Феррохром FeCr. Производство углеродистого феррохрома

Углеродистый феррохром производят в электрических печах большой мощности (10-21 MBА) при линейном напряжении 140-190 В. Футеровка печей магнезитовая. Шихта состоит из хромовой руды, коксика и кварцита (см. "Шихтовые материаллы для производства феррохрома"). Плавка ведется непрерывным процессом. По мере оседания шихты в печь загружают новые порции шихты. Периодически по мере накопления производят выпуск сплава в ковш и разливку его в изложницы.

Главными процессами при плавке углеродистого феррохрома являются процессы восстановления и процессы шлакообразования.

По мере нагрева шихты начинаются процессы восстановления. Закись железа является наиболее легко восстановимым окислом, поэтому железо почти полностью восстанавливается раньше хрома по реакции FeO_тв + С_тв = Fe_тв + CO_газ.

Окись хрома может восстанавливаться с образованием металлического хрома или карбидов хрома; восстановление хрома с образованием карбида хрома Сr₃С₂ (13,3 %С) может начинаться уже при температуре 1107 °С. Если восстановление окиси хрома углеродом происходит при более высоких температурах, то возможно образование карбидов хрома с более низким содержанием углерода: Сr₇С₃ (9 %С) и Сr₄С (5,5 %С) (изменение энергии Гиббса представлено в калориях):

Термодинамический, анализ показывает, что если восстановление окиси хрома происходит при температуре выше 1252°С, то результатом реакции может быть металлический хром. В действительности, однако, при восстановлении окислов хрома углеродом металлический хром или безуглеродистый феррохром не получаются, так как отрицательные значения изобарных потенциалов реакций (2), (3) и (4) больше, чем реакции (1) для всего интервала температур, в котором протекают процессы восстановления хрома. Поэтому при выплавке феррохрома восстановление окислов хрома происходит с образованием различных карбидов хрома. Образующийся вначале сплав содержит 8-10% С; в дальнейшем, при взаимодействии этого сплава с окисью хрома руды и шлака, содержание углерода в нем снижается.

При выплавке феррохрома особенно важное значение имеет правильный выбор состава шлака. Главными компонентами, образующими шлак, являются окись магния, глинозем и кремнезем. При выборе состава шлака пользуются диаграммой состояния системы Mg0-Al₂0₃-Si0₂ (рис.1). Температура плавления углеродистого феррохрома составляет около 1550°С. Сплав перед выпуском из печи должен быть нагрет выше 1600°С; температура плавления шлака должна быть не ниже этой величины. В шахтных печах, работающих непрерывным процессом (без полного проплавления шихты), шлак может быть перегрет выше температуры его плавления лишь немного, вероятно, не более 50-70°. После этого электрическая энергия расходуется не на дальнейший перегрев шлака, а на расплавление новых порций шлака и шихты. Поэтому при выплавке углеродистого феррохрома температура плавления шлака должна быть выше 1600°С. Обычно выбирают шлак, температура плавления которого по диаграмме состояния системы Mg0-Al₂0₃-Si0₂ составляет 1650-1700°С. В реальных шлаках содержится еще окись хрома и закись железа в небольших количествах; это немного снижает температуру плавления шлака, вероятно, до 1620-1650°С. Отношение содержания окиси алюминия к окиси магния в шлаке мало колеблется и обычно составляет около 1,0, поэтому температура плавления шлака определяется главным образом содержанием кремнезема (рис. 2). Если в тройной системе Mg0-Al₂0₃-Si0₂ содержание кремнезема в шлаке равно 32-38%, то температура плавления шлака составляет 1650-1700°С. Обычно выбирают шлак с таким содержанием кремнезема. Реальные шлаки феррохромовой плавки обычно имеют следующий состав: 29- 34% SiO₂; 28-32% Аl₂O₃; 32-35% МgО; 1-2% FеО; 5-7% Сr₂0₃.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния системы Mg0-Al₂0₃-Si0₂

Рисунок 2 - Зависимость температуры плавления шлака из Мg0, Аl₂0₃ и SiO₂ от содержания в нем SiO₂ при отношении Мg0/Аl₂0₃=1.

В шлаке на границе с металлом образуется рудный слой. Трудноплавкие и трудновосстановимые куски руды опускаются в шлак, где они медленно растворяются. Это приводит к повышению концентрации окиси хрома в нижнем слое шлака, что способствует частичному обезуглероживанию феррохрома. Содержание углерода в сплаве при прохождении его через шлак и рудный слой снижается до 5-6%. Рудный слой, таким образом, оказывает положительное действие, способствуя уменьшению содержания углерода в стали до значений, допускаемых в углеродистом феррохроме. Поэтому при выплавке углеродистого феррохрома в состав шихты вводят не менее 40-50% кусковой руды, которая образует рудный слой.

При плавке углеродистого феррохрома восстанавливается также кремний. Эта реакция происходит на поверхности соприкосновения сплава со шлаком по уравнению

Образующийся по этой реакции кремний растворяется в жидком феррохроме. Так как содержание кремния в сплаве не должно превышать значения, допускаемого ГОСТом, необходимо ограничивать восстановление кремния.

Состав шихты должен обеспечить восстановление хрома и кремния в таких количествах, чтобы сплав и шлак были требуемого состава.

Если в шихте количество восстановителя выше нормального, то содержание кремния в сплаве может превысить допускаемую величину, а содержание кремнезема в шлаке окажется ниже расчетного. Шлаки с пониженным содержанием кремнезема тугоплавки и плохо вытекают из печи.

Недостаток восстановителя в шихте приводит к недостаточному восстановлению хрома и кремния, в связи с чем повышается содержание окиси хрома и кремнезема в шлаке, температура плавления шлака снижается. Если при этом в шихте увеличено количество кварцита, то образуются очень кислые, густые шлаки. Если при недостатке восстановителя имеется также значительный недостаток кварцита, то образуются шлаки с пониженным содержанием кремнезема и повышенным содержанием окиси хрома. Такие шлаки тугоплавки и густы, они с трудом выходят из печи. При недостатке восстановителя электроды расположены низко расход электродов повышенный, так как электроды соприкасаются и взаимодействуют со шлаком с повышенным содержанием окиси хрома.

Углеродистый феррохром применяют также в ферросплавном производстве для выплавки ферросиликохрома. Этот сорт углеродистого феррохрома называется передельным феррохромом. В передельном феррохроме содержание кремния не ограничивается. Его выплавляют таким же способом, как и товарный углеродистый феррохром, с тем отличием, что в шихту дается больше кварцита и кокса, а полученный сплав содержит больше кремния (6-8%).

Углеродистый феррохром выпускают из печи в ковш периодически через каждые 2-3 ч. Из ковша товарный феррохром разливают в плоские изложницы, а передельный феррохром подвергают гранулированию, так как при выплавке ферросиликохрома целесообразнее применять гранулированный феррохром.