Мировая металлургическая отрасль сталкивается с серьёзными экологическими вызовами, при этом углеродоёмкий производственный процесс является одним из ключевых проблем. Традиционное производство хромистого железа (FeCr) опирается на кокс и уголь в качестве восстановителей; это не только чрезвычайно затратно, но и приводит к значительному углеродному следу — на каждую тонну FeCr приходится до 5,5 тонн CO₂‑эквивалента, а совокупные глобальные годовые выбросы достигают 15,5 млн тонн. Процесс протекает при высоких температурах 1600–1700 °C, требует энергозатрат порядка 4700 кВт·ч/т, причём карботермическое восстановление оксида хрома (Cr₂O₃) является эндотермическим и требует постоянного подвода энергии. Хотя такие альтернативные технологии, как алюмотермический и кремнетермический методы, позволяют избежать прямых выбросов CO₂, алюминиевый электролиз характеризуется крайне высокой энергоёмкостью, тогда как производство феррохрома по‑прежнему зависит от кокса, что может даже увеличивать общие углеродные выбросы по всему жизненному циклу. Кроме того, существующие технологии предъявляют строгие требования к чистоте сырья, а побочные продукты, такие как пыль FeSiCr, трудно утилизировать, что усиливает расточительность ресурсов и нагрузку на окружающую среду.

Существующие проблемы сосредоточены в противоречии между техническими ограничениями и требованием устойчивого развития. С одной стороны, углеродные выбросы и энергопотребление традиционных процессов карботермического восстановления едва ли позволяют достичь целей углеродной нейтральности; с другой — альтернативные восстановители из‑за высоких затрат и значительных углеродных выбросов на протяжении производственной цепочки трудно внедрить в промышленном масштабе. Эффективность восстановления хромитов ограничена кинетикой реакции и щелочностью шлака, а непереработанный остаток Cr₂O₃ снижает степень извлечения хрома до 76–79%. Низкая стабильность шлака и его склонность к пылеобразованию дополнительно затрудняют его повторное использование. Кроме того, современные исследования недостаточно глубоко раскрывают механизмы взаимодействия комплексных восстановителей; особенно отсутствует системная оценка восстановителей, полученных из промышленных отходов. Эти узкие места требуют разработки новых технологий, сочетающих высокую эффективность восстановления, низкоуглеродные характеристики и экономическую целесообразность.

В ответ на указанные выше проблемы зарубежная исследовательская группа провела углублённое исследование с использованием стационарных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании ZEPTOOLS. Команда впервые использовала смесь пыли FeSiCr и сплава FeAlSiCa в соотношении 1:1 в качестве комплексного восстановителя, что позволило решить проблему утилизации пыли. Благодаря избытку восстановителя в размере 10% удельное содержание остаточного Cr₂O₃ не превышает 0,9%, степень извлечения хрома составляет 86%, при этом реакция протекает с собственным выделением тепла; энергозатраты существенно ниже, чем при традиционном электропечном методе (4700 кВт·ч/т). Полученный камневидный шлак стабильно сохраняется на воздухе более 15 дней и обладает потенциалом для применения в качестве строительного заполнителя. Результаты исследования опубликованы в журнале Processes под названием «Безуглеродная плавка феррохрома с использованием сплава FeAlSiCa».

Настоящее исследование посвящено разработке инновационного процесса, позволяющего осуществлять углеродно‑нейтральную плавку хромитов с использованием производных промышленных отходов — композитного ферросплава (FeAlSiCa) и пыли хромистого ферросилиция (FeSiCr) — в качестве восстановителей. На основе лабораторных плавильных экспериментов исследовательская группа систематически оценила влияние различных соотношений восстановителей на степень извлечения хрома, состав сплава и свойства шлака, тем самым предложив новые подходы к производству низкоуглеродистого феррохрома.

Экспериментальный дизайн предусматривал четыре варианта соотношения восстановителей: 10% недостаток, стехиометрическое соотношение, 10% избыток и 20% избыток; плавление проводилось в воздушной атмосфере при температуре 1650 °C в течение 30 минут. Исследование показало, что при использовании восстановителя с 10% избытком степень восстановления Cr₂O₃ достигает максимума (остаточное содержание ≤ 0,9%), коэффициент извлечения хрома составляет 86%, при этом образуется низкоуглеродистый хромистый ферросплав (LC FeCr) с содержанием азота 2,6%. Эти результаты обусловлены совместным восстановительным действием кальция, алюминия и кремния в системе FeAlSiCa; термодинамический анализ свидетельствует о выраженно отрицательных значениях ΔG при 1500 °C (CaO: −620 > Al₂O₃: −540 > SiO₂: −310 кДж/моль), что подтверждает сильно экзотермический характер реакций.

Микроскопический анализ продукта выявил характерные особенности фазового состава. Результаты SEM‑EDS и XRD показали, что металлическая фаза в основном состоит из твёрдого раствора Cr‑Fe и нитридов системы Cr‑V‑N; содержание азота в них достигает 2,6–3,6%, что обусловлено участием атмосферного воздуха в реакции. Особо следует отметить, что в образце с 20‑процентным избытком восстановителя наблюдались силициды Cr₃Si и Cr₅Si₃, что открывает новые возможности для регулирования состава сплава. Все исследованные образцы соответствуют требованиям стандарта ISO 5448‑81 к содержанию углерода, серы и фосфора в легированных чугунах FeCr (C ≤ 0,10%, S ≤ 0,02%, P ≤ 0,03%), что обеспечивает их потенциал для непосредственного промышленного применения.

Важность данного исследования заключается в одновременном решении трёх ключевых задач металлургической отрасли: снижении стоимости сырья за счёт использования восстановителей на основе отходов (стоимость FeAlSiCa на 40–50% ниже, чем у коммерческого SiCa), уменьшении энергозатрат за счёт экзотермических реакций и получении высокодоходных побочных продуктов. Команда предлагает в дальнейшем проверить масштабируемость данной технологии в дуговой печи и изучить влияние инертной атмосферы на контроль содержания азота, что заложит основу для её промышленного применения.

Исследование свойств шлака привело к неожиданному открытию: в отличие от традиционно получаемого шлака, склонного к пылеобразованию, шлак системы CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO, образовавшийся в ходе данного исследования, обладает стабильной каменной структурой и, после 15‑дневного хранения, не подвергается разрушению. Рентгенографический анализ подтвердил наличие в нём преимущественно спинельной фазы MgAl₂O₄; такая структурная стабильность делает его перспективным для вторичного использования в качестве строительного материала. Вместе с тем в работе отмечено, что содержание Al₂O₃ в шлаке может быть завышено вследствие эрозии тигля, что указывает на направление дальнейшей оптимизации технологического процесса.

Стационарный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Цзэюй‑Технолоджи — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным требованиям in situ‑экспериментов. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — с ним легко справятся и неспециалисты; при этом его стоимость приобретения и эксплуатационные расходы ниже, чем у напольных сканирующих электронных микроскопов. В настоящее время он уже стал одним из предпочитаемых устройств многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.