Історичний розвиток виробництва феросплавів і технічно чистих металів визначило основні способи вилучення елементів з руд і концентратів, що існують і в даний час:
- електротермічний;
- металотермічних;
- доменний;
- електролітичний.
Електротермических способи здійснюються в енергетичних установках, що дозволяють перетворювати електричну енергію в теплову, яка використовується для відновлення, плавлення, нагрівання металів і сплавів, а також рафінування їх. Все електротермічні процеси ділять на групи, що відрізняються типом і сферою застосування продуктів:
- електрометалургія феросплавів;
- електрометалургія сталі;
- отримання карбідів (кремнію, бору, кальцію і ін.) і ціаністих з'єднань;
- електроплавка оксидів (отримання нормального, білого електрокорунду і монокорунду, кварцового скла, плавленого магнезиту, муллита і т. д.);
- сублімація і подальша конденсація елементів і сполук (фосфору і ін.);
- синтез і крекінг речовин в газовій фазі за допомогою електричного розряду (озону, оксидів азоту, пероксиду водню).
Електротермических методи засновані на використанні дугових електричних печей, в яких тепло виділяється при проходженні струму через газовий проміжок і шихтові матеріали, що володіють високим електричним опором. Самі процеси характеризуються можливістю отримання високих температур в області горіння електричних дуг, хімічною нейтральністю джерел тепла, можливістю здійснення процесів з будь-яким складом газової фази (відновлювальної, окисної, нейтральної) і в вакуумі, а також легко і швидко змінювати потужність установки з повною автоматизацією її роботи .
Електролітичні способи засновані на електролізі водних розчинів або розплавлених солей і використовуються для одержання особливо чистих металів. Однак це пов'язано з витратою значної кількості електроенергії і необхідністю застосування особливо чистих матеріалів.
Доменний процес дозволив вперше отримувати необхідні феросплави (з марганцем, кремнієм і хромом), але він вимагає значної витрати високоякісного коксу, а одержувані сплави містять багато вуглецю. Недоліком доменної плавки є також неможливість досягнення високих температур внаслідок утворення великої кількості газів і втрат з ними тепла. У доменних печах в СРСР в даний час виплавляють
50% високовуглецевого феромарганцю.
Безперервні і періодичні процеси. Феросплавні процеси поділяються на безперервні та періодичні. Безперервні процеси характеризуються безперервним завантаженням шихти в рудовідновних електропіч з закритим колошником і періодичним (або безперервним) випуском феросплаву і шлаку. Шихта розташована в печі весь час на певному рівні. Електроди постійно занурені в шихту, а випуск металу і шлаку ведеться періодично або безперервно. При цьому використовують печі великої електричної потужності (16,5- 75 МВА), а в якості відновника застосовують вуглецеві матеріали.
Розміри газової порожнини навколо нижнього (робочого) кінця електрода залежать від розподілу струму між шихтою і електричною дугою. Чим менше електричний опір шихти, тим більший струм йде через шихту від одного електрода до інших (в печі з трьома електродами), до вуглецевої блокам, розташованим в стінах печі, до розплаву шлаку і металу, що знаходяться на подине печі. Електричний опір шихти залежить від кількості вуглецевого відновника в ній, його електричного опору, а також від температури появи в шихті рідкої фази і її кількості.
Рудна (оксидна) частину шихти включає прості або складні мінерали з певною температурою плавлення. Простий мінерал складається з кристала, утвореного одним оксидом, складний мінерал представлений хімічною сполукою двох або більше оксидів різних елементів. Чим вище температура плавлення мінеральної частини шихти і менше кількість рідкої фази в шихті (при постійному масовому співвідношенні вуглецевого відновника і оксидної частини), тим більша частка електричного струму проходить через дугу, утворюючи газову порожнину навколо електрода. Форма і розміри газової порожнини навколо робочого кінця електрода залежать також від температури появи рідкої фази в мінеральної частини шихти і її кількості.
Різні мінерали в оксидної (рудної) частини плавляться при різних температурах. При високій температурі плавлення мінералів рідка оксидная фаза (шлак) утворюється в найгарячіших (нижніх) горизонтах шихти, і газові порожнини під електродами отримують значний розвиток. Продукт хімічних реакцій (металевий розплав) накопичується на подине печі, якщо щільність металевої фази більше щільності оксидного розплаву. Якщо відновлюваний елемент (феросплав) має щільність, меншу щільності оксидного розплаву (кремній, сілікоалюмінія, силикокальций), металевий розплав розташовується в печі в окремих зонах, сполучених вузькими каналами між собою. Випуск феросплаву з печі виробляється, як правило, через певні проміжки часу (1,0-1,5 год) або безперервно (кристалічний кремній, сілікоалюмінія).
Безперервний випуск металу сприяє підтримці сталої роботи печі з низькою посадкою електродів в шихті, а відновлені елементи протягом меншого проміжку часу знаходяться в контакті з СО газової фази, і вторинне карбідоутворення в результаті окислення вже відновлених елементів монооксидом вуглецю отримує менший розвиток. Температура оксидного і металевого розплаву, що знаходяться в печі, визначається температурою плавлення шихти. Практично вся підводиться додаткова потужність витрачається на фізико-хімічні процеси плавлення і відновлення оксидів вуглецем, що протікають з поглинанням великої кількості тепла.
Безперервний процес характеризується раціональним використанням тепла, одержуваного при підводі електричної енергії в ванну печі; розплав оксидів і металу завжди закритий шаром шихти, втрати тепла відкритою поверхнею розплаву відсутні. Тепло газів, що відходять частково витрачається на нагрів шихтових матеріалів, в результаті цього в шихті йдуть процеси видалення летючих речовин, гідратнон і гігроскопічної вологи, починаються процеси відновлення оксидів в твердих фазах, забезпечуються теплом ендотермічні реакції, що протікають на поверхні вуглецевого відновлення при контакті конденсованих вищих і газоподібних нижчих оксидів елементів.
Безперервні процеси здійснюються в основному в закритих і герметичних печах, обладнаних склепінням, що забезпечує вловлювання та очищення відпрацьованих газів (85-90% СО). Колошниковим газ, який має високу теплоту згоряння, може використовуватися в якості палива і газу-відновника для нагріву і попереднього відновлення шихти в окремих агрегатах (зазвичай в трубчастих печах), а також для випалу вапняку і отримання з СО хімічних продуктів.
Періодичні процеси ведуть з використанням певної кількості шихтових матеріалів, призначених для однієї плавки. Завантажена в піч шихта повністю проплавляется з відновленням оксидів провідних елементів. Випуск продуктів плавки (металу і шлаку) ведуть періодично; найчастіше випускають з печі метал і шлак одночасно.
Шлакові і бесшлаковую процеси. Електротермических процеси поділяють на бесшлаковую і шлакові. Відносна кількість шлаку при виробництві феросплавів визначають або в процентах по відношенню до маси металу, або по кратності шлаку, т. Е. По співвідношенню маси шлаку і металу. Зазвичай до бесшлаковую процесам відносять виплавку феросплавів, при яких кількість шлаку незначно і становить 3-10% від маси металу (наприклад, виплавка кристалічного кремнію, феросиліцію, силикокальция, сілікоалюмінія, ферросілікохрома). При бесшлаковую процесах шлак утворюється оксидами, що містяться в невеликих кількостях в рудах, концентратах, нерудних матеріалах і невідбудованими під час плавки.
Шлакові процеси супроводжуються утворенням значної кількості шлаку. Кратність шлаку може становити 1,2-1,5 при виплавці високовуглецевого феромарганцю і силікомарганцю і 2,5-3,5 при отриманні ферохрому і металевого марганцю силікотермічеським способом.
Флюсові і бесфлюсовой процеси. Виплавку феросплавів при періодичному процесі найчастіше ведуть флюсовим методом, хоча в певних умовах доцільна бесфлюсовая плавка. При флюсового методі відновлення оксидів провідного елементу відбувається по реакціях:
2MeО • SiO2 + 2С + СаО2 = 2Ме + СаО • SiO2 + 2СО;
2МеО + Si + CaO = 2Ме + CaO * SiO2;
3MeO + 2Al + CaO = 3Me + CaO * Аl2O3.
Зменшення активності SiO2 і Аl2 O3 сприяє зсуву реакцій в бік більшою мірою відновлення оксиду провідного елементу і термодинамічно процес відновлення стає більш імовірним внаслідок зменшення зміни енергії Гіббса системи при утворенні сполук оксиду флюсу з SiO2 і Аl2 O3. Як флюси використовують матеріали, що містять CaO, MgO і інші компоненти, що утворюють найбільш міцні хімічні сполуки з оксидами - продуктами реакцій відновлення. При цьому зменшується в'язкість шлаку, знижується (або підвищується) температура плавлення шлаку, зменшується концентрація в феросплавів домішок, що призводить до більш повного вилучення провідного елементу і підвищенню якості феросплаву. Можлива електропічна плавка і бесфлюсовой методом. При цьому знижується витрата електроенергії і збільшується продуктивність печі, але ступінь відновлення провідного елементу зменшується. Шлак містить значну кількість оксидів провідного елементу і його зазвичай використовують для виплавки феросплавів, углеродовосстановітельним способом. При цьому зменшується витрата флюсу і підвищується наскрізне використання провідного елементу. Однак бесфлюсовой спосіб може бути здійснений за умови використання високоякісних руд і концентратів.
Вибір варіанту технології плавки з введенням флюсу в шихту або плавки без флюсу визначається його економічністю, можливістю підвищення продуктивності кожної печі. Ця ознака є основним, так як від типу відновлювача залежать не тільки фізико-хімічні процеси, що визначають сутність технології того чи іншого феросплаву, а й практичні прийоми ведення процесу, тип застосовуваного пічного агрегату, хімічний склад одержуваного сплаву і область його використання. За цією ознакою процеси виробництва феросплавів класифікуються на углеродотерміческіе (УТП), силікотермічеським (СТП) і алюмінотермічне (АТП).