Тигельное производство ферросплавов

Сплавы, содержащие трудновосстановимые элементы – хром, титан, вольфрам, никель – первоначально получали только тигельным способом. Согласно «Энциклопедии промышленных знаний» (1901 г.), «выплавка феррохрома из руды производится очень просто». Для этого вручную, с помощью лопаты, готовили смесь руды, 12-15 % древесного угля, 6-7 % истёртой в порошок смолы, около 5 % битого стекла и 10-12 % кварцевого песка. Полученную массу помещали в графитовые или глиняные тигли, оставляя место для тонкого слоя мелкобитого стекла и более грубых кусков древесного угля. После этого тигель закрывался крышкой, которую плотно примазывали к краям глиной, оставляя в ней лишь небольшое отверстие для выхода газов.

Печь для нагрева тиглей ранней конструкции и тигли для выплавки качественной стали начала XIX в.

Затем тигли помещались в регенеративную печь, как правило, конструкции Сименса (прообраз мартеновской печи), либо специально сконструированную для производства ферросплавов, например, конструкции Борхерса. Выплавленный таким образом феррохром получался в виде слитка («штыка») по форме соответствующего внутреннему профилю тигля. Аналогичным образом получали ферровольфрам.

Печь конструкции Сименса с теплообменниками-регенераторами

Крупномасштабное производство феррохрома и хромистой стали было организовано в Германии: в Ганновере Бирманом в 1873 г. и на заводе Хальцера в1875 г. Бруштлейном. В 1886 г. Гадфильд опубликовал подробные исследования о свойствах и способах производства железо-хромо-углеродистых сплавов.

Регенративная печь для выплавки феррохрома в тиглях конструкции Борхерса

Существовали более сложные схемы получения металлов, руды которых содержали большое количество примесей, либо содержание которых в рудах было низким. В таких случаях сначала тем или иным способом получали промежуточный продукт с достаточно высоким содержанием производимого металла, а затем уже в тигле производили рафинирование полученного полупродукта. Таким образом производили, например, никель – различными способами, зависящими от типа используемой руды, получали черновой никель, который затем переплавляли в тиглях.

Применялись и другие способы получения, как ферросплавов, так и чистых металлов. Например, в 1854 г. удалось получить чистый металлический хром электролизом водных растворов хлорида хрома, аналогичным способом получали высокочистый никель. Однако в основном это было лабораторное либо мелкомасштабное производство – экономически целесообразно было производить ферросплавы в тиглях.

Главными проблемами тигельного производства были высокие затраты и низкая производительность. Поэтому уже в 1880-х гг. марганец- и кремнийсодержащие ферросплавы, которые применялись, в первую очередь, для раскисления стали, производили практически исключительно в доменных печах.

В начале XX в. тигельный способ производства применялся для получения мало- и безуглеродистых ферросплавов, прежде всего – малоуглеродистого ферромарганца. Силикотермический метод получения малоуглеродистого ферромарганца запатентовали в 1893 г. Уильям-Фауст Грин и Уильям Генри Уэль. Однако из-за высокой цены малоуглеродистого ферромарганца спрос на него был чрезвычайно мал, и потому силикотермический метод производства малоуглеродистого ферромарганца долгое время не находил промышленного применения. Он был востребован лишь после Первой Мировой войны.

В первой половинеXX в. для производства малоуглеродистого ферромарганца (и других безуглеродистых ферросплавов) использовались алюминотермический и силикотермический методы.

Алюминотермический метод применяется, главным образом, для получения металлического марганца. В подогретый магнезитовый тигель загружали хорошо перемешенную смесь порошкообразных оксидов марганца и металлического алюминия Процесс инициировали с помощью специальной зажигательной смеси в отдельном участке тигля. При повышении температуры оксиды марганца начинали реагировать с алюминием. За счет теплоты этой экзотермической реакции активно нагревались соседние участки в тигле, и там точно так же происходило восстановление марганца. Тепловой эффект горения алюминия столь велик, что в очень короткое время все содержимое тигля нагревалось до высокой температуры без подвода тепла извне, что обеспечивало практически полное восстановление оксидов марганца. В учебнике «Теория и практика выплавки ферросплавов в электропечах» (1934 г.) отмечалось: «метод этот не требует сколько-нибудь заметных капитальных затрат: оборудование состоит из одного лишь тигля, не нагреваемого ни током, ни газом, ни другим источником тепла».

Для получения малоуглеродистого ферромарганца в промышленном масштабе пользовались классическими силикотермическими методами Джина и Беккерта. По способу Джина процесс получения малоуглеродистого ферромарганца осуществлялся в две стадии: сначала получение силикомарганца, содержащего незначительное количество углерода, затем рафинировка силикомарганца от кремния марганцовой рудой. По способу Беккерта оксиды марганца восстанавливались богатым ферросилицием. Сложный метод Джина, при котором сначала кремний восстанавливали, чтобы получить силикомарганец с содержанием около 30 % кремния, а затем окисляли и переводили в шлак, имел целью достижение минимально возможного содержания в сплаве углерода.