кг/мз: 2,34/7,87;
  • Температура плавления, °С: 1414-1539.

С железом кремний сплавляется в любых соотношениях. Образует одно устойчивое химическое соединение - моносилицид железа FeSі, содержащий 33,3% кремния и 66.7% железа. Другие соединения железа (Fe3Sі2, Fe2Sі5) неустойчивые и разлагаются при высоких температурах.

Исходя из этого состав ферросилиция следующий:

  • Низкокремнистый ферросилиций: ФС 20 и ФС 25 представляет собой смесь моносилицида железа и чистое железо;
  • Остальной ферросилиций: ФС 45 ФС 90 представляет собой смесь моносилицида железа и чистого кремния.

Плотность ферросилиция зависит от содержания в нем кремния. Этой особенностью пользуются для определения содержания кремния в сплаве объемным методом.

Удельный вес ферросилиция по маркам сплава:

  • Sі %: 45, 65, 75, 90;
  • Плотность, кг/мз: 5.15, 3,76, 3,27, 2,55;

Основные области использования ФЕРРОСПЛАВОВ кремния:

  • Для раскисления стали. В настоящее время расход ферросилиция составляет около 7 кг ФС 45 на каждую тонну выплавляемой стали. Физико-химические основы процесса раскисления. Выплавляемых в доменных печах чугун имеет высокое содержание углерода, (3% и более) вследствие чего он хрупкий и растрескивается при ударах. Для превращение чугуна в сталь необходимо удалить из него излишний углерод. Для этой цели в сталеплавильной печи после расплавления загруженной шихты проводят, так называемый «КИП», т.е. выжиг углерода за счет продувки ванны кислородом или за счет загрузки железной руды. При этом происходят следующие реакции: FeO + C = Fe + CO, 2 C + O2 = 2 CO, 2 Fe + O2 = 2 FeO. То есть наряду с окислением углерода происходит окисление железа. Оксид железа растворяется в жидкой стали и резко снижает ее прочность. Для удаления кислорода из ванны стали осуществляют ее раскисление, т.е. загружают в жидкую сталь ферросилиций. Кремний ферросилиция вступает в реакцию с кислородом: Sі + 2 FeO = 2 Fe + SіО2. Восстановленное железо остается в ванне стали, а окисленный кремний всплывает в шлак, тем самым очищая сталь от кислорода.
  • Для легирования стали. В обычной конструкционной стали содержится 0,30,5% кремния. Добавка в сталь 1,32% кремния повышает предел текучести и упругости стали и обеспечивает высокое ударное сопротивление. Такие стали используются для изготовления рессор и пружин. Стали с содержанием 2,54,2% кремния обладают небольшим остаточным магнетизмом, имеют низкие потери при перемагничивании. Из таких сталей изготавливают сердечники трансформаторов и роторы динамомашин и электродвигателей.
  • Значительное количество высококремнистого ферросилиция используют для получения водорода по реакции: Sі + 2 NaOH + H2O = Na2 SіО3 + Н2.
  • Технически чистый кремний используют для получения оплуминов и кремнистых бронз, т.е. литейных сплавов.
  • Ферросилиций марки ФС 90 используют в химической промышленности для получения четыреххлористого кремния, который является наполнителем при производстве пластмасс.
  • Значительное количество ферросилиция марок ФС 65 и ФС 75 используют для выплавки лигатур и модификаторов, т.е. сплавов железа и кремния с магнием, титаном, медью, барием, кальцием, алюминием, ванадием и др.

Как ферросилиций влияет на свойства стали

Низкокремнистые сорта ферросилиция применяются для предварительного раскисления стали в печи, высококремнистые - для раскисления и легирования стали в печи и в ковше, для раскисления шлака при электроплавке стали, а также при производстве малоуглеродистых ферросплавов.

Сплавам железа и кремния свойственна значительная склонность к ликвации, которая тем больше, чем толще слиток и больше продолжительность затвердевания. Это объясняется различием плотностей существующих фаз в сплавах кремния с железом.

Сплавы, содержащие 50-60% Si, при взаимодействии с влагой воздуха могут рассыпаться в порошок; склонность этих сплавов к рассыпанию усиливается с повышением содержания фосфора. В связи с этим содержание фосфора в высококремнистом ферросилиции допускается только до 0,03-0,05%. Некоторое влияние на рассыпаемость ферросилиция оказывает также повышенное содержание алюминия и кальция.

ФЕРРОСИЛИЦИЙ воздействует на сталь несколькими способами:

  • ферросилиций увеличивает размер зерна материала, чем выше содержание этого вещества, тем выше зернистость;
  • ферросилиций увеличивает прокаливаемость;
  • ферросилиций нормализует температуру отжига;
  • ферросилиций повышает закалку;
  • ферросилиций усиливает прочность и твердость;
  • ферросилиций снижает пластичность;
  • ферросилиций увеличивает сопротивление процессу окисления;

Содержание добавок в ферросилиции:

  1. Чаще всего сталь содержит порядка 0,35% Si. С повышением уровня кремния в составе, сталь можно классифицировать как легированный кремниевый состав.
  2. 1,30—2% Si. Такой процент вещества в сплаве повышает пределы упругости и текучести. Также он усиливает возможность материала к сжатию и расширению в момент высокого ударного сопротивления. Такой процент вхождения ферросилиция позволяет получить конструкционную сталь.
  3. 2,5—4,2% Si и менее 1% углеводорода. Основная отличительная черта такого сплава – низкий уровень магнетизма, что делает возможным его использование в производстве деталей для динамо-машин и трансформаторов.

Для чего следует купить ФЕРРОСИЛИЦИЙ

Данный сплав используют для повышения прочностых показателей готовой стали. Также это эффективная раскисляющая и легирующая добавка для различных сплавов. Благодаря такому компоненту материал приобретает устойчивость к высоким температурам и коррозии, упругость и прочность, текучесть и стойкость к разрыву.

Стоит отметить, что сфера применения ферросилиция не ограничивается лишь производством стали. Такой состав широко используют для восстановления окислов, что делает его незаменимым компонентом в сфере производства ферросплавов с низким уровнем кислорода в составе. Это ферромарганец, ферромолибден, феррохром. Ферросилиций, с максимально высоким процентом кремния в составе, используют для получения водорода.