Силикоалюминий
Комплексные ферросплавы содержат два или более элемента раскислителя. Силикоалюминий содержит кремний и алюминий. Использование силикоалюминия и других комплексных раскислителей имеет ряд преимуществ перед тем случаем, когда используются обычные раскислители.
Силикоалюминий содержит 25—40% Аl; 50—60% Si и до 10% Fe. Исходными материалами для получения ферросиликоалюминия являются глиноземистые руды (бокситы и др.), бедные по глинозему, с повышенным содержанием кремнезема. Такие руды невыгодно использовать для получения чистого алюминия. В качестве восстановителя используется древесный уголь. Плавку ведут в мощных электропечах по технологии, близкой к технологии получения богатого ферросилиция. В процессе плавки идет восстановление кремния и алюминия по реакциям:
1/2SiO2 + С = 1/2Si + СО; ΔG0 = 343,673 — 0,190 T кдж/моль (82,085 — 0,045 Т ккал/моль);
1/3Аl203 + С = 2/3Аl + СО; ΔG0 = 427,263 — 0,180 Т кдж/моль (102,050 — 0,043 Т ккал/моль).
Термодинамический расчет показывает, что температура восстановления алюминия по последней реакции (2095° С) существенно выше, чем для кремния (1541° С). Однако при получении силикоалюминия восстановленный алюминий переходит в раствор с кремнием и железом, в результате равновесие реакции сдвигается вправо и температура начала восстановления понижается. Применение силикоалюминия для раскисления экономически более выгодно, чем применение чистого алюминия, так как расход электроэнергии на тонну чистого алюминия существенно (на 40— 50%) выше, чем на тонну алюминия в силикоалюминии.
Силикокальций
Силикокальций является комплексным раскислителем, широко используемым при выплавке высококачественных сталей. Силикокальций содержит 23—31% Са, около 60% Si и до 10% Fe. Шихта для получения силикокальция содержит кварцит, известь или карбид кальция и восстановитель (коксик и древесный уголь). В процессе плавки в результате взаимодействия окислов кальция и кремния с углеродом и карбидом кальция протекают реакции восстановления, которые можно представить уравнениями:
1/2SiO2 + С = 1/2S + СО, СаО + С = Са + СО,
ΔG0 = 684,123 — 0,283Т кдж/моль (163,400 — 0,068Т ккал/моль);
2/5SiO2 + 1/5СаО + С = 1/5Са + 2/51/2Si + СО;
ΔG0 = 408,246 — 0,207Т кдж/моль (99,508 — 0,049Т ккал/моль);
1/2SiO2 + 1/2СаС2 = 1/2Si + 1/2Са + СО,
ΔG0 = 448,343 — 0,215Т кдж/моль (107,085 — 0,051 Т ккал/моль).
Температура начала восстановления извести твердым углеродом 2147° С. Кремний и кальций образуют соединение — силицид кальция Са2Si— по реакции:
1/4SiO2 + 1/2СаО + С = 1/4Са2Si+ СО;
ΔG0 = 467,113 — 0.240Т кдж/моль (111,568 — 0,057 Т ккал/моль).
Для этой реакции температура, при которой рсо = 1 ат, равна 1667° С. При выплавке силикокальция очень важным является правильная дозировка шихтовых материалов. При недостатке восстановителя возможно образование легкоплавкого шлака, в результате чего понижается активность кремнезема и извести и затрудняется восстановление кремния и кальция. При избытке восстановителя образуются карбиды SiС и СаС2.
Во избежание зарастания печи, карбиды периодически разрушаются путем добавления кварцитов:
SiС + 1/2SiO2 = 3/2Si + СО,
ΔG0 = 333,834 — 0,105Т кдж/моль (79,735 — 0,026Т ккал/моль);
1/2СаС2 + 1/2SiO2 = 1/2Si + 1/2Са + СО.
Поскольку процесс идет при высоких температурах, то в процессе плавки происходит испарение кремния и кальция. В результате извлечение кремния и кальция в сплав составляет около 75 и 60%, соответственно.
Силикомарганец
Силикомарганец используется в качестве комплексного раскислителя при производстве стали, а также в качестве исходного материала для получения малоуглеродистого 4 и среднеуглеродистого ферромарганца. Силикомарганец содержит не менее 65% Mn, 14—20% Si и 1,0—2,5% С. В состав шихты входят марганцовистый шлак от выплавки ферромарганца, марганцевая руда, кварцит, стружка и коксик.
Плавка ведется в тех же печах, что и для выплавки ферросилиция и ферромарганца. В процессе плавки идет одновременное восстановление марганца и кремния. Восстановление марганца термодинамически значительно легче по сравнению с кремнием.
Для повышения активности кремнезема в расплаве необходимо, чтобы шлак был кислым. Тем не менее необходимо иметь достаточно высокие температуры, чтобы получить нужное содержание кремния в силикомарганце. Так, на выпуске температура силикомарганца составляет 1500° С по сравнению с 1350° С для углеродистого ферромарганца. Переход марганца и кремния в сплав составляет около 70 и 40%, соответственно.
