Ферроникель

Ферроникель — ферросплав на основе железа и никеля, получаемый преимущественно восстановительной электроплавкой окисленных никелевых руд. Этот материал служит экономичной альтернативой чистому никелю при легировании сталей и сплавов. Себестоимость производства ферроникеля существенно ниже, чем рафинированного металла, что делает его основным источником никеля для металлургических предприятий.

Никель — один из ключевых легирующих элементов в металлургии. Его добавка повышает прочность, вязкость, пластичность стали и придаёт ей коррозионную стойкость. Ферроникель позволяет вводить никель в расплав в удобной и технологичной форме, обеспечивая равномерное распределение элемента в объёме металла. Подробнее о свойствах чистого металла — на странице Никель.

Химический состав ферроникеля по ISO 6501

На международном рынке требования к составу ферроникеля устанавливает стандарт ISO 6501:1988 «Ферроникель. Технические условия и требования к поставке». Стандарт определяет пять марок по содержанию никеля — 20, 30, 40, 50 и 70 %. Каждая марка подразделяется на пять групп в зависимости от содержания углерода и фосфора.

Группы ферроникеля по содержанию примесей

Классификация на группы отражает степень рафинирования сплава. Чем ниже содержание углерода и фосфора, тем выше качество ферроникеля и шире область его применения в производстве ответственных марок стали.

Аббревиатуры групп расшифровываются следующим образом: LC — Low Carbon (низкоуглеродистый), LCLP — Low Carbon Low Phosphorus (низкоуглеродистый, низкофосфористый), MC — Medium Carbon (среднеуглеродистый), MCLP — Medium Carbon Low Phosphorus (среднеуглеродистый, низкофосфористый), HC — High Carbon (высокоуглеродистый). Помимо перечисленных элементов, по соглашению между производителем и заказчиком может контролироваться содержание марганца, алюминия, титана и кальция.

Марки ферроникеля по содержанию никеля

Обозначение марки формируется по схеме: FeNi + процент никеля + группа. Например, FeNi20LC — ферроникель с 20 % никеля, низкоуглеродистый. Стандарт ISO 6501 нормирует пять марок: FeNi20, FeNi30, FeNi40, FeNi50 и FeNi70. Содержание никеля в реальном производстве может быть и ниже 20 %, что определяется составом исходной руды. В России перерабатываются преимущественно бедные руды с содержанием никеля до 1,5 %, тогда как зарубежные месторождения нередко дают руду с содержанием никеля до 2,2 % и выше.

Влияние примесей на качество ферроникеля

Каждая примесь в составе ферроникеля влияет на технологические свойства и область применения сплава. Понимание этого влияния важно для технологов и специалистов по закупкам при выборе конкретной группы ферроникеля.

Углерод. Определяющий параметр классификации. Низкоуглеродистый ферроникель (группы LC и LCLP) необходим для выплавки нержавеющих и коррозионностойких сталей, где избыточный углерод снижает стойкость к межкристаллитной коррозии. Высокоуглеродистый ферроникель (группа HC) применяется при выплавке конструкционных сталей, где требования к углероду менее жёсткие.

Фосфор. Повышает склонность стали к хладноломкости и снижает ударную вязкость. Низкофосфористые группы (LCLP, MCLP с содержанием P до 0,020 %) используют при производстве сталей, работающих при отрицательных температурах и подвергающихся ударным нагрузкам.

Сера. Ухудшает свариваемость и горячую пластичность стали. Ферроникель с содержанием серы более 0,5 % не пригоден для прямого применения в сталеплавильном производстве и требует дополнительной переработки.

Кремний. В небольших количествах участвует в раскислении стали. В высокоуглеродистом ферроникеле допускается содержание кремния до 4,0 %, что связано с особенностями электроплавки — кремний восстанавливается из шлака вместе с металлами.

Хром. В низкоуглеродистых группах ограничен до 0,10 %, в высокоуглеродистых — до 2,0 %. Контроль содержания хрома важен при производстве сталей с заданным соотношением легирующих элементов.

Производство ферроникеля: технологические стадии

Получение ферроникеля — один из основных вариантов переработки окисленных (латеритных) никелевых руд. Технологический процесс включает несколько последовательных стадий.

Подготовка руды и восстановительный обжиг

Исходную руду подвергают усреднению, дроблению, грохочению и сушке. При необходимости выполняют окускование — агломерацию или брикетирование мелких фракций. Подготовленную шихту загружают в трубчатые вращающиеся печи для восстановительного обжига. На этой стадии достигается глубокое восстановление никеля и кобальта, а также частичное восстановление железа (на 40–60 %). Температура обжига и состав восстановительной газовой среды подбираются таким образом, чтобы максимально перевести никель в металлическую фазу.

Плавка огарка в электропечах

Горячий огарок из вращающейся печи загружают в руднотермическую электропечь. Плавку ведут в круглых печах с самоспекающимися электродами мощностью 20–100 МВА. Расход электроэнергии составляет до 810 кВт·ч на тонну сухой руды. Продуктом электроплавки является черновой ферроникель, содержащий значительное количество примесей — углерода, кремния, серы, фосфора и хрома. Такой сплав непригоден для прямого использования в сталеплавильном производстве и подлежит рафинированию.

Рафинирование чернового ферроникеля

Рафинирование направлено на удаление избыточных примесей и доведение состава сплава до требований стандартов. Применяются две основные схемы.

Первая схема включает десульфурацию расплава содой в ковше и двухстадийное конвертирование в вертикальных кислородных конвертерах. Первую стадию проводят в конвертерах с кислой футеровкой (динасовый кирпич) — для удаления кремния и части хрома. Шлаки этого периода обогащены оксидом кремния. Вторую стадию осуществляют в конвертерах с основной футеровкой (магнезито-хромитовый кирпич) — для удаления остатков хрома, углерода, серы и фосфора.

Вторая схема — рафинирование в ковшевых печах типа ASEA-SKF. Ковш оснащается съёмным сводом с тремя графитовыми электродами. Расплав обрабатывают CaO-содержащим флюсом с подогревом и продувкой углекислым газом или кислородным дутьём. На первом этапе удаляется фосфор, после скачивания шлака выполняется десульфурация с введением раскислителя (например, ферросилиция), извести и плавикового шпата.

Товарный ферроникель после рафинирования гранулируют или разливают в изложницы.

Применение ферроникеля в металлургии

Ферроникель применяется как легирующая добавка при выплавке широкого спектра сталей и сплавов. Выбор группы ферроникеля определяется требованиями к конечной продукции.

Легирование конструкционных и специальных сталей

Никель повышает прочность, ударную вязкость и пластичность стали, улучшает прокаливаемость и снижает порог хладноломкости. Эти свойства востребованы в производстве конструкционных легированных сталей для машиностроения, энергетики, судостроения и транспортной инфраструктуры. Для конструкционных марок обычно используют ферроникель групп MC и HC.

Нержавеющие и жаропрочные стали

При выплавке хромоникелевых нержавеющих сталей аустенитного класса (например, типа 08Х18Н10) ферроникель вводят в завалку электросталеплавильной печи. Для таких сталей используют низкоуглеродистый ферроникель групп LC и LCLP, поскольку избыток углерода провоцирует межкристаллитную коррозию. Жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе никеля также требуют ферроникеля с минимальным содержанием вредных примесей. Ознакомиться с другими ферросплавами для легирования сталей можно в соответствующем разделе каталога.

Формы поставки ферроникеля

В зависимости от способа получения и требований потребителя ферроникель поставляется в следующих формах:

Источники сырья для получения ферроникеля

Основным сырьём служат окисленные (латеритные) никелевые руды, которые образуются при выветривании ультрабазитовых горных пород в условиях тропического климата. Крупнейшие месторождения латеритных руд расположены в Юго-Восточной Азии (Индонезия, Филиппины), Океании (Новая Каледония), Латинской Америке и Карибском бассейне. Помимо руд, ферроникель может быть получен из вторичного сырья — отходов легированных сталей, отработанных железо-никелевых аккумуляторов и другой никельсодержащей вторичной шихты.

Особенности выбора ферроникеля для производства

При заказе ферроникеля инженеру-технологу и специалисту по закупкам следует учитывать ряд факторов. Группа ферроникеля (LC, MC, HC) должна соответствовать требованиям нормативной документации на выплавляемую марку стали по содержанию углерода и фосфора. Содержание никеля определяет расход ферросплава на плавку — при прочих равных условиях ферроникель с высоким содержанием никеля (FeNi50, FeNi70) экономичнее по массе загрузки, но дороже за килограмм. Форма поставки подбирается с учётом оборудования цеха: гранулированный ферроникель удобен для автоматизированных систем дозирования, чушки и куски — для ручной загрузки.

Содержание серы в ферроникеле критически важно. Материал с массовой долей серы выше 0,5 % не может применяться напрямую при выплавке стали без дополнительной переработки. Для ответственных марок сталей рекомендуется использовать ферроникель с минимальным содержанием серы и фосфора (группы LCLP, MCLP).