Производство феррохрома
Хром входит как легирующий элемент в очень многие стали и сплавы. Добавка хрома способствует самозакаливанию стали и углублению закалки. Хром повышает твердость стали и прочность, уменьшая пластичность. В сочетании с кремнием хром придает стали жаростойкость. При низком содержании углерода высокохромистые стали (более 12% Сr) после закалки и полировки обладают устойчивостью против ржавления. При высоком содержании углерода хром повышает сопротивление истиранию и износу; хром способствует также повышению прочности при высоких температурах.
Наша промышленность выпускает феррохром с разным содержанием углерода (табл. 1). Чем ниже содержание углерода в сплаве, тем больше энергии и материалов затрачивается на его производство и тем дороже сплав. Безуглеродистый феррохром применяют при выплавке нержавеющей стали и сплавов типа нихром.
Таблица 1 – Сортамент феррохрома
Для выплавки жаропрочных сплавов, в которых содержание железа ограничено, вместо феррохрома применяют металлический хром.
Исходным сырьем для получения хромовых сплавов являются хромовые руды. Основными минералами хромовой руды являются хромшпинелиды: (Mg, Fe)Cr2О4 (магнохромит), Fe (CrAl)2O4 (алюмохромит) и др. Хромшпинелиды содержат до 62% Cr2О3, остальная часть приходится на окислы железа, алюминия, магния. Наиболее важные требования, предъявляемые к хромовым рудам, следующие:
а) содержание окиси хрома не менее 40%;
б) отношение Cr2O3/FeO не ниже 2,5. Такое соотношение обеспечивает получение сплава с 60% Cr;
в) для получения наиболее употребительного углеродистого феррохрома марки ФХ650 (с пониженным содержанием углерода) часть хромовой руды должна быть кусковой, трудновосстановимой, она должна содержать минимальное количество легкоплавкой пустой породы.
Феррохром выплавляют различными способами в зависимости от содержания в нем углерода.
Углеродистый и передельный феррохром выплавляют из хромистой руды путем восстановительной плавки с использованием коксика в качестве восстановителя.
Низко-, средне- и безуглеродистый феррохром выплавляют более сложным способом с использованием трех плавильных агрегатов. В одной печи получают передельный феррохром, отличающийся от углеродистого повышенным содержанием кремния (около 3%). В другой печи на шихте, состоящей из кварцита, коксика и передельного ферррохрома, выплавляют сплав, содержащий 30— 60% Cr, 30—40% Si, 20% Fe и 0,03—0,7% С (ферросиликохром). Наконец, в третьей печи хромистую руду восстанавливают кремнием ферросиликохрома и получают феррохром, содержащий тем меньше углерода, чем меньше его было в использованном для плавки ферросиликохроме. Специальный безуглеродистый феррохром, содержащий 0,01—0,04% С, получают восстановлением железа и хрома из расплава руды и извести жидким ферросиликохромом или восстановлением хромовой руды алюминием. Металлический хром наряду с силикотермическим способом получают путем восстановления окиси хрома алюминием или электролитическим способом.
Производство углеродистого феррохрома
Шихтовые материалы. Шихта для производства углеродистого феррохрома состоит из хромовой руды и коксика.
Хромовая руда усредняется как по крупности, так и по химическому составу. Крупность кусков, как правило, не более 80 мм. Количество кусковой руды в смеси должно быть не менее 50%.
В качестве восстановителя применяют отсортированный коксик в кусках размером 10—25 мм, содержащий не более 0,5% S и не более 0,04% Р.
Если при расчете состава шлака выявится потребность во флюсе, то в качестве флюса применяют кварцит в кусках размером 10—100 мм.
Физико-химические условия процесса. При выплавке углеродистого феррохрома происходят следующие процессы: а) удаление летучих и влаги из шихты и подогрев шихты теплом горящих газов, уходящих из печи и догорающих на колошнике; б) восстановление железа и хрома с одновременным образованием карбидов хрома и железа; в) плавление восстановленных элементов с образованием жидкого феррохрома; г) образование и плавление шлака; д) восстановление кремния и хрома из шлака.
При восстановлении окислов хрома и железа хромовой руды углеродом коксика основными реакциями являются
⅔ Cr2О3 + 18/7 С = 4/21 Cr7С3 + 2СО;
FeO + С = Fe + CO.
Восстановленное железо растворяет карбид хрома с образованием сложного карбида (Cr, Fe)7C3, в результате чего равновесие сдвигается в сторону восстановления окиси хрома.
Восстановление хрома из руды начинается при температуре около 1150° С, продолжается с возрастающей скоростью в более горячих зонах печи и заканчивается в горне, где хром восстанавливается из окиси хрома шлака.
При восстановлении углеродом содержание его в сплаве может превысить 8%. Для получения феррохрома марки ФХ650, содержащего менее 6,5% С, необходимо обеспечить частичное обезуглероживание сплава по реакции
⅔ Cr7С3 + ⅔ Сг2О3 = 6 Cr + 2СО.
Для осуществления этой реакции подбирают руду с тугоплавкой пустой породой, чтобы создать над жидким сплавом «рудный слой», богатый окислами хрома. Руда имеет плотность 4,2—4,8 при плотности шлака 3,2, поэтому руда проходит в нижние слои шлака. Поскольку рудный слой очень вязкий, он не выходит из печи при выпуске сплава.
Восстановление железа из его закиси происходит с большой полнотой (до 95—97%) одновременно с восстановлением окиси хрома. В присутствии железа температура плавления сплава снижается, вследствие чего облегчается процесс плавки.
При работе на кислых шлаках содержание кремния в сплаве может доходить до 8%. При выплавке многих сталей желательно применять феррохром, содержащий менее 1 % Si. Наличие рудного слоя обеспечивает наряду с окислением углерода окисление кремния до 2—3%.
Фосфор и сера вносятся в сплав главным образом коксиком, поэтому содержание этих элементов в коксике ограничивают величинами 0,04 и 0,5% соответственно.
Температура в горне печи зависит от состава шлака. Для получения шлака с температурой плавления около 1650° С в системе SiO—А12О3—MgO должно находиться около 40% SiO2. В присутствии в реальном шлаке других компонентов температура его плавления снижается. Если состав пустой породы не обеспечивает в шлаке 40% SiO2, то в состав шихты добавляют необходимое количество кварцита.
Технология плавки. Углеродистый феррохром выплавляют в трехфазных электрических печах мощностью 7 – 10 МВА с электродами диаметром 900—1150 мм при напряжении 140—190 В. Подину и стены горна футеруют магнезитовым кирпичом, верхнюю часть стен — шамотным.
Плавку ведут непрерывно. Глубина посадки электродов равна 800—1000 мм. Шихта в смешанном виде поступает в печь из печных бункеров по рукавам и подвижным лоткам и распределяется равномерно по колошнику, не образуя конусов у электродов. Шихту заваливают по мере ее оседания на колошнике. Общий расход ее в течение 1 ч сопоставляют с израсходованной энергией.
При нормальной работе печи по всей поверхности колошника равномерно выделяется желтое пламя. Нарушения хода наиболее часто обусловлены недостатком или избытком флюса (кварцита) или восстановителя. Каждое отклонение имеет характерные внешние признаки (глубокая или мелкая посадка электродов, понижение или повышение вязкости шлака, понижение или повышение содержания кремния или углерода и др.), по которым опытный персонал может установить причину нарушения хода печи и быстро восстановить нормальный ход.
Кратность шлака около 1. Сплав и шлак выпускают три раза за смену в ковш, в котором сплав оседает вниз, а шлак переливается через носок ковша в помещенную на параллельном пути шлаковую чашу. Сплав разливают в плоские изложницы. Чтобы облегчить разбивку сплава, толщина слитков не должна превышать 200 мм.
Извлечение хрома 92%.