Ферросплавы относятся к различным сплавам железа с высокой долей одного или нескольких других элементов , таких как марганец (Mn), алюминий (Al) или кремний (Si). [1] Они используются в производстве сталей и сплавов. [2] [3] Сплавы придают особые качества стали и чугуну или выполняют важные функции в процессе производства и, следовательно, тесно связаны с черной металлургией , ведущим потребителем ферросплавов. Ведущими производителями ферросплавов в 2014 году были Китай , Южная Африка , Индия , Россия и Казахстан , на долю которых приходилось 84% мирового производства. [4] Мировое производство ферросплавов в 2015 году оценивалось в 52,8 млн тонн . [5]
Основными ферросплавами являются:
Ферросплавы производятся, как правило, двумя способами: в доменной печи или в электродуговой печи . Производство доменных печей непрерывно снижалось в течение 20-го века, тогда как производство электродуговых печей все еще растет. Сегодня ферромарганец все еще может эффективно производиться в доменной печи, но даже в этом случае электродуговые печи получают распространение. Чаще всего ферросплавы производятся с помощью карботермических реакций , включающих восстановление оксидов углеродом (в виде кокса) в присутствии железа. Некоторые ферросплавы производятся путем добавления элементов в расплавленное железо.
Также возможно производить некоторые ферросплавы прямыми восстановительными процессами. Например, процесс Круппа-Ренна используется в Японии для производства ферроникеля . [6]
Ведущими странами-производителями хромитовой руды в мире в 2014 году были Южная Африка (12 млн т), Казахстан (3,7 млн т), Индия (3,5 млн т) и Турция (2,6 млн т). Большая часть добычи хромитовой руды была выплавлена в электродуговых печах для производства феррохрома для металлургической промышленности. Ведущими странами-производителями феррохрома в мире в 2014 году были Китай (4,5 млн т), Южная Африка (3,6 млн т), Казахстан (1,2 млн т) и Индия (0,9 млн т). Большая часть из 11,7 млн т феррохрома, произведенного в мире, была потреблена в производстве нержавеющей стали, что в 2014 году составило 41,7 млн т. [4]
Два марганцевых ферросплава, ферромарганец и силикомарганец, являются ключевыми ингредиентами для производства стали. Китай является ведущим мировым производителем марганцевых ферросплавов (2,7 млн т), с объемом производства, намного превышающим совокупный объем производства следующих трех крупнейших производителей — Бразилии (0,34 млн т), Южной Африки (0,61 млн т) и Украины (0,38 млн т). [2]
Основными производителями ферромолибдена являются Чили (16 918 т), Китай (40 000 т) и США (на долю которых в 2008 году пришлось 78% мировой добычи молибденитовой руды). Оставшаяся часть пришлась на Канаду, Мексику и Перу. Концентраты молибденита обжигаются для получения оксида молибдена, который может быть преобразован в ферромолибден, молибденовые химикаты или металлический молибден. Хотя США были второй страной-производителем молибдена в мире в 2008 году, они импортировали более 70% своего ферромолибдена в 2008 году, в основном для сталелитейной промышленности (83% потребляемого ферромолибдена). [2]
В 2014 году около 33% ежегодного нового никеля в мире составлял ферроникель , [8] обширная обзорная статья о котором была опубликована Шварценрубером и др. в 1991 году. [9] Многие из метеоритов , которые падают на Землю, оказываются ферроникелем, [9] и принимают форму камасита и/или тэнита . [ требуется ссылка ] Ферроникель имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру (через Ni). [10] Он может принимать форму феррита , мартенсита или аустенита . Бинарная система Fe-Ni была исследована для аналогичных целей со сталью, поскольку присутствие никеля в высоколегированных сталях, таких как аустенитные нержавеющие стали и мартенситно-стареющие стали, является ключевым фактором для перехода от объемноцентрированного кубического феррита к гранецентрированному кубическому аустениту. [11]
В конце 20 века 60% производства никеля было основано на плавке штейна из сульфидных руд, что не подходило для производства ферроникеля. [12] Согласно данным 2003 года, доля латеритов в производстве первичного никеля составляла 42%. [12] Мировое годовое производство ферроникеля в 2014 году составило около 250 000 тонн. [8] Двумя крупнейшими производителями были BHP и Société Le Nickel . [8] Латеритовые руды часто используются для обеспечения производственного процесса. [13] [14] Часто используется процесс RKEF. [15] Потребление энергии на тонну продукта для латеритовых руд высокое из-за низкосортного сырья, и, следовательно, производит много отработанного шлака и газообразного загрязнения. [16] Как правило, более 90% продукции печи находится в виде шлака . [8] Методика очистки расплавленного ферроникеля является темой для специалистов, [17] и из-за изменчивости содержания руды процессы могут даже нуждаться в адаптации к источнику: например, процесс Larco греческих руд. [18] «Основной причиной добавления никеля в ферросплавы является содействие аустенитной микроструктуре. Никель, как правило, повышает пластичность, вязкость и коррозионную стойкость». [19] Никелевый чугун отличается от ферроникеля низкой массовой долей (4–10%) никеля и высоким содержанием углерода (>3%). Напротив, ферроникель является относительно чистым бинарным сплавом. [19]
В 2008 году основными странами-производителями ферроникеля были Япония (301 000 т), Новая Каледония (144 000 т) и Колумбия (105 000 т). Вместе эти три страны производили около 51% мирового производства, если исключить Китай. Украина, Индонезия, Греция и Македония, в порядке убывания валового веса, произвели от 68 000 т до 90 000 т ферроникеля, что составляет еще 31%, не считая Китая. Китай был исключен из статистики, поскольку его промышленность производила большие объемы никелевого чугуна в дополнение к спектру обычных сортов ферроникеля, что составляет предполагаемый совокупный объем производства 590 000 т валового веса. Содержание никеля в отдельных китайских продуктах варьировалось от примерно 1,6% до 80% в зависимости от конечного использования потребителем. [2]
В Соединенных Штатах на сталелитейную промышленность пришлось практически весь потребленный в 2008 году ферроникель, причем более 98% было использовано в нержавеющих и жаропрочных сталях; в 2008 году в США ферроникель не производился. [2]
Никелевый чугун — это низкосортный ферроникель, производимый в Китае, который пользуется большой популярностью с 2010-х годов.
Потребление кремниевого ферросплава обусловлено производством чугуна и стали, где кремниевые сплавы используются в качестве раскислителей. Некоторое количество металлического кремния также использовалось в качестве легирующего агента с железом. Исходя из содержания кремния, чистое производство ферросилиция и различных кремниевых сплавов в США составило 148 000 тонн в 2008 году. Китай является основным поставщиком, который в 2008 году произвел больше ферросилиция (4,9 млн тонн), чем все остальные страны мира вместе взятые. Другими крупными производителями являются Норвегия (0,21 млн тонн), Россия (0,85 млн тонн) и США (0,23 млн тонн). [2]
Титан используется в сталеплавильном производстве для раскисления, контроля размера зерна, а также контроля и стабилизации углерода и азота. В процессе сталеплавильного производства титан обычно вводится в виде ферротитана из-за его относительно низкой температуры плавления и высокой плотности. Стали с относительно высоким содержанием титана включают в себя беспримесные, нержавеющие и высокопрочные низколегированные стали. Ферротитан обычно производится индукционной плавкой титанового лома с железом или сталью; однако его также производят непосредственно из титановых минеральных концентратов. Стандартные марки ферротитана составляют 30% и 70% титана. Также производится ферросилиций-титан, позволяющий одновременно добавлять кремний и титан. Ведущими странами-производителями ферротитана являются Бразилия, Китай, Индия, Япония, Россия, Украина, Великобритания и США. [2]
Ферротантал добавляют в расплавленную сталь для создания закаливаемых специальных сталей. Он также используется в качестве сварочного материала, распыляемого порошка и для порошковой металлургии. [20]
Вольфрам является важным легирующим элементом в быстрорежущих и других инструментальных сталях, а также используется в меньшей степени в некоторых нержавеющих и конструкционных сталях. Вольфрам часто добавляют в расплавы стали в виде ферровольфрама, который может содержать до 80% вольфрама. В мировом производстве ферровольфрама доминирует Китай, который в 2008 году экспортировал 4835 тонн (брутто) сплава. Ферровольфрам относительно дорог, его цена составляет около 31–44 долларов за килограмм содержащегося вольфрама. [2]
В 2008 году на Китай, Россию (12 000 т) и Южную Африку (17 000 т) приходилось 98% мирового производства ванадия. В этих трех странах ванадий в основном извлекался из титансодержащей магнетитовой руды, перерабатываемой для производства чугуна. Процесс включает алюминотермическое восстановление оксида ванадия (V) , алюминия (в качестве оксидного геттера) и железного лома. [1] В результате получается шлак, содержащий от 20% до 24% пентоксида ванадия, который может быть далее переработан в феррованадий, содержащий от 40% до 50% ванадия. Из 5090 т ванадия, потребленного в Соединенных Штатах в 2008 году, 84% приходилось на феррованадий, и почти весь он (99%) пошел на производство стали. [2]
В данной статье использованы материалы из общедоступного источника Ferroalloys (PDF) . Геологическая служба США .
{{cite journal}}: CS1 maint: date and year (link)