Высокоуглеродистый феррохром (марки ФХ800, ФХ650 по ГОСТ 4757-91) — базовый ферросплав черной металлургии. По объемам мирового производства он уступает только ферросилицию. Получают его карботермическим восстановлением хромитовых руд в закрытых рудовосстановительных электропечах. Процесс непрерывный, энергоемкий и технологически отработанный — принципиальная схема не менялась десятилетиями, но конкретные решения по шихтовке, режиму печи и обработке сплава продолжают совершенствоваться.
Сырье для производства высокоуглеродистого феррохрома
Основа шихты — хромитовая руда (хромит, FeCr₂O₄). Промышленные месторождения сосредоточены в ЮАР, Казахстане, Индии, Турции. Качество руды определяется отношением Cr₂O₃/FeO (хромовый модуль) и содержанием вредных примесей — прежде всего фосфора и кремнезема.
Для выплавки высокоуглеродистого феррохрома используют кусковую руду или окатыши крупностью 10–80 мм. Мелочь (менее 10 мм) ухудшает газопроницаемость шихтового столба и ведет к подвисаниям — ее либо окусковывают, либо направляют на другие переделы.
Восстановитель — металлургический кокс крупностью 10–40 мм. Требования к коксу: зольность не более 12–14%, содержание серы не более 0,5%, механическая прочность (М25) не ниже 80%. Чем чище кокс, тем меньше вредных примесей переходит в сплав.
Третий компонент шихты — кварцит, который вводится для регулирования состава шлака. В ряде технологий используют также стальную стружку или возвратные отходы для корректировки содержания железа.
Рудовосстановительная электропечь
Высокоуглеродистый феррохром выплавляют в закрытых (герметизированных) или открытых рудовосстановительных электропечах. Мощность промышленных агрегатов — от 10 до 72 МВА, в зависимости от производителя и поколения оборудования.
Печь — круглая, с тремя самообжигающимися электродами Седерберга. Электроды погружены в шихтовый столб и создают зону высоких температур (1600–1750°C) в нижней части печи. Ток проходит через шихту между электродами, выделяя тепло за счет сопротивления материала — это так называемый резистивный нагрев. Дуговой разряд в процессе тоже присутствует, но основная доля энергии передается именно через сопротивление.
Закрытая печь оснащена сводом, через который отводятся колошниковые газы (преимущественно CO). Газы дожигаются и используются для подогрева воздуха, сушки шихты или выработки электроэнергии. Это существенно улучшает экономику процесса и снижает выбросы.
Процесс восстановления высокоуглеродистого феррохрома
Шихта загружается сверху через течки в своде. По мере проплавления она опускается к зоне реакции. Восстановление оксида хрома идет ступенчато.
В верхних горизонтах шихтового столба (600–1200°C) протекают твердофазные реакции: часть оксидов хрома и железа восстанавливается углеродом кокса с образованием CO. Эти реакции эндотермические — они поглощают тепло отходящих газов, создавая эффект противотока. В нижней зоне (1500–1750°C) происходит основное восстановление.
Суммарно реакцию можно записать так:
Параллельно восстанавливается оксид железа:
Хром и железо растворяются друг в друге, образуя жидкий сплав — феррохром. Углерод из кокса частично переходит в металл, формируя карбиды хрома (Cr7C3, Cr3C2). Именно поэтому сплав и называется высокоуглеродистым — содержание углерода достигает 6–8%.
Шлак состоит преимущественно из SiO2, MgO, Al2O3 и CaO. Соотношение этих компонентов определяет вязкость и температуру плавления шлака, а значит — условия выпуска и полноту извлечения хрома. Оптимальный шлак — жидкоподвижный, с температурой плавления 1550–1650°C и содержанием Cr2O3 не более 5–7%.
Выпуск и разливка высокоуглеродистого феррохрома
Сплав и шлак выпускают из печи периодически — через летку в нижней части ванны. Интервал между выпусками — 2–4 часа в зависимости от мощности печи и скорости наплавления. Летку вскрывают прожигающей машиной или кислородной фурмой, затем заделывают огнеупорной массой.
Жидкий феррохром (температура выпуска 1650–1750°C) поступает в ковш, где отстаивается для отделения остатков шлака. Затем сплав разливается в чугунные изложницы или на разливочную машину конвейерного типа. После затвердевания и охлаждения слитки дробятся на щековых и конусных дробилках до товарных фракций: 10–50 мм, 50–100 мм или по спецификации заказчика.
Контроль качества производства высокоуглеродистого феррохрома
Каждая плавка проверяется по химическому составу. Пробы отбираются из ковша при выпуске и из готовой дробленой продукции. Анализ выполняется рентгенофлуоресцентным методом или на оптико-эмиссионном спектрометре. Контролируются: хром, углерод, кремний, фосфор, сера, алюминий.
Для марки ФХ800А (пониженный фосфор) критично содержание P не более 0,03%. Это достигается подбором руды с низким фосфором — технологических способов удалить фосфор из феррохрома в процессе плавки практически нет. Фосфор из шихты переходит в металл почти полностью, поэтому входной контроль руды и кокса определяет конечное качество сплава.
Высокоуглеродистый феррохром как передельный продукт
Значительная часть выплавляемого высокоуглеродистого феррохрома не поступает на рынок в исходном виде, а идет на дальнейший передел — производство среднеуглеродистых (ФХ100, ФХ200) и низкоуглеродистых (ФХ025, ФХ010, ФХ005) марок. Для снижения углерода используют конвертерную продувку кислородом, силикотермическое рафинирование или вакуумно-кислородное обезуглероживание (VOD). Каждый последующий передел удорожает продукт, но расширяет область его применения — вплоть до выплавки нержавеющих сталей, где углерод должен быть ниже 0,05%.
Таким образом, производство высокоуглеродистого феррохрома — это и самостоятельная товарная позиция, и первая ступень в технологической цепочке всего семейства хромсодержащих ферросплавов.
