> Техника, страница 46 > Железосплавы

Железосплавы

Железосплавы, ферросплавы (смотрите Спр. ТЭ., т. II), представляют собою сплавы железа и какого-либо второго металла из применяемых в сталеделательном и чугунолитейном производствах, как то: Mn, Si, Сг, W, Mo, V, Ti, U и др. Содержание их в Ж. часто сильно преобладает над железом, доходя до 80—90%, но не редки также Ж. с содержанием второго металла в 10—15%. Обычной составной частью Ж. 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 Ж., причем содержание их зависит исключительно от чистоты применяемых при плавке материалов—руды, горючего, флю-

I са и электродов, но чаще всего оно не превышает количеств, встречающихся в обыкновенных чугунах. Кроме того, в Ж. находятся в небольших количествах (от 0,1 до 1%) необычные для Fe-C-сплавов примеси—А1, Са, Mg; они входят в состав Ж. в виде карбидов, особенно легко образующихся при выплавке их электротермии. процессом.

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

Ж. 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:

m RO + n Fe О + (m + n) С=Fe_nR_m + (m + n) СО, где R означает второй металл Ж., a m и η— коэфф-ты, характеризующие соотношение железа и второго металла в шихте и в готовом Ж. Восстановление происходит при очень высоких t° 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 Ж. является тигельный способ, при котором шихту из RO, FeO, С (в виде чистого горючего) и флюса выдерживают в графитовых тиглях при высокой ί° до полного восстановления металлов; по получении жидкого Ж. его выливают в металлич. 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. Нек-рыеЖ. выплавляются в обыкновенных д о м е н н ых п е ч ах: это Ж.массового потребления, получающиеся из легко восстановимых руд и плавящиеся при сравнительно умеренных ί° (зеркальный и кремнистый чугуны, ферромарганец, ферросилиций, силикошпигель и др.). Выплавка этих Ж. также требует большого расхода горючего, тугоплавких шлаков и высокой t° печи, что достигается соответствующим составом шихты и подогревом дутья до наивысшей возможной ί°. 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 Ж., измеряется не годами, как при выплавке обыкновенных чугунов, а только месяцами, что делает самый способ выплавки Ж. в доменных печах невыгодным. В наст, время преобладающее значение получает электротермический способ выплавки Ж., особенно в странах с дешевой электрич. энергией. При выплавке Ж. в электрических печах можно широко варьировать масштаб производства и получать Ж. с любым содержанием второго металла, по сравнительно умеренной цене. Для выплавки Ж. применяются исключительно дуговые печи, чаще всего с подвижным верхним электродом и неподвижным нижним, заделанным в под печи. Шихта, состоящая из соответствующей руды (R0+Fe₂0₃), угля и флюса, загружается сверху вокруг верхнего вертикального электрода, проходит в печи через зону высоких t° вольтовой дуги и подвергается восстановлению, в результате которого на поду печи собирается жидкий Ж., к-рый вместе с образовавшимся шлаком от времени до времени выпускается из печи. Иногда готовые Ж. подвергаются в таких же электрич. печах вторичной (рафинировочной) переплавке с рудой для удаления большей части содержащегося в Ж. углерода; при этом получаются малоуглеродистые Ж., идущие для приготовления малоуглеродист, сортов специальной стали. Иногда безуглеродистые Ж. получают в заводском масштабе а л ю м и-нотермическим пу тем (способГольдшмита), по к-рому восстановление производится металлич. алюминием по схеме:

2mR0 + nFe,0, + ⁽-^2m+3³ⁿ⁾-²AI =

Способ Гольдшмита очень дорог и дает Ж. с б. или м. значительным содержанием А1; поэтому он применяется в тех случаях, когда стоимость Ж. имеет второстепенное значение, а присутствие А1 не вредит применению сплава.

Все Ж. отличаются резко выраженной хрупюзстью, что объясняется присутствием в них карбидов или других химич. соединений; легкой изменяемостью нек-рых из этих соединений объясняется присущая многим Ж. способность рассыпаться на воздухе. Цвет различных Ж. различен и меняется от темносерого и почти черного до серебрянобелого. Уд. 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 Ж. плавятся при более высоких ί°, чем обыкновенный чугун (1145°), а сплавы с тугоплавкими металлами (W, Мо) плавятся при Г значительно более высоких, чем t°_u. Fe (1 530°); последнее обстоятельство создает затруднение при выплавке этих сплавов. Многие Ж. 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 нек-рого количества кремния (до 1%) заметно повышает ее ме-ханич. качества, что способствует широко му 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 Si0₂ (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 электрич. 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 Ж. с 12, 30, 50, 75 и 90% Si. 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 повидимому находится здесь в форме карбидов А1 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 ок. 50% Si.

Ферроманган — наиболее важный и наиболее широко применяемый Ж. Во всех сталеплавильных производствах он применяется для раскисления (FeO + Mn=Fe + +МпО), для уничтожения вызываемой присутствием серы красноломкости (FeS + Mn==Fe-fMnS) и для сообщения стали более высоких механич. свойств; кроме того, в нек-рые сорта стали Мп вводится в качестве специальной примеси (наприм. сталь Гад-фильда). Этот Ж. выплавляется в настоящее время гл. обр. в доменных печах из пиролюзита (Мп0₂) и обожженного марганцового шпата (МпС0₃ переходит в Мп₃0₄), при избытке горючего (2¹/» ч. на 1 ч. сплава) и сильно известковых шлаках. В последнее время, с удешевлением электрич. энергии, в производстве ферромангана с доменными печами начинают конкурировать электрич. печи, легко дающие из богатой руды (48—50% Мп) сплав с содержанием Мп ок. 80%. Теперь применяются два типа марганцовых Ж.: зеркальные чугуны с содержанием Мп ок. 20% и ферроманганы—с 80% Мп; состав тех и других характеризуется цифрами, приведенными в таблице 1. В СССР зеркальные чугуны и ферроманганы выплавляются в доменных печах, в Донецком бассейне; но это производство обслуживает только внутрен. рынок и по своему масштабу далеко не соответствует имеющимся у нас богатым залежам марганцовых руд (Чиатуры, Никополь).

Феррохром—Ж. с хромом, применяемый в качестве прибавки к стали для вве дения 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 · Сг_а0₃). В настоящее время феррохром получается исключительно в дуговых элек-трич. печах из хорошо обогащенного (до 50% Сг) хромистого железняка; восстановление последнего ведется антрацитом при минимальном количестве хромисто-железистого шлака. Полученный феррохром содержит 60—70% Сг и очень большое количество С. Для обезуглероя-сивания сплава, что теперь особенно требуется при приготовлении малоуглеродистой нержавеющей стали, его подвергают переплавке в электрич. печи с хромистым железняком до надлежащего содержания С. Состав углеродистого и без-углеродистого феррохрома приведен в таблице 1.

Ферроволь фра м—сплав с W, применяемый для приготовления специальных сталей, вольфрамовой и хромовольфрамовой—получается исключительно в дуговых электрич. печах путем восстановления вольфрамита (FeW0₄) или шеелита (CaW0₄) углем. Получающийся при этом Ж. вследствие его высокой 1°_л_ не выпускается в жидком виде, а после накопления в печи и обезуглероживания охлаждается вместе с печью и затем выламывается из нее в виде полу-сплавленной 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 таблице 1.

Ферромолибде н—применяется только в качестве прибавки для введения в специальные стали (молибденовая, хромомолибденовая и др.) молибдена. Получается ферромолибден в электрич. 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 таблице 1.

Феррованадий — Ж., применяемый для наиболее полного раскисления специальной стали и введения в нее небольших количеств ванадия, заметно улучшающих механическ. свойства металла. Феррованадий получается главным образом из ита (V₂S₃) после его обогащения и иногда после предварительного обжига. Восстановление его углем в электрич. 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 алюминотермия. путем в тиглях или в особых шахтных печах. Состав кремнистого и малокремнистого образцов феррованадия приводится в таблице 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

Таблица 1.—П р и мерный состав различных железосплавов.

			Процентное с			о д е р ж	а п и е
Названия железосплавов	Fe	Спец. металла	с	Si	Μη	S	Р	А1	Са
Кремнистый чугун.	87—82	10—15 Si	2—1		1—2	0,02—0,05	0,05—0,1
Ферросилиций 30 %-ный.	75—67	25—32 »	0,3—0,5	—	0,3—0,8	0,02—0,04	0,03—0,1	0,1—0,2	0,2—0,3
» 50% »	50—47	49—52 »	0,1—0,3	—	0,1—0,3	0,01—0,03	0,03—0,06	0,1—0,6	0,2—0,4
» 75 % »	24—19	74—78 »	0,3	—	0,1—0,3	0,01—0,02	0,03—0,04	0,1—1,4	1,0—1,2
» 90 % » (СИ-
ликоль)..	11—3	88—94 »	0,2	—	0,1—0,2	0,01—0,02	0,01—0,02	0,1—1,5	0,8—1,2
Зеркальный чугун.	89—74	6—20 Μη	4—5	0,5—1,0	—	0,02—0,05	0,03—0,08	—	—
Ферроманган доменный.	13—11	79—80 »	6,8—7,0	0,3—0,8	—	0,01—0,02	0,2—0,3	—	— 1
» электр отер-
мический..	16—12	78—80 »	6—7	0,2—0,6	—	0,01—0,02	0,1—0,2	—	—
Ферроманган электр отер-
мич. рафинир.	20—18	79—80 »	0,5—1,0	0,2—0,6	—	0,01—0,02	0,1—0,2	—	—
Феррохром ..	31—16	63—72 Сг	5—9	0,5—2,0	0,1—0,5	0,01—0,07	0,01—0,03	0,1—0,8	0,1—0,2
» рафинир.	37—28	62—69 »	0,4—1,5	0,1—0,3	0,1—0,2	0,01—0,03	0,01—0,03	0,1—0,4	0,1—0,3
Ферровольфрам.	25—20	72—73 W	2—3,5	0,3—0,4	0,5—0,8	0,01—0,05	0,01—0,03	0,1	0,1
» рафинир.	28—17	71—82 »	0,3—0,7	—	0,1—0,5	0,01—0,03	0,01—0,03	0,1	0,1
Ферромолибден.	20—6	75—87 МО	4—6	0,2	0,1	0,02—0,03	0,01—0,03	0,1	0,1
» рафинир.,.	24—15	75—83 »	0,3—0,1	0,1—0,5	0,1	0,01—0,02	0,01—0,03	0,1	0,1
Феррованадий.	62—50	34—40 V	0,3—0,4	3—9	0,1—0,4	0,04—0,08	0,11—0,14	0,2—0,6	—
» рафинир.	65—44	34—55 »	0,3—0,4	0,1—0,3	—	0,01—0,03	0,02—0,04	0,1	—
Ферротитан электротермич.	74,8	15,79 Ti	7,46	1,41	0,11	0,08	0,05	0,8	—
» алюминотерми-ческий ..	74.0	19,37 »	0,13	2,74	0,47	0,027	0,107	3,18
Ферроураи ..	67—55	30—40 U	1,0	2,5—4	—	—	—	—	—
Ферроалюминий.	78—77	20 А1	0,5—1,0	1—2	0,1—0,2	0,02—0,04	0,02—0,04	—	—
Феррофосфор.	81—66	15—30 Р	1,0—1,5	1—3	2—3	0,1—0,3	—	—	—
Силикошпигель.	70—25	10—20 Si	1,0—3,0	—	20—50	0,02—0,05	0,01—0,2	—	—
Силикомарганец.	25—5	20—30 »	0,5—1,0	—	50—70	0,02—0,05	0,05—0,1	—	—
AMS Крупна.	75—70	10—12 »	1,4—1,5	—	8—10	—	—	5,5—6,5 Zr 9—40	—
Ферроцирконсилиций.	50—7	40—52 »	0,2—0,5	—	-	-	-		-

из ильменита (титанистый железняк) и рутила (ТЮ₂) восстановлением углем в элек-трич. печи, а также алюминотермии, путем. В первом случае сплав необходимо рафинировать для удаления С, а во втором—для удаления А1; в обоих случаях содержание Ti чаще всего не превышает 15—20%. Состав электротермии, и алюминотермии, ферротитана приводится в таблице 1.

Кроме перечисленных Ж., известны еще другие б. или м. часто применяемые сплавы: ферроуран, ферроалюминий, феррофосфор, а также сложные Ж., с двумя или большим числом составляющих—силикошпигель, силикомарганец (сплавы Fe, Si, Μη), AMS (сплавы Fe, AI, Μη, Si), ферроцирконсили-ций (Fe, Zr, Si). Для характеристики этих Ж., в таблице 1 приводится их состав.

Производство Hi. наиболее обширно в странах с высоко развитой железоделательной промышленностью и обладающих запасами необходимых для производства Ж. руд и дешевыми источниками электрич. энергии. Точных статистических данных о производстве многих Ж. не имеется; можно только грубо определить, что мировое производство ферромарганца и ферросилиция измеряется сотнями тысяч ж в год, феррохрома—десятками тысяч, ферровольфрама—тысячами, ферромолибдена и феррованадия — сотнями ж, а остальных Ж.—лишь десятками т.

Для характеристики рыночной стоимости отдельных Ж. приводится табл. 2, дающая средние цены их в 1927 г. на америк. рынке.

Таблица 2.—€ редпие цены на железоспла-вы в 1927 г. за 1 англ, m (1 016,048 килограмм).

Названия железосплавов		Цена в долл.
Зеркальный чугун	19—21% МП..	33—34
Кремнистый »	10—12% Si.	33—34
Ферроманган	78—82% Μη.	90
Феррохром	60—64% Cr, 1—2% С	515,2
Ферровольфрам	70—80% W.	2 553,6
Феррованадий	30—40% V.	78 400
Ферротитан	15—18% Ti.	200
Ферроуран	35-40% U.	110 800

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.

Лит.: Федотьев Π. П., Электрометаллургия, вып. 3, П., 1922; Липин В. Н., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 1, Л., 1924, т. 3, ч. 1, Л., 1926; V e n a t о г W., tlber Eisenlegierungen u. Metal-le i. d. Stahlindustrie, «St. u. E.», 1908, p. 41, 82, 149, 255; Escari J., Les mOtaux spdciaux, P., 1909; Geiger C., Handbuch d. Eisen- u. Stahlgiesserei, 2 Aufl., В. 1, B., 1925; «The Mineral Industry (luring 1926», ed. by G.A.Roush, N.Y., 1927, v. 35. IY1. Ohhos.