Глава 6. ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА

Из всех легирующих элементов в сталях наибольшее примене­ние находит хром. Для легирования стали хромом в нашей стране производят 17 марок феррохрома. Эти сплавы в основном отличаются по содержанию углерода, которое изме­няется от 0,01 до 9 %. Углеродистый феррохром производят четырех марок: ФХ650, ФХ800, ФХ850 и ФХ900, которые со­держат более 65% Сг и соответственно углерода менее 6,5; 8; 8,5 и 9 %. Они содержат до 2 % Si, до 0,05 % Р и до 0,06% S.

Шихтовые материалы

Для выплавки углеродистого феррохрома применяют хромовые руды в основном Донского месторождения (Казахстан), кото­рые содержат 30—58 % Сг₂0₃, остальное FeO, MgO, Al₂0₃, Si0₂. В связи с истощением богатых руд в последние годы используют бедные (с содержанием до 30% Сг₂О_э) руды, подвергая их обогащению и иногда агломерации. К рудам и концентратам предъявляют следующие требования: содержание Сг₂0₃ не менее 47%; отношение Cr₂0₃/FeO не менее 3,0, такое соотношение обеспечивает получение сплава с содер­жанием хрома более 60%; содержание Si0₂ не более 7—9%. Высокое содержание Сг₂0₃ и низкое содержание Si0₂ позво­ляют уменьшить количество шлака и потерь хрома со шлаком, снизить расход электроэнергии. Иногда в шихту добавляют шлак производства среднеуглеродистого феррохрома, содер­жащий 27—32 Сг₂0₃ и иногда оборотные отходы сплава.

В качестве флюса применяют кварцит, необходимый для получения требуемых свойств и состава (27—32% Si0₂) шлака.

В качестве восстановителя применяют отсортированный коксик размером 10—25 мм, содержащий не более 0,5 % S и не более 0,04% Р.

В состав хромовой руды входят оксиды железа, они вно­сят в сплав требуемое количество железа.

Выплавка сплава

Углеродистый феррохром выплавляют непрерывным процессом в открытых и закрытых печах с магнезитовой футеровкой мощ­ностью до 40 MB • А и более при рабочем напряжении 140—

250 В.

Шихту, содержащую хромовую руду, коксик и кварцит рас­считывают, исходя из того, что восстанавливаются и пере­ходят в сплав 92% хрома и 95% железа и так, чтобы шлак содержал, %: Si0₂ 27-32, MgO 30-34, А1₂О_э 26-30, Сг₂О_э < 8. Такой шлак имеет высокую температуру плавления (рас­плавляется при ~ 1650 °С), что необходимо для достаточно­го нагрева сплава. Примерная пропорция между составляющи­ми шихты: хромовой руды 700 кг, коксика 160-170 кг, квар­цита до 250 кг (иногда оборотных отходов сплава до 180 кг). Хромовую руду (или ее часть) берут тугоплавкую, трудновосстановимую (содержащую магнохромит MgO • Cr₂0₃, восстанавливающийся углеродом при 1546 °С) и плохо раст­воримую в шлаке, что обеспечивает формирование над расп­лавом феррохрома так называемого "рудного слоя", необхо­димого для окисления избыточных углерода и кремния в образующемся феррохроме (см. ниже).

Шихту загружают равномерно по поверхности колошника. Процесс плавки характеризуется следующим строением ванны по высоте: слой твердой шихты с проходящими здесь процес­сами твердофазного восстановления, зона плавления пустой породы и восстанавливающегося металла со слоем жидкого шлака внизу (у конца электродов), "рудный слой", слой жидкого сплава. Газовых полостей под электродами нет. Восстановление хрома протекает по следующим реакциям:

1/ЗСг₂0₃ + С = 2/ЗСг + СО - 270100 Дж;

l/3Cr₂0₃ + 9/7C = 2/21Сг₇С₃ + СО - 250200 Дж.

Температура начала восстановления по первой реакции равна 1240 °С, по второй ИЗО °С; сопоставление этих тем-

ператур и тепловых эффектов показывает, что термодинами­чески легче идет восстановления с образованием карбида хрома Сг₇С₃, и эта реакция наиболее вероятна. Из оксидов железа руды углеродом легко восстанавливается железо, причем этот процесс опережает восстановление хрома; желе­зо, растворяясь в карбиде хрома, облегчает восстановление последнего.

Процессы восстановления протекают в основном в твердой' фазе, начиная с 1100—1200 °С, и с возрастающей скоростью в более горячих зонах. Основная часть хрома оказывается восстановленной при 1400—1600 °С, при этих температурах идет восстановление кремния. В связи с образованием кар­бидов хрома формирующийся сплав содержит до 8—12 % С.

При температурах ~ 1550 °С происходит плавление вос­становленного металла с образованием феррохрома, капли которого стекают вниз; при температурах ~ 1650 °С начи­нают расплавляться невосстановленные оксиды с образова­нием жидкого шлака.

Благодаря тому, что хромовая руда тугоплавка, трудно­восстановима и плохо растворима в шлаке, на границе раз­дела шлак — жидкий феррохром формируется "рудный слой" — вязкий слой шлакового расплава с множеством кусочков руды.

Во время прохождения капель сплава через "рудный слой" происходит частичное окисление углерода и кремния сплава за счет реагирования с кислородом оксидов руды (например, Сг₇С₃ + Сг₂О_э = 9Сг + ЗСО) с одновременным восстановлени­ем хрома из рудного слоя. В результате этого снижается содержание углерода и кремния в сплаве (например, в спла­ве ФХ650 получается менее 6,5 % С и менее 2 % Si).

Содержащийся в руде фосфор восстанавливается и перехо­дит в сплав; основная часть серы кокса переходит в сплав, часть ее улетучивается. Количество шлака равно 0,8— 1,3 т/т шлака.

Сплав и шлак выпускают через одну летку одновременно три-четыре раза в смену в футерованный ковш или в сталь­ной ковш со шлаковым гарнисажем от предыдущего выпуска, избыток шлака из ковша перетекает в чугунные шлаковни. Сплав разливают в чугунные изложницы (толщина слитка должна быть менее 200 мм для удобства дробления) или в чушки на разливочных машинах конвейерного типа.

Расход материалов и электроэнергии при выплавке 1т углеродистого феррохрома: хромовой руды (50% Сг₂0₃) 1900, хромового шлака (30% Сг₂О_э) 100, коксика 450, кварцита 40 кг, электроэнергии 3300—3400 кВт • ч.