Ферровольфрам — сплав железа и вольфрама ( ферросплав ), используемый в чёрной металлургии для легирования стали и сплавов.

Состав

Ферровольфрам содержит 65-80 % вольфрама, до 7 % молибдена, примеси кремния, углерода, серы, фосфора и других элементов. Химический состав некоторых марок ферровольфрама по ГОСТ 17293-93 (частично соответствует международному стандарту ISO 5450:1980) представлен в таблице.

Сплав имеет многофазную структуру и может содержать фазу чистого вольфрама, интерметаллид Fe ₇ W ₆ и твёрдый раствор железа в вольфраме.

Получение

Исходные материалы

Основные минералы вольфрама, имеющие промышленное значение — ферберит FeWO ₄ , гюбнерит MnWO ₄ , вольфрамит (Fe,Mn)WO ₄ и шеелит CaWO4 ₄ . Руды вольфрама обычно содержат 0,2-0,5 % WO ₃ , часто в них присутствуют минералы молибдена , олова , меди , мышьяка и других элементов. Обогащают руды различными гравитационными методами — отсадкой , концентрацией на столах и в шлюзах. Получаемые концентраты обычно содержат 55-65 % WO ₃ . Высокожелезистые руды могут подвергаться дополнительному обогащению в магнитных сепараторах ; для отделения шеелита, сульфидов, доводки концентратов применяют флотацию и электростатическую сепарацию . Шеелитовые руды обогащают флотацией в жирных кислотах ( олеиновая кислота , олеат натрия , жидкое мыло ) с использованием в качестве соснового масла или .

Электротермия ферровольфрама

Оксиды вольфрама могут быть восстановлены углеродом , кремнием или алюминием :

${\displaystyle {\frac {2}{3}}\mathrm {WO} _{3}+2\mathrm {C} ={\frac {2}{3}}\mathrm {W} +2\mathrm {CO} }$ ;

${\displaystyle {\frac {2}{3}}\mathrm {WO} _{3}+\mathrm {Si} ={\frac {2}{3}}\mathrm {W} +\mathrm {SiO} _{2}}$ ;

${\displaystyle {\frac {2}{3}}\mathrm {WO} _{3}+{\frac {4}{3}}\mathrm {Al} ={\frac {2}{3}}\mathrm {W} +{\frac {2}{3}}\mathrm {Al} _{2}\mathrm {O} _{3}}$ ;

Если на первой стадии процесса восстанавливать вольфрам углеродом, а на второй — доизвлекать металл из шлака кремнием, может быть получен сплав с низким содержанием углерода при высоком извлечении вольфрама.

Выплавку ферровольфрама, как тугоплавкого сплава, ведут «на блок» или с вычерпыванием из печи металла в «тестообразном» состоянии. Так, на ЧЭМК был разработан углесиликотермический способ выплавки ферровольфрама с вычерпыванием сплава . Используют мощностью 2,5-5,0 МВА, с футеровкой из магнезитового кирпича (в ходе плавки образуется металлический гарнисаж ). Исходные материалы для плавки — вольфрамовый концентрат, нефтяной и пековый коксы , гранулированный ферросилиций , стальная стружка, вольфрамсодержащий шлак. Основной восстановитель — углерод кокса, связывает 60 % кислорода , остальной кислород связывается кремнием ферросилиция. Стальная стружка снижает содержание вольфрама в сплаве до заданного, уменьшает вязкость сплава.

Плавку ведут непрерывно, циклами, на всегда имеется слой металла. Цикл плавки начинается с заправки ванны полужидким металлом и твёрдыми отходами дробления готового сплава; одновременно перепускают электроды. Основное время цикла по характеру протекающих процессов и выполняемых операций можно условно разделить на три периода. В первом периоде происходит проплавление шихты и рафинирование металла предыдущего цикла от кремния, углерода и марганца за счёт окисления этих примесей кислородом концентрата. Второй период — вычерпывание из печи кондиционного по содержанию примесей сплава стальными ложками с помощью специальной машины; при этом продолжают загрузку остатков концентрата небольшими порциями. Третий период — довосстановление WO ₃ из шлака кремнием ферросилиция, одновременно восстанавливаются и переходят в сплав марганец и железо; кроме того, растёт содержание в сплаве кремния и углерода. После получения шлака с содержанием WO ₃ ниже 0,25 % его выдерживают в печи 10-15 минут и выпускают.

Основную долю себестоимости ферровольфрама составляет стоимость концентратов (96-98 %), поэтому на меры по снижению потерь вольфрама обращают особое внимание. Отходящие из печи газы подвергают очистке от пыли в батарейных циклонах и электрофильтрах . Пыль батарейных циклонов брикетируют и возвращают на плавку, пыль электрофильтров переплавляют в отдельной электропечи, с получением сплава с высоким содержанием свинца, висмута и олова и богатого по WO ₃ шлака. Сплав отправляют на переработку на заводы цветной металлургии , шлак возвращают в печь для выплавки ферровольфрама.

В некоторых случаях ферровольфрам выплавляют по двухстадийной схеме — восстановление WO ₃ и FeO углеродом в одной печи и рафинирование получаемого сплава — окисление примесей кислородом вольфрамового концентрата и железной руды — во второй печи.

Алюминотермия ферровольфрама

Ферровольфрам и лигатуры вольфрама с хромом или никелем могут быть получены алюминотермическим способом. Тепла, выделяющегося при восстановлении триоксида вольфрама и оксидов примесей алюминием, недостаточно для нормального протекания плавки, поэтому процесс ведут в электропечи.

По одному из вариантов процесса в состав шихты входят шеелитовый концентрат, порошок алюминия, железная обсечка, железная окалина и известь , а также корки шлака, металлические отходы предыдущих плавок, уловленная пыль. Шихту перед плавкой брикетируют . Плавку начинают с подачи на подину некоторого количества брикетов, зажигание их производят запальной смесью из железной окалины и алюминиевого порошка. После образования расплава опускают электроды, набирают электрическую нагрузку и начинают загрузку шихты. После проплавления всей шихты довосстанавливают шлак алюминиевой крупкой, выдерживают его в печи и выпускают. В печи остаётся слиток ферровольфрама и слой сплава с повышенным содержанием молибдена, кремния и алюминия, сплав переплавляют и рафинируют смесью железной руды и извести .

Применение

Ферровольфрам используется в чёрной металлургии для легирования стали и сплавов. Вольфрам входит в состав быстрорежущих , жаропрочных , , некоторых конструкционных сталей, он увеличивает временное сопротивление разрыву и предел текучести стали, повышает её прочность и твёрдость при высоких температурах, увеличивает интенсивность намагничивания и улучшает коэрцитивные свойства магнитных сталей.

Примечания