Ферровольфрам

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^[1] (частично соответствует международному стандарту ISO 5450:1980) представлен в таблице.

Химический состав ферровольфрама, % масс. (остальное — железо)

Марка	Массовая доля, %
	W, не менее	Mo	Mn	Si	C	P	S	Cu	As	Sn	Al	Pb	Bi	Sb
		не более
ФВ80(a)	80	6,0	0,2	0,8	0,10	0,03	0,02	0,10	0,04	0,04	3,0	0,01	0,01	0,01
ФВ75(a)	75	7,0	0,2	1,1	0,15	0,04	0,04	0,20	0,05	0,05	5,0	-	-	-
ФВ70(a)	70	7,0	0,3	2	0,2	0,06	0,06	0,30	0,06	0,08	6,0	-	-	-
ФВ72	72	1,0	0,4	0,5	0,3	0,04	0,08	0,15	0,04	0,08	-	0,02	0,02	0,02
ФВ70	70	2,0	0,5	0,8	0,5	0,06	0,10	0,20	0,05	0,10	-	-	-	-
ФВ65	65	6,0	0,6	1,2	0,7	0,10	0,15	0,30	0,08	0,20	-	-	-	-

Сплав имеет многофазную структуру и может содержать фазу чистого вольфрама, интерметаллид Fe₇W₆ и твёрдый раствор железа в вольфраме.

Получение

Исходные материалы

Основные минералы вольфрама, имеющие промышленное значение — ферберит FeWO₄, гюбнерит MnWO₄, вольфрамит (Fe,Mn)WO₄ и шеелит CaWO4₄. Руды вольфрама обычно содержат 0,2-0,5 % WO₃, 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 % WO₃^[2]. 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 вспенивателя соснового масла или креозола.

Электротермия ферровольфрама

Оксиды вольфрама могут быть восстановлены углеродом, кремнием или алюминием:

$~\frac{2}{3}\mathrm{WO}_3 + 2\mathrm{C} = \frac{2}{3}\mathrm{W} + 2\mathrm{CO}$;

$~\frac{2}{3}\mathrm{WO}_3 + \mathrm{Si} = \frac{2}{3}\mathrm{W} + \mathrm{SiO}_2$;

$~\frac{2}{3}\mathrm{WO}_3 + \frac{4}{3}\mathrm{Al} = \frac{2}{3}\mathrm{W} + \frac{2}{3}\mathrm{Al}_2\mathrm{O}_3$;

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^[3]. Используют рудовосстановительные печи 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^[4], остальной кислород связывается кремнием ферросилиция. Стальная стружка снижает содержание вольфрама в сплаве до заданного, уменьшает вязкость сплава.

Плавку ведут непрерывно, циклами, на подине 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 WO₃ 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 WO₃ 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 WO₃ 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 WO₃ 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^[3].

Применение

Ферровольфрам используется в чёрной металлургии для легирования стали и сплавов. Вольфрам входит в состав быстрорежущих, жаропрочных, магнитных, 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

1. ↑ ГОСТ 17293-93 Ферровольфрам. Технические требования и условия поставки. — М.: Издательство стандартов, 1995.
2. ↑ ГОСТ 213-83 Концентрат вольфрамовый. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 2004.
3. ↑ ^{1 2} Гасик М. И., Лякишев Н. П. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. — Учебник для вузов. — М.: СП Интермет Инжиниринг, 1999. — 764 с. — ISBN 5-89594-022-6
4. ↑ Еднерал Ф. П. Электрометаллургия стали и ферросплавов. — Изд. 4-е, исп. и доп.. — М.: Металлургия, 1977. — С. 493-514. — 488 с.