Ферросилиций: свойства и способы получения¶

Ферросилиций — сплав железа и кремния, используемый главным образом как раскислитель и легирующая добавка в чёрной металлургии. Содержание кремния в промышленных марках колеблется от 10 до 90 %; остальное приходится на железо и неизбежные примеси — углерод, алюминий, кальций, фосфор, серу. Сплав относится к классу ферросплавов и занимает среди них первое место по объёмам мирового производства.

¶Состав и свойства

Основные характеристики определяются долей кремния. По ней ферросилиций делят на группы: низкокремнистый (до 20 % Si), среднекремнистый (20–50 %), высококремнистый (свыше 50 %, чаще всего 65–75 % и 90 %). С ростом содержания кремния плотность сплава падает: если у марки ФС20 она близка к 6,0 г/см³, то у ФС75 составляет около 3,2–3,5 г/см³, а у ФС90 — порядка 3,0 г/см³. Температура плавления также снижается — от примерно 1300 °C у низкокремнистых марок до 1200–1250 °C у высококремнистых.

Кристаллическая структура зависит от состава: при содержании кремния около 50 % образуется фаза лебоит (FeSi₂), а сплавы с 75 % Si и выше имеют структуру, близкую к дисилициду железа. Высококремнистый ферросилиций хрупок, плохо поддаётся механической обработке и дробится ударом. Существенное свойство — способность выделять водород при контакте с влагой: у марок с 70–75 % Si во влажной среде возможно образование силицида водорода, поэтому материал хранят в сухих условиях.

¶Способы получения

Ферросилиций выплавляют восстановительной электроплавкой в рудовосстановительных печах. Восстановителем служит углерод кокса или каменноугольного полукокса, источником кремния — кварцит (кварцевый песок, жильный кварц), источником железа — железная стружка, окалина или железорудный концентрат.

Суммарная реакция восстановления может быть записана в виде:

SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑

с последующим образованием силицидов железа. Процесс ведут в дуговых печах непрерывного действия с самоспекающимися электродами при напряжении 100–250 В и температуре в реакционной зоне 1800–2000 °C. Шихту загружают сверху, расплав выпускают через лётку в ковш или изложницы, после чего слитки охлаждают и дробят.

Различают два основных технологических варианта:

• Одностадийный — выплавка сразу высококремнистого сплава (ФС65, ФС75) из кварцита и железосодержащих добавок.
• Двухстадийный — сначала получают низкокремнистый сплав (ФС10–ФС25), затем его переплавляют с дополнительным кварцитом до высоких марок.

Для получения особо чистых марок применяют рафинирование: продувку расплава кислородом или обработку синтетическим шлаком, что снижает содержание алюминия и кальция. Расход электроэнергии составляет 5–8 тыс. кВт·ч на тонну сплава, расход кварцита — порядка 1,8–2,0 т на тонну ФС75.

¶Применение

Главный потребитель ферросилиция — металлургия стали. Сплав вводят в расплав для раскисления (связывания растворённого кислорода) и легирования. Кремний повышает прочность, упругость и коррозионную стойкость стали, улучшает её электротехнические свойства. Значительные объёмы идут на производство трансформаторной (кремнистой) стали.

Другие направления использования:

• модифицирование чугуна для получения шаровидного графита;
• производство силуминов и других алюминиевых сплавов;
• получение кремния и его соединений, в том числе ферросилиция как промежуточного продукта;
• восстановитель в металлотермических процессах (например, при выплавке ферромолибдена);
• наполнители и добавки в строительных смесях, огнеупорных материалах.

¶Мировое производство

Крупнейшие производители — Китай, Россия, Норвегия, Бразилия, Индия. Россия располагает значительными мощностями на Урале и в Сибири, ориентированными на дешёвую электроэнергию и местную кварцитовую базу. Мировое производство ферросилиция оценивается в несколько миллионов тонн в год, причём свыше половины приходится на китайские предприятия. Ключевые факторы размещения отрасли — доступность кварцита, восстановителя и низкая стоимость электроэнергии, поскольку электроэнергия формирует основную часть себестоимости.