Содержание > ГЛАВА 3. Класиффикация ферросплавных процессов > 3.3 Классификация ферросплавных процессов по виду применяемых восстановителей

Этот признак является основным, так как от типа восстановителя зависят не только физико-химические процессы, определяющие сущность технологии различных ферросплавов, но и практические приемы ведения процесса, тип применяемого печного агрегата, химический состав получаемого сплава и область его использования. По этому признаку процессы производства ферросплавов классифицируются на углеродотермические (УТП), силикотермические (СТП) и алюминотермические (АТП).

Углеродотермические процессы. При углеродотермических процессах восстановителем оксидов является твердый углерод. В общем виде суммарные реакции могут быть представлены следующим образом:

2/_у Ме_хО_у + 2С = 2х/уМе + 2СО + ∆Н₁;
2/у Ме_хО_у + (2 + 2х/z)С = 2х/у_zМе_zСy + 2СO  + ∆Н₂.

Главная особенность этого процесса состоит в том, что одним из продуктов восстановления является монооксид углерода, удаление которого из ванны обеспечивает необратимость реакции. Углеродом могут быть восстановлены все элементы из их оксидов при высоких температурах процесса, так как химическое сродство углерода к кислороду с повышением температуры увеличивается. Углерод имеет невысокую стоимость, при этом возможно использование углеродистых материалов различного качества.
К недостаткам углерода как восстановителя относятся следующие факторы: 1) при восстановлении оксидов образуются карбиды элементов, поэтому при небольшой концентрации кремния сплавы содержат повышенное количество углерода; 2) реакции восстановления оксидов протекают с поглощением большого количества тепла, поэтому требуется применение электрических дуговых печей большой мощности.

Силикотермические процессы. Силикотермическое восстановление металлов из оксидов происходит по реакции:

2/уМе_хО_у + Si = 2х/уМе + SiO2  –∆Н_Si.

Восстановление оксидов кремнием ведут с применением комплексных передельных ферросплавов типа Ме-Fе-Si, где Ме – Мn, Сr.
В силикотермических процессах кремний в качестве восстановителя используют в виде силикомарганца, ферросилиция, ферросиликохрома и др., которые предварительно получают восстановлением кремния из кремнезема (а также марганца и хрома из их оксидов) углеродом.
Таким образом, технологическая схема производства низкоуглеродистых ферросплавов включает стадию выплавки передельных сплавов: ферросиликомарганца и ферросиликохрома. В некоторых случаях в качестве восстановителя при силикотермическом процессе применяют ферросилиций марок ФС75 или ФС65(выплавка ферровольфрама, ферромолибдена, феррованадия и др.). В результате восстановления оксидов кремнием шлак обогащается кремнеземом. Без уменьшения активности SiO2 нельзя достичь высокой степени восстановления ведущего элемента, поэтому необходимо вести плавку флюсовым способом.
Кремний в качестве восстановителя может использоваться и при восстановлении оксидов элементов, обладающих более высоким химическим сродством к кислороду чем кремний. При этом удовлетворительное извлечение ведущего элемента достигается введением в шихту избыточного количества кремния. Конечный продукт получают с высокой концентрацией кремния (силикотермический силикокальций и др.).
Кремний, обладающий достаточно высоким химическим сродством к кислороду, может служить восстановителем элементов из таких оксидов, как Сr₂O₃, МnО, МоO₃, WО₃, V₂O₃ и др. Восстановление оксидов кремнием сопровождается выделением тепла, которого недостаточно для ведения внепечного силикотермического процесса, поэтому применяют электропечи относительно небольшой мощности (2500 – 7000 кВ А).
Кремний как восстановитель имеет следующие недостатки: 1) вследствие образования кремнезема увеличивается количество шлака, при этом возрастает активность SiO₂, возникают прочные силикаты низших оксидов ведущего элемента; дальнейшее восстановление возможно при введении в шлак (шихту) оксидов с основными свойствами (СаО); 2) при температурах выплавки ферросплавов кремний образует с металлами растворы, обладающие отрицательными отклонениями от свойств идеальных растворов, что свидетельствует о прочности связи Ме–Si и затрудняет получение сплавов с низкой концентрацией кремния.

Алюминотермические процессы. Алюминотермическое восстановление металлов из оксидов протекает по реакции:

2/уМе_хО_у+ 4/3Аl = 2х/уМе + 2/3Аl₂O₃  –∆Н_Аl

и сопровождается значительным тепловым эффектом (–∆Н_Al). Основные особенности алюминотермического процесса: выделение значительного количества тепла в результате протекания реакции восстановления и возможность проведения процессов без подвода электрической энергии, вне печи. При этом достигаются высокие температуры (2400—2800 K), которые обеспечивают получение шлака и металла с температурой, превышающей начало кристаллизации, хорошее разделение металлической и шлаковой фаз, высокую скорость процесса.
При алюминотермических процессах для восстановления металлов из оксидов не требуется дополнительного подвода тепла (использования электропечи), за исключением особо прочных оксидов (например, получение ферросиликоциркония), когда ведут плавку в дуговых электропечах. Возможность самопроизвольного (без подвода тепла для нагрева) протекания процесса алюминотермического восстановления определяется такими факторами, как тепловой эффект алюминотермического восстановления, теплоемкость и теплопроводность шихты и продуктов плавки, интенсивность теплообмена с окружающей средой, теплота металло- и шлакообразования и т.д. Основным условием осуществимости алюминотермической плавки без подвода тепла извне является превышение теплового эффекта восстановления (Q_экз) над тем количеством тепла (Q_p), которое необходимо для нагрева, расплавления продуктов реакции и нагрева расплава до температуры, обеспечивающей достаточно полное разделение металлической и шлаковой фаз, а также для компенсации тепловых потерь (Q_II) в процессе плавки:Q_экз ≥ Q_p + Q_II.
Достоинством алюминотермических процессов является: 1) возможность восстановления более широкой гаммы элементов с химическим сродством к кислороду меньшим, чем у алюминия; 2) восстановление оксидов и получение сплавов и технически чистых металлов с низкой концентрацией углерода и примесей цветных металлов; 3)простота аппаратурного оформления процесса, небольшие капитальные затраты; 4) ведение процесса в наклоняющемся горне с выпуском шлака и металла; 5)возможность предварительного расплавления оксидов и флюсов в электропечи, что позволяет значительно интенсифицировать процесс и уменьшить расход алюминия; 6) использование высокоглиноземистых шлаков для получения синтетических шлаков, а также высокоглиноземистого цемента.
К недостаткам алюминотермического процесса относятся: 1)высокая стоимость и дефицитность алюминия; 2) возможность образования низших оксидов ведущих металлов, уменьшение термодинамической вероятности восстановления этих оксидов и извлечения металлов из шихты; 3)образование высокоглиноземистого шлака с высокой вязкостью, вызывающее потери восстановленного металла в виде корольков.