Современное состояние производства и применения хрома в чёрной металлургии. Часть 2. Ферросплавы

Введение

Сегодня хром является незаменимым элементом в чёрной металлургии. Его применяют для легирования чугуна [1] и стали [2], производства огнеупоров [3; 4], получения литейных форм [5]. Хром находит применение в производстве сплавов цветных металлов [6; 7], в химической промышленности [8], кожевенном производстве [9], для получения пигментов [10], красителей [11], стекла [12] и др. Хром применяют для покрытия металлов и сплавов в условиях повышенного износа, высоких температур и коррозионного воздействия [13; 14]. Его соединения используют для дубления кожи, обработки древесины, покрытия металлов, в пищевых добавках, в медицине, для получения катализаторов. В предыдущей статье [15] авторы рассмотрели состояние добычи и производства хромитового сырья в разных странах мира, а также в России. В настоящей работе представлены данные по состоянию производства хромовых ферросплавов в странах мира и в России, а также наиболее актуальные направления развития отрасли, в том числе перспективные научные разработки для технологии производства феррохрома.

Производство хромовых ферросплавов в мире

В мире 94,5 % хромитовых руд и концентратов потребляется для производства легирующей добавки при получении сталей и сплавов, ещё 2,5 % – в литейном производстве (формовочные пески), 2,0 % – для получения химических соединений и 1,0 % – в огнеупорной промышленности [16]. В металлургии хром применяется в основном в виде феррохрома (FeCr) высоко- (в/у), средне- (с/у) и низкоуглеродистого (н/у). По данным ассоциации ICDA¹, в 2023 г. в мире произведено 16 174 тыс. т FeCr (из них 15 292 тыс. т высокоуглеродистого FeCr, 32 тыс. т среднеуглеродистого FeCr и 849 тыс. т низкоуглеродистого FeCr), а в 2024 г. – 18 509 тыс. т (из них 17 586 тыс. т высокоуглеродистого FeCr, 23 тыс. т среднеуглеродистого FeCr и 900 тыс. т низкоуглеродистого FeCr). В 2023 г. 89 % всего FeCr получено в четырёх странах (Китай, ЮАР, Казахстан и Индия) (рис. 1). Распространённой практикой является создание холдингов, включающих в себя предприятия по добыче и обогащению хромитовой руды, производству феррохрома и нержавеющей стали. Крупные международные компании Европы, Китая, Австралии стремятся контролировать добычу хромитовых руд в ЮАР и Зимбабве (табл. 1). Ожидается дальнейший рост производства феррохрома в мире. Новым гигантом-производителем феррохрома готовится стать Индонезия. Мощности по производству нержавеющей стали китайских корпораций Tsingshan и Delong в Индонезии должны достигнуть 8 млн т в год. В 2022 г. Индонезия произвела 4,8 млн т нержавеющей стали, импортировав для этого 1,6 млн т феррохрома. В 2022 г. мощности Индонезии по производству феррохрома составляли 300 тыс. т. В планах, начиная с конца 2023 г., поэтапный ввод строящихся мощностей на 800 тыс. т. Ожидается, что в ближайшее время Индонезия будет производить из импортной руды 1,1 – 1,3 млн т феррохрома в год. В Индии компания Tata Steel Mining Ltd строит новый завод мощностью 35 тыс. т феррохрома в год. Компания IMFA планирует в 2026 г. запустить новый завод Kalinga Nagar (Индия) по выпуску 100 тыс. т феррохрома в год. FACOR планирует построить завод в г. Бхадрака (Индия) с мощностью 300 тыс. т феррохрома в год. В ЮАР в стадии строительства завод Lesedi. Из-за перебоев с электроэнергией, роста тарифов и экономического давления в 2025 г. в ЮАР были остановлены заводы Boshoek, Wonderkop, Lion.

В табл. 2 сопоставлены отношение Cr₂O₃/FeO и стоимость хромитового сырья (сентябрь 2025 г.) с химическим составом получаемого из него высокоуглеродистого феррохрома, его стоимостью и расходом электроэнергии. Применение руд с отношением Cr₂O₃/FeO до 3,0 облегчает получение металла с повышенным содержанием кремния [18]. В мировой практике в большинстве концентратов отношение Cr₂O₃/FeO находится в пределах 1,5 – 2,0 [15]. В этом случае в получаемом феррохроме содержание хрома будет ниже 60 % (charge chrome, «чардж-хром», шихтовой феррохром). В России эти марки феррохрома носят название «передельных сортов». При прочих равных условиях со снижением отношения Cr₂O₃/FeO увеличивается удельный расход электроэнергии на тонну хрома.

Себестоимость производства феррохрома обусловлена ценами на сырьё (30 – 50 %) и электроэнергию (30 %) [19]. По данным работы [20] 70 – 80 % добываемого в мире хромитового сырья представляет собой мелкую руду крупностью до 10 мм. При добыче и обогащении хромитовой руды в ЮАР выход кускового продукта составляет всего 20 % [21]. Поэтому актуальной задачей является вовлечение в производство сырья мелкой фракции. С этой целью развиваются два направления – технологии компактирования сырья (агломерация [22], окомкование [23], брикетирование [24], экструдирование [25]) и использование печей постоянного тока. Из-за высоких температур восстановления Cr₂O₃ и плавления FeCr среднее энергопотребление при производстве феррохрома в 3 – 5 раз выше, чем при производстве чугуна в доменной печи [26]. Значительно снизить расход электроэнергии, кокса и электродов, повысить степень извлечения хрома позволяет технология Outotec, включающая окомкование, обжиг окатышей на обжиговой машине конвейерного типа, подогрев шихты и плавку в дуговой печи закрытого типа [20]. Методы SAF Reduced Charge (SRC) и Direct Reduced Charge (DRC) предполагают смешивание хромита, коксовой мелочи и бентонита для получения гранул, которые подвергают воздействию CO в барабанной или вращающейся подовой печи. Предварительное восстановление сырья [27] приводит к снижению расхода электроэнергии на выплавку феррохрома до 40 % [28]. По расчётам для ЮАР доля затрат на агломерацию 20 % хромитового сырья составляла 17 % себестоимости высокоуглеродистого FeCr, а при агломерации всего объёма (при работе на хвостах обогащения UG2) – 50 % [21]. В Финляндии доля затрат на агломерацию составляет 10 % от стоимости FeCr. При этом экономия за счёт использования мелкой руды и тепла отходящего газа составляет 35 % себестоимости по сравнению с работой на кусковой неподготовленной руде [19]. Отходящий из печи феррогаз, содержащий 75 – 90 % СО, сжигают [29] или используют в качестве источника энергии [30], тепла при спекании окатышей, сушки материалов [20], нагрева ковшей [31], для снижения затрат электроэнергии при сжигании непосредственно в печи [32]. В работе [33] предложено из печных газов получать органические вещества.

Феррохром в основном производят в электродуговых печах переменного тока, в которых электроды погружены в шихту из кусковых материалов, состоящую из хромовой руды или окатышей, восстановителей и флюсов. Печи постоянного тока позволяют использовать мелкое сырьё без компактирования, заменять кокс на уголь, меньше зависеть от электрофизических характеристик шихты, упростить конструкцию свода. При этом возникают трудности в эксплуатации (высокий риск аварийных ситуаций, работа с открытой дугой, необходимость мер защиты стен и свода, усиленного охлаждения; высокая температура отходящих газов), а расход электроэнергии возрастает на 20 – 28 % [34]. Растут и эксплуатационные затраты, связанные с применением огнеупоров и систем охлаждения, выбросами пыли и др. [19]. Печи постоянного тока внедрены на предприятиях ЮАР, Китая, Казахстана. Плазменные дуговые печи также позволяют использовать пылевидное и бедное хромитовое сырьё, применять уголь вместо кокса, снизить зависимость от расходуемых графитовых электродов, сократить выбросы парниковых газов [35; 36]. Высокое потребление электроэнергии для генерации плазмы, необходимость использования дефицитных сплавов для катодов, сложность эксплуатации и малый срок работы плазмотрона сдерживают применение плазменных печей в производстве феррохрома.

Новым направлением в металлургии хрома является использование микроволнового нагрева. В работе [37] с помощью микроволнового нагрева получали порошки частично обезуглероженного феррохрома. Проводятся исследования как по предварительной металлизации [38; 39], так и по полному восстановлению хромитов [40; 41] углеродом в условиях внешнего микроволнового поля. Предварительное восстановление в микроволновой печи характеризуется высокой скоростью нагрева, низкой температурой обработки, коротким временем нагрева и считается экологически безопасным.

Традиционным направлением остаётся снижение расхода кокса в печи с частичной заменой на полукокс, каменный уголь [42], антрацит [43], нефтяной кокс [44], древесный уголь [45], «биоуголь» (биотопливо, «биоуглерод») [38]. Коксовую мелочь [46] и древесный уголь [47] предложено брикетировать со связующими. Поскольку «биоуголь» получают из отходов биомассы (деревообработки и сельского хозяйства), то он обладает характеристикой «углеродной нейтральности». К его достоинствам относят высокую реакционную способность, развитую пористую структуру, высокое содержание связанного углерода и низкое содержание вредных примесей (S, P). Для восстановления хромитов исследовали «биоугли», полученные, например, при пиролизе дубовых отходов [38], скорлупы абрикосовых косточек [48], скорлупы кокоса [49; 50], бамбука, кукурузы, оливкового масла, бурого угля [50]. На заводе Vargön Alloys (Швеция) внедрена технология получения хромитовых брикетов, содержащих до 10 % «биоуглерода». Это позволило заменить 20 % кокса в шихте для выплавки FeCr [51]. Недостатком таких материалов является высокое содержание летучих веществ, низкая прочность, повышенное содержание хлоридов, что приводит к проблемам с очисткой отходящих газов. Мелкие частицы, образующиеся при транспортировке древесного угля, могут попадать в систему газоочистки и снижать газопроницаемость шихты, нарушая стабильность работы печи. Производство древесного угля из первичных ресурсов приводит к вырубке лесов и увеличению выбросов парниковых газов [47].

В отечественной металлургии древесный уголь используют для получения кремния (около 60 тыс. т угля в год) и цветных металлов (до 3 тыс. т угля в год). На наш взгляд, применение «биоугля» для получения хромовых ферросплавов оправдано только в случае его низкой стоимости (по сравнению с коксом), а также при использовании для его получения отходов деревообработки и сельского хозяйства, но не первичного сырья. Лигнин и продукты переработки древесины могут найти применение в качестве связующей добавки для получения брикетов хроморудного сырья. Применение древесного угля может быть оправдано и при получении особо чистого феррохрома, например, в технологии вакуумно-термической обработки брикетов [52; 53].

На наш взгляд, в связи с глобальной повесткой снижения выбросов CO₂ в атмосферу проводятся исследования по инвентаризации источников CO₂ [54], улавливанию и переработке отходящих газов [33], применению безуглеродных восстановителей [55], получению FeCr путём электролиза [56]. Термодинамические расчёты показали, что в промышленности восстановить Cr₂O₃ газообразным водородом практические невозможно [57]. Только в экспериментах с водородной плазмой получили безуглеродистый феррохром [58]. Частичная замена углерода на водород для получения FeCr возможна за счёт восстановления оксидов железа (металлизация), присутст­вующих в хромите, перед плавкой [29; 59]. Предложено проводить металлизацию хромитов смесями газов H₂ – CO, CH₄ – H₂, CH₄ – H₂ – Ar [26], даже NH₃ [60] и др. В качестве замены углерода для выплавки FeCr рекомендовано использовать сплав FeAlSiCa и отсев FeSiCr [61]. Применение «биоугля» рассматривается как метод снижения выбросов CO₂ [62]. В 2023 г. стартовал совместный проект компаний Future eco, Ovako, Swerim, Uddeholms, Rise, Vargön по минимизации выбросов CO₂ за счет использования окалины. В настоящее время ведутся работы по превращению Кеми (Финляндия) в первую в мире шахту с углеродно-нейтральным режимом добычи.

Как показано в табл. 2, предварительный нагрев и восстановление сырья перед плавкой феррохрома позволяет снизить расход электроэнергии в печи. Учитывая это, а также экологические последствия применения угля, высокую стоимость чистого водорода перспективным для восстановления хромитового сырья перед плавкой в промышленности в ближайшее время можно считать применение водорода в составе восстановительных газов.

Ввиду высоких цен и ухудшения качества первичного хромитового сырья сегодня большое значение имеет переработка некондиционного и техногенного сырья с получением хромитового концентрата. В первой части данной работы [15] этот вопрос подробно рассмотрен.

Ферросплавные предприятия осуществляют проекты по цифровизации, созданию цифровых двойников, интеграции инструментов искусственного интеллекта в системы управления производством, в том числе в управление режимами работы плавильных печей. Это позволяет снижать расход энергии и материалов, повышать производительность и энергоэффективность, снижать аварийность, простои оборудования и эксплуатационные затраты [63]. В работе [64] предложена модель глубокого обучения для прогнозирования выбросов оксидов азота на ферросплавных заводах. Методы машинного обучения предложены для оценки технических параметров и экономической целесообразности технологий [65]. С помощью методов математического моделирования разработаны эффективные режимы охлаждения футеровки разливочного ковша для производства ферросплавов [66]. Цифровые двойники промышленных агрегатов позволяют моделировать производственные процессы, в том числе внештатные ситуации. Это дает возможность сокращать продолжительность промышленных экспериментов, а также проводить обучение персонала работе в условиях, приближенных к реальному производству.

Производство хромовых ферросплавов в России

В России имеется научно-технический потенциал и производственные мощности для производства всех видов хромовых ферросплавов: высоко-, средне- и низкоуглеродистого феррохрома, ферросиликохрома (FeSiCr), хрома металлического, азотированных ферросплавов, хромовых лигатур. В 2017 – 2022 гг. объём производства хромовых ферросплавов составлял в среднем 420 тыс. т в год (без учёта лигатур и хрома металлического). Начиная с 2021 г. объёмы производства снижаются. В 2023 г. произведено 352,5 тыс. т хромовых ферросплавов и лигатур различных типов и марок (рис. 2). В 2024 г. произведено всего 117 тыс. т хромовых ферросплавов (без учёта лигатур и хрома металлического).

Наибольшую долю по тоннажу занимают высоко- и среднеуглеродистый феррохром (до 280 тыс. т в год). Их основными производителями в России являются три предприятия: АО «Серовский завод ферросплавов» (СЗФ) (до 115 тыс. т в год), АО «Челябинский электрометаллургический комбинат» (ЧЭМК) (до 94 тыс. т в год) и ООО «Тихвинский ферросплавный завод» (ТФЗ) (до 65 тыс. т в год).

Объём производства низкоуглеродистого феррохрома в России составляет до 220 тыс. т в год. Его в основном производят два предприятия: ЧЭМК (до 150 тыс. т в год) и СЗФ (до 59 тыс. т в год). Суммарный объём производства низкоуглеродистого феррохрома на остальных предприятиях (главным образом ПАО «Ключевский завод ферросплавов» (КЗФ) и АО «Новотроицкий завод хромовых соединений» (НЗХС)) не превышает 12 тыс. т в год.

Хром металлический в России производят в основном на трёх предприятиях – НЗХС (до 10 тыс. т в год), КЗФ (7 – 8 тыс. т в год) и ООО «Нсплав» (около 4 тыс. т в год). АО «Полема» – единственное предприятия, производящее рафинированный электролитический феррохром (около 0,1 тыс. т в год). Азотированный хром и феррохром выпускают на КЗФ, ООО «НТПФ «Эталон», ООО «Нсплав».

В России ежегодно производят 1,3 – 1,9 тыс. т лигатур типа CrAl, CrMo, CrW, CrNb, WCrMo, WCrMoNb, AlCrMoSi, AlVMoCrTi, AlVMoCrFe и др. Основные производители – ООО «Нсплав», ООО «Молирен», АО «Уралредмет», ООО «Орион Спецсплав Гатчина», КЗФ, ООО «УМК-групп», ООО «ПКП «Феррум-Урал», ООО «Профресурс» и др. Хромовые лигатуры используют для легирования жаропрочных, коррозионностойких сплавов, инструментальных, быстрорежущих, машиностроительных штамповых сталей, изготовления нагревательных элементов и др. Хром добавляют в сплавы Al, Mg, Zn.

Снижение качества используемого сырья привело к уменьшению содержания хрома в ферросплавах. Например, при работе на богатом сырье Казахстана получали высокоуглеродистый феррохром с 65 – 70 % Cr (ТФЗ). В последнее время в России основное количество феррохрома (ЧЭМК, СЗФ) получали из многокомпонентной шихты, состоящей из сырья отечественных месторождений и богатых концентратов из Казахстана [18; 67]. В результате производили высокоуглеродистый феррохром с 55 – 63 % Cr и низкоуглеродистый феррохром с 62 – 63 % Cr. Из руд Аккаргинского месторождения получали высокоуглеродистый феррохром с содержанием Cr от 65 %.

Объём потребления феррохрома внутри РФ невелик (10 – 30 %, в среднем 24 % от объёма производства), поэтому отечественный рынок феррохрома пребывает в состоянии перепроизводства и ориентирован на экспортные поставки. До 2022 г. основными потребителями отечественного феррохрома были страны ЕС, Ю. Корея, Япония, Китай, США. С 2022 г. наблюдается резкое сокращение объёма экспортных поставок отечественного феррохрома (за два года он сократился почти в 2 раза). В результате за последнее время предприятия по производству феррохрома в России остановлены или работают на неполную мощность. Ниже приведены причины кризисных явлений в отрасли.

В рамках 12-го пакета санкций ЕС в отношении РФ с декабря 2023 г. ограничен экспорт феррохрома, а в рамках 16-го пакета с февраля 2025 г. – ограничены поставки хромитового сырья, оксида хрома, лома хрома, хрома металлического. В конце 2024 г. США ввели запрет на поставки хромитовых концентратов в РФ, а с февраля 2025 г. аналогичный запрет ввёл ЕС. Япония, удовлетворявшая около половины потребности в высокоуглеродистом феррохроме за счёт российских поставщиков, с 2023 г. существенно сократила импорт из РФ. Постановлением Правительства РФ от 21.09.2023 г. № 1538 с 1.10.2023 г. в РФ введена вывозная таможенная пошлина на высокоуглеродистый феррохром. Ставка пошлины зависит от курса национальной валюты. Это привело к снижению конкурентоспособности российских производителей на мировом рынке. Спрос и цены на феррохром определяются рынком нержавеющей стали. Рост экспортных пошлин в ЮАР, высокий уровень цен на электроэнергию для ферросплавных предприятий Китая способствовали росту цен на хромитовое сырьё и ферросплавы. В сентябре 2025 г. цены внутри РФ на высокоуглеродистый феррохром достигали 2360 $/баз.т, в 2024 г. отмечено их существенное колебание от 1206 до 2162 $/баз.т, а в 2018 – 2021 гг. цены колебались в диапазоне 900 – 1550 $/баз.т. Существенные колебания цен также затрудняют работу предприятий. Рост ключевой ставки Центрального Банка, а также снижение потребления металлопродукции в строительной отрасли РФ [68] привели к сокращению потребления хромовых ферросплавов внутри страны. В связи с расширением производства нержавеющей стали в Китае и Индонезии, а также тенденцией на использование нержавеющей стали для многих металлических изделий, в ближайшее время ожидается рост потребления феррохрома в мире. В то же время расширяются мощности китайских компаний в Индонезии и Зимбабве. Внутри Китая немало планов на новые линии производства феррохрома. В результате в мире ожидается рост предложения феррохрома. Рост количества новых проектов и отсутствие вывода из эксплуатации старых заводов могут привести к переизбытку мощностей по производству феррохрома в мире. При этом следует учитывать неравномерное распределение хромитовых ресурсов и высокие цены на них. В итоге в ближайшее время ожидается высокий уровень конкуренции на мировом рынке феррохрома. Поскольку объём производства хромовых ферросплавов в РФ существенно превышает уровень их потребления, все эти причины привели к резкому сокращению экспорта и производст­ва хромовых ферросплавов в стране.

Выводы

В основном в мире хромитовое сырьё используют для получения феррохрома. Распространённой практикой является создание холдингов, включающих в себя предприятия по добыче и обогащению хромитовой руды, производству феррохрома и нержавеющей стали. Разработка и совершенствование технологий производства феррохрома в основном связаны со стремлением снизить энергопотребление и использовать сырьё мелкой фракции (компактирование мелкозернистого сырья, применение печей постоянного тока, снижение расхода кокса, применение микроволнового нагрева, металлизация сырья). Большое значение имеет переработка некондиционного и техногенного сырья с получением хромитового концентрата.

В некоторых случаях перспективным может быть применение угля, полученного из отходов деревообработки и сельского хозяйства. С точки зрения снижения воздействия на окружающую среду при плавке феррохрома перспективно направление использования восстановительных газов с водородом.

В России объём потребления феррохрома составляет всего 10 – 30 % от производимого, поэтому отечественный рынок феррохрома пребывает в состоянии перепроизводства и ориентирован на экспортные поставки. За последние годы объём производства феррохрома в России резко сократился. Кризисные явления в отечественной хромовой отрасли связаны с ограничениями импортных поставок хромитового сырья, санкционным давлением с запретом на экспортные поставки хромовых ферросплавов, высокой ставкой вывозных пошлин, существенными колебаниями цен на феррохром, снижением потребления металлопродукции внутри России, высоким уровнем конкуренции на мировом рынке феррохрома.