Содержание > ГЛАВА 3. Класиффикация ферросплавных процессов > 3.1.Классификация металлов – ферросплавных элементов

Согласно современной классификации металлы делятся на две основные группы: черные и цветные. К первой группе относится железо во всем многообразии продуктов, где оно является основным металлом — чугун, сталь различного химического состава и ферросплавы. Вторая группа объединяет практически все известные металлы. В зависимости от физико-химических свойств металлы подразделяются на следующие группы: 1) легкие (Аl, Ва, Ве, К, Са, Li, Мg, Nа, Rb, Si, Sr, Тl, Сs); 2) редкие (V, W, Gа, Нf, Y, Gе, Мо, Rе, РЗМ, Se, Та, Тi, Те, Zr);  З) тяжелые (Аs, Вi, Сd, Со, Cu, Сr, Mn, Нg, Ni, Sb, Sn, Рb); 4) благородные (Аu, Аg, Ir, Оs, Рt, Rd, Rh, Ru) и радиоактивные (Рu, Ро, Ra, Nр, Тh, U).
Целый ряд элементов, относящихся к группе цветных металлов, являются основой сплавов, называемых ферросплавами и представляющих собой двухкомпонентные или более сложные композиции соответствующих металлов и неметаллов с железом. Условно, металлы и неметаллы, составляющие основу ферросплавов, можно называть ферросплавными элементами. К ним относятся элементы: Мn, Si, Сr, Са, Al, Ва, Sr, Мg, Тi, V, ‚W, Мо, Nb, РЗМ, Sе, Та, Те, Zr, Ni, B. В ферросплавах в больших или меньших количествах присутствуют элементы–примеси:* S, Р, Сu, Sn, Sb, Вi, О, Н, N и др.
Сравнительная диаграмма распространенности этих элементов в природе представлена на рис. 3.1 (см. Приложение I).

Выделяют группы «больших» и «малых» ферросплавов.

I. Группа больших ферросплавов (крупнотоннажные сплавы):1) кремнистые ферросплавы (ферросилиций всех марок, кристаллический кремний); 2) марганцевые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый ферромарганец), товарный и передельный силикомарганец, металлический марганец, азотированный марганец, марганцевые лигатуры; З) хромистые ферросплавы (высоко-, средне- и низкоуглеродистый феррохром, товарный и передельный ферросиликохром, металлический хром, азотированный феррохром, лигатуры сложных композиций).

Рис. 3.1. Распространенность элементов в земной коре

II. Группа малых ферросплавов (малотоннажные ферросплавы): 1) ферровольфрам; 2) ферромолибден; З) феррованадий; 4) сплавы щелочноземельных металлов (ЩЗМ) (силикокальций, силикобарий, силикомагний, силикостронций, комплексные сплавы систем Fе-Si-Мg-Са; Si-Са-Ва-Fе; Si-Ва-Fе; Si-Ва-Sr и др.); 5)феррониобий и сплавы систем Ni-Nb, Nb-Тa-Fе; Nb-Та-Мn-Аl-Si-Тi; Nb-Та-Аl; 6) ферротитан и сплавы систем Fе-Si-Тi, Тi-Сr-Аl; Тi-Сr-Аl-Fе, Тi-Ni; 7) ферробор, ферроборал и лигатуры с бором (Ni-В, Сr-В, грейнал В-Si-Аl-Тi-Zr); 8) сплавы с алюминием (силикоалюминий, ферроалюминий, ферросиликоалюминий, сплавы систем Fе-Аl-Мn-Si, Fе-Мn-Аl; 9) сплавы с редкоземельными металлами (РЗМ) систем РЗМ-Si; Се-Si-Fе; РЗМ-Аl-Si, ферросиликоцирконий, ферроалюминоцирконий; 11) ферроникель и феррокобальт.
Основные компоненты ферросплавов называют ведущими элементами. Степень восстановления и перехода элемента в металл или извлечение ведущего элемента определяет технико-экономическую эффективность и целесообразность применяемой технологии. Анализ и сравнение показателей производства ферросплавов из сырья различного состава и способа получения в печах разной конструкции и мощности проводятся при условии пересчета количества ферросплавов в базовые тонны. Базовая тонна — 1 т ферросплава, руды, концентрата со строго определенным содержанием ведущего элемента или его соединения. Например, в соответствии со стандартом ферросилиций марки ФС45 может содержать 41—47% Si, а за базовую тонну принята 1 т сплава с 45%Si.
Свойства ферросплавов во многом зависят от физико-химических свойств ведущих элементов, которые представляют собой металлы первых трех больших периодов, точнее, переходные металлы первого (Sс, Тi, V, Сr, Мn, Fе, Со, Ni), второго (Y, Zr, Nb, Мо), третьего (Lа, Та,W) периодов, а также металлы, находящиеся в начале больших периодов (Mg, Са, Sr и Ва) Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Свойства металлов определяются строением s-, р-, d- и f-электронных оболочек*. В соответствии с изменением электронной конфигурации металлов закономерно изменяются их свойства. Например, температура плавления металлов, как характеристика сопротивления кристаллической решетки тепловым колебаниям, в каждом большом периоде по мере заполнения уровней электронами повышается, достигая максимальных значений для хрома (1-й период), молибдена (2-й период) и вольфрама (3-й период), а затем снижается (рис. 3.2). Такой же характер наблюдается для температуры кипения металлов, как меры энергии межатомной связи (рис. 3.3), теплоты испарения, валентности и некоторых других свойств элементов.
Основное количество ферросплавов используют в сталеплавильном производстве для легирования и раскисления стали, а также для легирования и модифицирования чугуна и сплавов, изготовления сварочных электродов, производства химических соединений, в качестве исходного материала для защитных покрытий на металлических конструкциях и устройствах, при обогащении полезных ископаемых. Ферросплавы служат также исходным сырьем при получении особо чистых веществ (элементов и соединений) и широко используются в качестве восстановителей в металлотермических процессах.

Рис. 3.2. Температура плавления             Рис. 3.3. Температура кипения
элементов                                           элементов

Большинство ферросплавов содержит относительно большое количество железа. Это обусловлено тем, что в исходном сырье вместе с ведущим элементом всегда присутствуют оксиды железа, которые не являются вредной примесью для большинства ферросплавов. Более того, железо, растворяя восстановленный ведущий элемент, снижает активность последнего и температуру плавления ферросплавов, повышает плотность ряда ферросплавов и увеличивает полезное использование ведущих элементов при раскислении и легировании стали и сплавов. Образование металлических растворов восстанавливаемых элементов в железе снижает активность ведущего элемента в растворе, что уменьшает изменение энергии Гиббса процесса восстановления. Так, при образовании растворов на основе железа восстановление ведущего элемента возможно при более низких температурах с лучшим результатом извлечения, поэтому часто железо специально вводят в шихтовые материалы (в виде стружки, реже в виде оксидов). Стоимость восстановленных элементов в ферросплавах ниже, чем чистых.

_________________
* Отнесение перечисленных элементов к примесям условное, так как в одной группе ферросплавов – это примеси, в других – легирующие элементы (феррофосфор, азотированный марганец, азотированный феррохром)

*Обозначение электронных оболочек происходит от первых букв соответствующих слов: s – sharpe (резкий); p – principal (основной); d – diffuse (диффузный); f – fundamental (фундаментальный).