Ферросплавы

Ферросплав - сплав железа с различными элементами периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Современная промышленность производит более 100 различных видов простых и сложных ферросплавов, в которые в разных сочетаниях входят около 25 химических элементов.

Среди них можно выделить:

• легкие металлы: алюминий(Al), барий (Ba), бор (B), кальций (Ca), магний (Mg), стронций (Sr), титан (Ti);
• редкие и редкоземельные металлы: ванадий (V), вольфрам (W), церий (Ce), иттрий (Y), молибден (Mo), ниобий (Nb), тантал (Ta);
• тяжелые металлы: кобальт (Co), марганец (Mn), никель (Ni), хром (Cr);
• неметаллы: кремний (Si), фосфор (P);
• газы: азот (N).

Благодаря существованию ферросплавов возможен процесс производства материалов с улучшенными и специальными свойствами - конструкционных, коррозионностойких (нержавеющих), жаропрочных, жаростойких, прецизионных и электротехнических сталей, специальных литейных чугунов и прочих разнообразных сплавов.

Впервые ферросплав был получен в 60-х годах XIX века во Франции. Этому способствовало освоение технологии восстановительной плавки в тигельных печах, а также позднее - в доменных печах. Однако, указанные технологии были пригодны лишь для выплавки ферросплавов с низкой концентрацией ведущего элемента и не позволяли получить высокопроцентные сплавы и сплавы тугоплавких металлов, так как не могли обеспечить достаточно высокую температуру процессов. Русский ученый В.В. Петров впервые применил электрическую дугу (электротермический способ) для восстановления окислов металлов углеродом (C), что позволило решить проблему с недостаточно высокой температурой. В 1907 году Ф.М. Бекет разработал электротермический способ производства низкоуглеродистых ферросплавов, применив в качестве восстановителя кремний (Si). Еще один русский ученый Н.Н. Бекетов был основоположником алюминотермического процесса, который также позволял получать низкоуглеродистые материалы.

В промышленности принята классификация ферросплавов по объему производства. Выделяют “большие” и “малые” сплавы.

Большие:

• кремнистые;
• хромистые;
• марганцевые.

Малые:

• ферровольфрам;
• ферромолибден;
• феррованадий;
• сплавы щёлочноземельных металлов;
• феррониобий;
• ферротитан и титансодержащие сплавы;
• ферробор, ферроборал и лигатуры с бором;
• сплавы с алюминием;
• сплавы с редкоземельными металлами;
• ферросиликоцирконий, ферроалюминоцирконий;
• феррокобальт;
• ферроникель.

Маркировку условно можно разбить на несколько частей. Первая состоит из буквы Ф и обозначает принадлежность материала к ферросплавам. Вторая часть определяет ведущий элемент. Он является основой ферросплава и определяет его название и свойства. Из наиболее распространенных можно выделить следующие: В - вольфрам, Мо - молибден, Нб - ниобий, Во - ванадий. Число, которое условно можно отнести к третьей составляющей марки ферросплава, определяет массовую долю ведущего элемента. Затем могут следовать буквы и числа, указывающие на наличие в химическом составе дополнительных элементов. Так, например, буква (а) в марке ферровольфрама говорит о содержании нескольких процентов алюминия.

Примеры маркировки различных ферросплавов

• ФМо60 - ферромолибден с содержанием Mo не менее 60%;
• ФНб58 - феррониобий, количество Nb - 50-65%;
• ФВ80(а) - ферровольфрам, содержание W не менее 80%, Al - не более 3%;
• ФВо40У0,5 - феррованадий, массовая доля V - 35-48%, С - 0,5%.

Достоинства:
• более низкая стоимость по сравнению с чистыми металлами;
• наличие железа в химическом составе уменьшает температуру плавления ведущего элемента, что позволяет проводить выплавку сталей, легированных тугоплавкими металлами, при более низких температурах.

Недостатки:
• практически каждый ферросплав содержит в своем составе примеси в виде серы, фосфора, углероды, марганца и некоторых других компонентов, которые могут перейти в производимый материал;
• содержание легирующего элемента в ферросплаве существенно ниже, чем в чистом виде.

Основное направление применения - производство сталей, чугунов и сплавов. Ферросплавы используются для легирования и раскисления выплавляемых материалов. Первый процесс позволяет существенно улучшить свойства стали путем добавления в ее состав дополнительных элементов, например, вольфрама, молибдена, никеля. Задача второго процесса - удаление из материала кислорода, который является вредной примесью и может существенно ухудшать механические свойства.

Помимо металлургии ферросплавы выступают источниками химических элементов в процессах нанесения защитных металлических покрытий. Также они применяются для получения особо чистых (химически) веществ, в качестве восстановителей в металлотермических процессах, при обогащении полезных ископаемых.

Перечень продукции из ферросплавов достаточно мал по сравнению с аналогичным для черных или цветных металлов. В него входят куски и дробленые просеянные частицы. Такой скромный набор полуфабрикатов объясняется основным применением ферросплава - легирующий элемент или раскислитель, который плавится вместе с производимой сталью или чугуном. Для упомянутых целей нет необходимости в изготовлении листов, прутков или проволоки.