7.9. Технология получения азотированного феррохрома

Система Cr-N (рис. 7.23). Азот с хромом образуют твер-дый раствор [N]_Cr и нитриды Cr₂N (11,87% N) и CrN (21,22% N). Теплота образования нитрида CrN ∆Н = –114 кДж/моль, энтропия 328,1 Дж/(мольK).

Температурные зависимости изменений стандартной энергии Гиббса реакций образования нитрида хрома имеют вид (Дж/моль):

4Cr + N₂ = 2Cr₂N;

∆G= –216942 – 48,07TlgT + 275,8T;

2Cr₂N + N₂ = 4CrN;

∆G=–267520 – 48,07TlgT + 347,7T.

Рис. 7.23. Изобарные сечения диаграммы состояния Cr–N при

давлениях 10⁵ (а), 10⁴ (б) и 10² Па (в)

Азотированный феррохром используется для выплавки хромоникельмарганцевых, хромомарганцевых аустенитных и других сталей с целью частичной замены дефицитного никеля и повышения физико-механических свойств металлопродукции. В странах СНГ производится азотированный феррохром с содержанием до 10 мас. %N (табл. 7.22)..

Таблица 7.22. Химический состав, %, низкоуглеродистого феррохрома, содержащего азот (ГОСТ 4757-91)

Феррохром	Cr	C, 	Si	P, 	S, 	N
плавленый FeCr…CIN3	45–75	0,10	1,5	0,03	0,025	2,0–4,0
спеченный FeCr…CIN7	45–75	0,10	1,5	0,03	0,025	2,0–4,0
		0,10	1,5	0,03	0,025	4,0–10,0

Выделяют два вида азотированного феррохрома: плавленый и спеченный. Плавленый феррохром с содержанием 2,0-4,0% N получают насыщением азотом жидкого низкоуглеродистого феррохрома в индукционных электропечах, а также при плазменно-дуговой плавке. Растворение молекулярного азота в жидком феррохроме сопровождается выделением тепла. По причине экзотермичности процесса

N_2(газ) + [Fe-70%Cr]  2[N]_Fe-70Cr

содержание растворенного в жидком феррохроме азота с повышением температуры снижается. Азотированный спеченный феррохром представляет собой насыщенный азотом порошок (4,0–10,0% N) обезуглероженного в вакууме высокоуглеродистого феррохрома. Спеченный азотированный феррохром может быть получен также азотированием порошка низкоуглеродистого силикотермического феррохрома. В зависимости от требований потребителей содержание азота в феррохроме может быть доведено до 10 мас.%.

Получение азотированного феррохрома в твердом состоянии. Сущность способа состоит в нагревании мелких фракций феррохрома в атмосфере молекулярного азота при температурах, обеспечивающих термодинамическую устойчивость нитридов (Cr, Fe)₂N и (Cr, Fe)N и высокую скорость процесса азотирования. Промышленно освоенным способом является азотирование брикетов низкоуглеродистого феррохрома, полученного вакуумным методом обезуглероживания углеродистого феррохрома. Химический состав азотированного феррохрома приведен в табл. 7.23.

Таблица 7.23. Химический состав, %, феррохрома низкоуглеродистого азотированного (ГОСТ 4757-79_

Марка	Сr, не менее	C	Si	P	S	Al	N, не менее
		не более
ФХН100А	65	0,06	1,0	0,02	0,02	0,2	1,0
ФХН100Б				0,03
ФХН200А	65	0,06		0,03	0,02		2,0
ФХН200Б				0,04
ФХН400А	65	0,06		0,03	0,04		4,0
ФХН400Б				0,04
ФХН600А	60	0,03		0,03	0,04		6,0
ФХН600Б				0,04

Примечание. По требованию покупателя низкоуглеродистый азотированный феррохром изготовляют с массовой долей С 0,02% во всех марках; 0,03% в марках ФХН100А, ФХН200Б, ФХН200А, ФХН400А, ФХН400Б с массовой долей Al 0,1% во всех марках

После окончания процесса обезуглероживания в вакуумных печах сопротивления при 1100^оС в печь вводят азот (99,5% N₂) под давлением 100 кПа. Полученные брикеты азотированного феррохрома охлаждают до 600-800^оС в атмосфере азота при давлении 3–4 кПа. Затем в печь напускают воздух и в дальнейшем охлаждают на воздухе. На 1 т азотированного феррохрома с 6–8% N, 60% Cr и 0,01% С расходуется 1100 кг передельного углеродистого феррохрома; 150 м³ азота при расходе электроэнергии 9500 кВт∙ч.

Азотирование феррохрома в жидком состоянии. С.В.Безобразов* и др. исследовали влияние молекулярного азота при давлении от 0,1 до 5 МПа на его равновесное содержание в расплавах Fe–Cr, содержащих от 20 до 90% Cr. Для изотермических условий 1600^оС и р до 0,1…5 МПа пороговая концентрация азота, мас. %, описывается выражением:

[N]_Fe-Cr = [N]_Fex_Fep + [N]_Crxp.

Для р = 0,1 МПа (и t = 1600^оС) выражение принимает более простой вид:

[N]_Fe-Cr = 0,044x_Fe + 6,1x.

Азотированию подвергают низкоуглеродистый феррохром с низким содержанием кремния, раскисленный алюминием, обеспечивая условия, исключающие образование оксидной пленки (шлака) на поверхности расплава. Газообразный азот должен быть тщательно очищен от кислорода и Н₂О. Наиболее полно эти условия выполняются при азотировании феррохрома в вакуумных индукционных печах. Азотирование жидкого среднеуглеродистого феррохрома можно производить также в кислородном конвертере. При этом используют конвертер с боковой подачей азота в жидкий феррохром. Проведены опыты и показана возможность получения азотированного феррохрома с использованием плазменной технологии. Во всех случаях получается феррохром с 1–2% растворенного азота, достаточно равномерно распределенного по высоте слитка.

_________________________

* Безобразов С.В., Пономаренко А.Г., Иноземцева Е.И. Растворимость азота в высокохромистых расплавах системы железо–хром //Известия АН СССР. Металлы. 1980. – №3. – С.53–59.

245