Ферровольфрам

 

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

Ферровольфрам содержит 65-80 % вольфрама, до 7 % молибдена, примеси кремния, углерода, серы, фосфора и других элементов. Химический состав некоторых марок ферровольфрама по ГОСТ17293-93 (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.

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. 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.

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. 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, 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.

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.

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 улучшаеткоэрцитивные свойства магнитных сталей.