Ферросилиций

Укажите в заявке марку и количество.

Ферросилиций — ферросплав на основе железа и кремния. По ГОСТ 1415-93, принятому взамен ГОСТ 1415-78 и гармонизированному с ИСО 5445-80, ферросилиций определяется как легирующий сплав с минимальным содержанием кремния 8,0% и максимальным — 95% по массе, получаемый методом восстановления. Помимо железа и кремния, сплав содержит нормированные примеси: углерод, серу, фосфор, алюминий, марганец и хром. Ферросилиций применяется в чёрной металлургии и литейном производстве как раскислитель, легирующая добавка и восстановитель.

Марки ферросилиция и химический состав по ГОСТ 1415-93

Действующий ГОСТ 1415-93 устанавливает девять основных марок по таблице 1, различающихся содержанием кремния и предельными концентрациями примесей. Обозначение марки включает буквы «ФС» и число, соответствующее среднему содержанию кремния в процентах. Обратите внимание: диапазон 50–70% Si в стандартном производстве практически не выпускается — сплавы этого состава нестабильны при хранении (см. раздел о самораспаде).

Марка	Si, %	C, % не более	S, % не более	P, % не более	Al, % не более	Mn, % не более	Cr, % не более
ФС90	Св. 87 до 95	0,1	0,02	0,03	3,5	0,3	0,2
ФС75	Св. 74 до 80	0,1	0,02	0,04	3,0	0,4	0,3
ФС70	Св. 68 до 74	0,1	0,02	0,04	2,0	0,4	0,4
ФС70Al1	Св. 68 до 74	0,1	0,02	0,04	1,0	0,3	0,3
ФС65	Св. 63 до 68	0,1	0,02	0,05	2,5	0,4	0,4
ФС50	Св. 47 до 52	0,1	0,02	0,05	1,8	0,6	0,5
ФС45	Св. 41 до 47	0,2	0,02	0,05	2,0	1,0	0,5
ФС25	Св. 23 до 29	0,8	0,02	0,06	1,0	1,0	0,8
ФС20	Св. 19 до 23	1,0	0,02	0,10	1,0	1,0	0,8

Наиболее широко применяются марки ФС45 и ФС75: именно на их долю приходится основной объём потребления в сталеплавильном и литейном производстве. Марка ФС90 используется преимущественно как восстановитель в производстве ферросплавов и в химической промышленности.

Производство ферросилиция

Ферросилиций выплавляют в закрытых или полузакрытых дуговых ферросплавных печах. Шихта состоит из кварцита с содержанием SiO₂ не менее 95%, твёрдого углеродистого восстановителя (кокс, уголь) и железной стружки или рудного концентрата. Кремний восстанавливается из кварцита по реакции SiO₂ + 2C → Si + 2CO и растворяется в жидком железе, образуя ферросилиций. Выплавленный сплав разливают в изложницы; после охлаждения разбивают на куски или дробят до требуемой фракции. Для длительного хранения слиток отливают толщиной не более 100 мм при разливке в один слой или не более 150 мм — в два слоя.

Физические свойства ферросилиция

Плотность ферросилиция снижается по мере роста содержания кремния, поскольку кремний значительно легче железа. Марка ФС45 имеет плотность около 5,0 г/см³, ФС75 — около 3,5 г/см³. Температурный интервал плавления (солидус — ликвидус) для ФС45 составляет приблизительно 1220–1330 °C, для ФС75 — 1300–1330 °C. Эти значения важны при выборе режима ввода сплава в расплав стали или чугуна: более высококремнистые марки имеют более узкий интервал кристаллизации.

Влияние кремния на свойства стали

Кремний — активный раскислитель: в жидкой стали он связывает растворённый кислород в оксид кремния SiO₂, который переходит в шлак. Это снижает газонасыщенность металла и уменьшает пористость отливок и проката. При введении кремния в сталь как легирующего элемента наблюдаются следующие эффекты:

Содержание Si 0,12–0,35% (обычные конструкционные стали): повышение твёрдости, предела прочности, предела текучести и предела упругости. Пластичность при этом несколько снижается — этот фактор необходимо учитывать при разработке технологии обработки давлением. Содержание Si до 2% в конструкционных сталях обеспечивает заметный прирост прочностных характеристик. Содержание Si 2–4% (электротехнические стали): резко снижаются потери на гистерезис и вихревые токи, что принципиально важно для трансформаторной и динамной стали. В сочетании с хромом кремний повышает жаростойкость (сопротивление окислению при высоких температурах) в инструментальных, коррозионностойких и жаропрочных марках стали. В рессорно-пружинных сталях (типовое содержание Si 1,5–2,5%) кремний обеспечивает высокий предел упругости.

Применение ферросилиция

Раскисление и легирование стали

Ферросилиций применяется при выплавке всех видов спокойной стали — он вводится в печь или ковш в конце плавки для удаления растворённого кислорода. Для раскисления и небольшого легирования (Si до 0,35%) обычно используют ФС45, реже ФС75. Для производства высококремнистых трансформаторных, рессорно-пружинных, коррозионностойких и жаропрочных сталей применяют ФС75 и ФС65, обеспечивающие более точное управление химическим составом расплава при меньшем внесении примесей железа.

Модифицирование и легирование чугуна

В литейном производстве ферросилиций присаживают при выплавке серых и высокопрочных чугунов для регулирования содержания кремния и повышения степени графитизации. Кроме того, мелкодисперсный ФС75 используют в качестве инокулятора (модификатора): введение небольших количеств в расплав чугуна перед заливкой измельчает графитовые включения и улучшает механические свойства отливки.

Восстановитель при производстве ферросплавов и других металлов

Высококремнистый ферросилиций (ФС75, ФС90) служит восстановителем при производстве магния силикотермическим методом, феррованадия, ферромолибдена и ряда других ферросплавов. Также ФС90 применяют в химической промышленности для получения кремнийорганических соединений. О смежных ферросплавах — на странице ферросиликомарганец МнС17.

Ликвация, самораспад и газовыделение

Ферросилицию свойственна значительная склонность к ликвации — неравномерному распределению кремния и примесей в объёме слитка при затвердевании. Причина — существенное различие плотностей фаз: кремниевые фазы всплывают, железистые опускаются. Степень ликвации тем выше, чем толще слиток и медленнее его охлаждение. Именно поэтому ГОСТ 1415-93 ограничивает толщину слитка при отливке.

Сплавы с содержанием кремния от 50 до 70% при контакте с атмосферной влагой склонны к самопроизвольному рассыпанию в порошок. Механизм связан с нестабильностью интерметаллидной фазы FeSi в этом диапазоне составов и объёмными изменениями при фазовых превращениях. Склонность к рассыпанию усиливается при повышенном содержании фосфора, алюминия и кальция. По этой причине диапазон 50–70% Si в промышленном производстве, как правило, не реализуется: стандартные марки — ФС50 (47–52% Si) и ФС65 (63–68% Si) — располагаются вблизи границ этой зоны, а не внутри неё.

Отдельная опасность — выделение газов. Ферросилиций с содержанием Si от 30 до 90% при контакте с водой выделяет водород (более 92% объёма смеси) и токсичный фосфин (0,8–1,6% объёма). Интенсивность газовыделения возрастает с увеличением влажности и дисперсности частиц. Порошок ферросилиция фракции менее 3,2 мм с Si от 30 до 90% классифицирован как опасный груз подкласса 4.3 по ГОСТ 19433 (код 4323). Более крупные фракции (3,2–315 мм) в чушках и кусках с допустимым количеством мелочи не менее 12% относятся к безопасным грузам.

Гранулометрический состав и классы крупности

Ферросилиций поставляется в кусках массой до 25 кг, чушках массой до 45 кг и в виде дроблёных просеянных частиц по классам крупности. Класс крупности указывается цифрой в конце обозначения марки через дефис: например, ФС75-2 или ФС45-4. Допускается также указывать диапазон размеров напрямую, например ФС75-20-100.

Класс крупности	Диапазон размеров частиц, мм
1	100–315
2	50–200
3	20–100
4	10–50
5	3,2–25
6	3,2–10
7	менее 3,2

Следует учитывать, что при дроблении куски ферросилиция нередко имеют форму пластин, у которых длина значительно превышает толщину. Это необходимо принимать во внимание при проектировании питателей и систем пневматической подачи.

Нормы мелочи и условия поставки

ГОСТ 1415-93 п. 4.3.3 нормирует допустимое количество мелочи, проходящей через сито с отверстиями 20×20 мм. Нормы различаются в зависимости от формы поставки и марки.

Форма поставки	Марка	Мелочь, % массы партии, не более
Чушки массой до 45 кг	ФС90, ФС75, ФС70, ФС65	10
Чушки массой до 45 кг	ФС50, ФС45	12
Чушки массой до 45 кг	ФС25, ФС20	5
Куски массой до 25 кг	Все марки	10

Поверхность ферросилиция не должна быть загрязнена посторонними материалами; допускаются отдельные включения приварившегося песка, следы противопригарных материалов и графита, а также шлаковая плёнка. Партия оформляется документом о качестве с указанием марки, класса крупности и результатов химического анализа. Ферросилиций должен храниться в сухих, хорошо вентилируемых помещениях: контакт с водой недопустим — прежде всего для мелкодисперсных фракций. Смежный ферросплав с одновременным введением кремния и марганца — ферромолибден.