5 Области применения хрома

Области промышленного применения хрома и его соединений, включая сплавы и композитные материалы, широки и разнообразны. В промышленных масштабах хром начали получать (1866-70 гг.) в виде феррохрома, восстанавливая хромовую руду углеродом. Хром получил применение в металлургии в виде феррохрома и в виде чистого металла. Широко используется технически чистый низкоуглеродистый алюминотермический хром, содержащий 98-99% Cr (примеси: алюминий, железо, кремний, сера, азот). Находит применение также силикотермический хром, получаемый восстановлением Cr₂О₃ кремнием. Хром входит в состав многих жаропрочных сплавов.

Для получения чистого хрома применяют электрохимическое выделение металла из водных растворов сернокислого хрома или хромовой кислоты. Электролиз проводят с нерастворимыми анодами. Катодный хром содержит 10^-2-10^-3% примесей. Хром высокой чистоты получают рафинированием в среде очищенного водорода при 1500-1600°С. Содержание примесей в очищенном металле может быть снижено до 10-5%. Рафинирование хрома может быть осуществлено также йодидным методом, при котором достаточно полно удаляется кислород и азот, а содержание других, примесей сокращается в два-три раза.

Хром применяется также для нанесения антикоррозионных и декоративных покрытий, восстановления изношенных деталей машин.

Основная область применения хрома и феррохрома – выплавка легированных и коррозионностойких сталей, хромистых бронз и чугунов, специальных сплавов. Коррозионностойкие стали (особенно устойчивые против коррозии при высоких температурах) могут содержать до 30-40% Cr. Добавка до 3% Cr к обычным углеродистым сталям значительно повышает их механические свойства. Стали с содержанием 5-6% Cr отличаются повышенным сопротивлением коррозии. При содержании хрома более 10 % стали приобретают высокую коррозионную стойкость.

В качестве легирующей добавки хром входит в состав жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Хромистые бронзы отличаются повышенной температурой рекристаллизации, высокой электропроводностью, жаропрочностью, легко поддаются обработке в горячем и холодном состояниях. Существенное влияние оказывает хром и на свойства чугунов.

Природные минералы хрома (хромшпинелиды) используются в производстве огнеупоров: хромопериклазовых, периклазо-хромитовых и др.

Оксиды хрома используют в производстве пигментов. В текстильной промышленности соединения хрома применяются при окраске шерсти. Соединения шестивалентного хрома находят применение в органическом синтезе, производстве красителей, синтетических волокон, как сильный окислитель, для отбеливания и др. В процессе дубления кожи применяют основные сульфаты хрома.

5.1 Феррохром

Феррохром, представляющий собой сплав железа с хромом, в промышленных масштабах производится с конца 60-х годов XIX века. Он содержит в качестве примесей углерод, кремний, серу, фосфор и азот. Различают низкоуглеродистый, среднеуглеродистый, высокоуглеродистый и азотированный феррохром.

Выплавляют феррохром из хромовых руд с содержанием Cr₂О₃ до 55 % в виде хромшпинелидов R'О·R"₂О₃, где R' – Fe²⁺, Mg²⁺; R" – Cr³⁺, Аl³⁺, Fe³⁺. Богатые хромовые руды (Cr₂О₃ ≥ 46%) используют на выплавку феррохрома без обогащения, применяя только дробильно-сортировочные операции. Бедные хромовые руды подвергают обогащению с получением высокохромистых концентратов. Поскольку хром с железом образуют ряд твердых растворов, а с углеродом – прочные карбиды, состав феррохрома в значительной степени определяется способом выплавки.

Высокоуглеродистый феррохром (4,0-10,0% С) получают восстановлением хромовых руд углеродом в мощных закрытых и открытых электрических печах. Процесс непрерывный с периодическим выпуском металла и шлака.

Среднеуглеродистый феррохром (0,5-4,0% С) производят силикотермическим процессом или рафинированием высокоуглеродистого феррохрома в кислородных и (или) газокислородных конвертерах.

Низкоуглеродистый феррохром (<0,5% С) получают силикотермическим процессом в открытых дуговых печах небольшой мощности или смешением жидкого силикохрома и рудноизвесткового расплава вне печи (в ковшах). Сплав с содержанием углерода ≤0,03% получают также рафинированием в вакууме измельченного и окисленного высокоуглеродистого феррохрома, а также обезуглероживанием в вакууме кусков низкоуглеродистого феррохрома (0,06-0,1% С).

Азотированный феррохром (1,0-10,0% N) получают нагревом измельченного низко- или среднеуглеродистого феррохрома в среде азота или аммиака при ~1000°С.

Феррохром используют при производстве легированных сталей и специальных сплавов. В среднем расход феррохрома на производство стали составляет ~ 2,5 кг/т. Хром, как легирующая добавка, способствует повышению твердости стали, ее прочности, повышает пределы текучести и упругости, теплостойкость, износостойкость и сопротивление коррозии.

Высокохромистые особо чистые стали или безжелезистые сплавы (например, нимоники, нихром) получают, добавляя технически чистый хром – металлический хром. Его получают внепечным алюминотермическим методом из технически чистого оксида хрома.

Для получения стандартного (содержащего ≥65% Cr) феррохрома требуются руды с отношением (Cr : Fe) ≥2,8. Дефицит руд с таким отношением хрома к железу вынуждает производителей выпускать так называемый «чардж хром» (charge chrome - буквально «шихтовый хром»), используемый большей частью в процессах прямого получения коррозионностойких хромистых сталей аргонокислородным (газокислородным) обезуглероживанием или вакуумными процессами, совмещенными с обезуглероживанием расплавов. Такой феррохром содержит, как правило, %: ≥ 52 Cr; 6-8 С; 3-5 Si; ≤ 0,03 Р; ≤ 0,05 S.

Помимо получения хромистых сталей, «чардж хром» используется для производства среднеуглеродистого феррохрома конвертерным процессом (кислородные конвертеры, CLU-процесс и др.).

Низкоуглеродистый феррохром из хромовых руд с отношением (Cr : Fe) = 1,6÷1,9 получают после предварительного их обезжелезнения селективным восстановлением железа или хлорированием.