Феррохром FeCr. Низкоуглеродистый феррохром. Обезуглероживание феррохрома
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Феррохром FeCr. Низкоуглеродистый феррохром. Обезуглероживание феррохрома

Низкоуглеродистый феррохром может быть получен путем обезуглероживания углеродистого феррохрома; обезуглероживание можно осуществлять как в твердом, так и в жидком состоянии.

Обезуглероживание Феррохрома в твердом состоянии. При взаимодействии карбидов хрома с окисью хрома происходит окисление углерода карбида кислородом окиси хрома. Б результате образуются более низкоуглеродистые карбиды или металлический хром. Реакции, по которым происходит обезуглероживание феррохрома, приведены ниже (изменение энергии Гиббса приведено в калориях):

При протекании реакций (1) и (2) образуются продукты с высоким содержанием углерода, так как наиболее низкоуглеродистый карбид (Сr4С) содержит 5,5% С. Для получения малоуглеродистого и безуглеродистого феррохрома необходимо создать такие условия, при которых реакция (3) протекала бы слева направо. Константа равновесия реакции (3) выражается следующим уравнением:

Так как карбид хрома, окись хрома и образующийся металлический хром находятся в виде твердых веществ, то их активности равны единице и уравнение (4) принимает такой вид:

Константа равновесия может быть определена по значению изобарного потенциала:

Уравнения (3), (5) и (6) позволяют определить соотношение между упругостью окиси углерода и температурой, при которых реакция (3) находится в состоянии равновесия.

Такие расчеты показывают, что реакция (3) может протекать при температуре 1350-1400°С, если давление окиси углерода в реакционном пространстве понижено до 0,001 атм.

Обезуглероживание феррохрома в твердом состоянии осуществляется в вакуумных печах. Углеродистый феррохром подвергается измельчению и затем окислительному обжигу. Поверхность зерен феррохрома покрывается тонким слоем окиси хрома. В результате окислительного обжига содержание кислорода в феррохроме повышается до 10% и более. Из смеси углеродистого и окисленного феррохрома вместе со связующим материалом изготовляют брикеты, которые обжигают в вакуумной печи. Температура в печи постепенно повышается до 1400oС, давление в печи понижается до 0,001 ат. Реакции окисления в твердых фазах происходят медленно, процесс продолжается 25-100 ч. Вначале происходит окисление углерода в высших карбидах (Сr3С; и Сr7С3), а затем окисление углерода в карбиде Сr4С, в результате чего содержание углерода в феррохроме снижается до 0,01-0,02%.

После окончания процесса печь медленно охлаждают. Полученные таким образом брикеты содержат около 70% Сr и 0,01-0,02% С. При необходимости получить безуглеродистый азотированный феррохром в камеру печи во время ее охлаждения вводят азот при давлении 1 ат. Содержание азота в феррохроме повышается до 3-8%.

Обезуглероживание Феррохрома е жидком состоянии. Обезуглероживание феррохрома в твердом состоянии является весьма длительным процессом и применяется для получения феррохрома с наиболее низким содержанием углерода. В металлургии наиболее производительными являются процессы, в которых обработке подвергаются жидкие продукты. Обезуглероживание феррохрома в жидком состоянии производится в конверторах путем воздействия на жидкий углеродистый феррохром газообразным кислородом. Струя кислорода проникает в жидкий металл и окисляет хром, а также некоторые другие примеси, содержащиеся в сплаве. Образующаяся в конверторе окисная фаза насыщена окислами хрома; взаимодействие окиси хрома с углеродом приводит к окислению углерода. В первом приближении углеродистый феррохром можно рассматривать как раствор углерода в железо-хромистом расплаве, не уточняя, в виде каких карбидов углерод находится в расплаве. Реакцию окисления углерода можно выразить таким уравнением:

Так как шлаковая фаза насыщена окисью хрома, то активность окиси хрома можно принять равной единице. Для общей оценки влияния различных факторов на ход обезуглероживания феррохрома в уравнении константы равновесия можно активности заменить концентрациями:

Содержание углерода в сплаве в условиях равновесия реакции (8) зависит от давления окиси углерода, концентрации хрома в сплаве и температуры (К является функцией температуры). Если обезуглероживание ведется при постоянном давлении, то равновесное содержание углерода в сплаве является функцией только температуры (рис. 1), так как содержание хрома в феррохроме в процессе обезуглероживания мало изменяется.

Зависимость содержания углерода в феррохроме от температуры обезуглероживания

Рисунок 1 - Зависимость содержания углерода в феррохроме от температуры обезуглероживания.

При 1600-1650°С окисление углерода в феррохроме может происходить только при высоком его содержании в сплаве (см. рис. 1). Понижение содержания углерода в сплаве до 1,5% возможно при ведении плавки при температуре 1700oС; получение сплава с еще более низким содержанием углерода требует еще более высоких температур.

Условия окисления углерода в феррохроме облегчаются, если проводить обезуглероживание при пониженных давлениях или в вакууме. Обезуглероживание феррохрома в конверторе осуществляется следующим образом (рис. 2).

Положения конвертора для продувки углеродистого феррохрома кислородом с применением вакуума в различные периоды продувки

Рисунок 2 - Положения конвертора для продувки углеродистого феррохрома кислородом с применением вакуума в различные периоды продувки: 1 - ось вращения, полая цапфа соединена с вакуумным насосом; 2 - фурма для подачи кислорода; 3 - вакуумный колпак; 4 - герметичный кожух

После заливки в конвертор углеродистого феррохрома через фурму подают кислород в конвертор и поворачивают его в вертикальное положение. В первый период продувки происходит окисление хрома, в результате чего температура металла повышается и в конверторе образуется шлак с высоким содержанием окислов хрома. Для более быстрого подъема температуры во время поворота конвертора в вертикальное положение в металл добавляют алюминий в количестве 0,5-0,8% от массы металла. При окислении алюминия кислородом выделяется много тепла и повышается температура металла. В первый период продувки температура сплава повышается до 1700-1750°С, а содержание углерода снижается до 3%. Затем конвертор наклоняют в такое положение, при котором ось конвертора образует с горизонтом угол в 20°. Кислород, подаваемый на наклонную поверхность сплава, не только окисляет углерод, но и дожигает окись углерода до углекислоты. При этом выделяется много тепла и значительно повышается температура сплава. На этом этапе продувки температура сплава повышается до 1850°С, а содержание углерода снижается до 1,5%. Если требуется более низкое содержание углерода в сплаве, то конвертор накрывают колпаком и создают разрежение, обычно около 0,1 ат. Выдержка сплава при пониженном давлении позволяет снизить содержание углерода, в нем до 0,5% и менее. Шлаки, образующиеся на конечной стадии продувки, содержат до 80% окиси хрома; их используют при выплавке углеродистого феррохрома.

Рассмотренный способ обезуглероживания феррохрома в конверторе позволяет получать среднеуглеродистый феррохром. Более высокая степень обезуглероживания может быть достигнута при ведении плавки в индукционных печах при более высоком вакууме. Такой способ был предложен еще в 1934 г. и впоследствии был исследован в лабораторном и промышленном масштабе. Исследования показали, что при проведении обезуглероживания при 1650-1700°С и давлении 0,01-0,005 ат возможно получение феррохрома с 0,01-0,02 %С. Однако этот способ еще не получил широкого промышленного применения, так как вакуумные печи для рафинирования феррохрома еще недостаточно освоены промышленностью.