blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-2-122-128blackmet-1853Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТермодинамическое моделирование силикотермического процесса восстановления хромаThermodynamic simulation of silicothermic chromium reduction processСалинаВ. А.SalinaV. A.

к.т.н., старший научный сотрудник

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Ekaterinburg

valentina_salina@mail.ruЖучковВ. И.ZhuchkovV. I.

д.т.н., профессор, главный научный сотрудник

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher

Ekaterinburg

ntm2000@mail.ruЗаякинО. В.ZayakinO. V.

д.т.н., заведующий лабораторией стали и ферросплавов

620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Dr. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory of Steel and Ferroalloys

Ekaterinburg

zferro@mail.ruИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy, UB RASRussian Federation202029042020632122128Copyright © Салина В.А., Жучков В.И., Заякин О.В., 20202020Салина В.А., Жучков В.И., Заякин О.В.Salina V.A., Zhuchkov V.I., Zayakin O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1853

Проведено термодинамическое моделирование процесса восстановления хрома из оксидной системы состава, % (по массе): 25,0 – 37,5 CaO, 25,0 – 12,5 SiO2 , 25 Cr2O3 , 5 FeO, 14 MgO, 3 MnO, 3 Al2O3 . В качестве восстановителя использовали кремний ферросилиция марок ФС20, ФС45, ФС65, количество которого составило 110 % 2 от стехиометрически необходимого для восстановления железа, марганца и хрома. Для моделирования использовали программный комплекс HSC Chemistry 6.12, разработанный Outokumpu (Финляндия). Расчеты выполнены с применением модуля «Equilibrium Compositions» в исходной среде азота при общем давлении 0,1 МПа в интервале температур 1500 – 1700 °С с шагом 50 °С. В базу данных программного комплекса введены термодинамические характеристики химического соединения CrO (II). Скорректированы существующие в базе данных термодинамические константы соединения CaCr2O4 . Результаты расчетов представлены в виде графических зависимостей изменения степени восстановления хрома η Cr от температуры t, основности шлака (СаО)/(SiO2) и концентрации кремния в ферросилиции [Si]ФС. Показано, что повышение температуры процесса от 1500 до 1700 °С при (СаО)/(SiO2) = 2 снижает ηCr при применении восстановителя ФС20, ФС45 и ФС65 на 1,87, 6,04 и 7,38 % соответственно. Установлено, что увеличение (СаО)/(SiO2) от 1 до 3 при t = 1600 °С приводит кФС повышению ηCr на 17,3, 14,2 и 12,5 % при использовании ФС20, ФС45 и ФС65 соответственно. Повышение концентрации кремния от 20 до 65 % в ферросилиции [Si]ФС способствует увеличению ηCr на 9,5, 5,9 и 4,2 % при основности шлака, равной 1, 2 и 3 соответственно и температуре 1600 °С. Определен химический состав металла. Результаты термодинамического моделирования могут быть использованы для расчета степени восстановления хрома из шлаков восстановительного периода процесса аргоно-кислородного рафинирования при получении нержавеющей стали.

Thermodynamic modeling of chromium reduction from the oxide system of the following composition was carried out, (wt %): 25.0 – 37.5 CaO, 25.0 – 12.5 SiO2 , 25 CrO3 , 5 FeO; 14 MgO, 3 MnO, 3 Al2O3 . Silicon of ferrosilicon of FeSi20, FeSi45, FeSi65 grades was used as a reducing agent in amount of 110 % of stoichiometrically needed for iron, manganese and chromium reduction. Modeling was performed on HSC Chemistry 6.12 software package developed by Outokumpu (Finland). Calculations were performed using “Equilibrium Compositions” module in the initial nitrogen medium at total pressure of 0.1 MPa and in temperature range of 1500 – 1700 °С with step of 50 °С. The thermodynamic characteristics of chemical compound CrO (II) was introduced into the database. Thermodynamic constants of CaCr2O4 compound presented in a database have been adjusted. Calculation results were presented in form of graphic dependences of change in degree of chromium reduction ηCr on temperature t, slag basicity (CaO)/(SiO2), and silicon concentration in ferrosilicon [Si]FeSi . It was shown that increase in the process temperature from 1500 to 1700 °C at (CaO)/(SiO2) = 2 reduces ηCr by 1.87, 6.04 and 7.38 % when using FeSi20, FeSi45 and FeSi65 reducing agents respectively. It was found that increase in (CaO)/(SiO2) from 1 to 3 at temperature of 1600 °C leads to an increase of ηCr 2 by 17.3, 14.2 and 12.5 % using FeSi20, FeSi45, and FeSi65 respectively. Increase in silicon concentration from 20 to 65 % in [Si]FeSi ferrosilicon facilitates an increase of ηCr by 9.5, 5.9 and 4.2 % at slag basicity of 1, 2 and 3 respectively and at temperature of 1600 °C. Chemical composition of metal was determined. Results of thermodynamic modeling can be used to calculate degree of chromium reduction from recovery period slags of the argon-oxygen refining process in stainless steel production.

термодинамическое моделированиеоксидная системавосстановлениетемператураосновность шлакаферросилицийсостав металлаthermodynamic simulationoxide systemreductiontemperatureslag basicityferrosiliconmetal compositionРабота выполнена по Государственному заданию ИМЕТ УрО РАН и по проекту № 18-5-2345-56 Комплексной программы Уральского отделения РАН.The work was performed according to the state assignment for IMET UB RAS and under the project No. 18-5-2345-56 of the Comprehensive Program of Ural Branch of RAS.ReferencesНеменов А.М. События в цифрах и фактах // Металлург. 2018. № 7. С. 96 – 100.Nemenov A.M. Events: Figures and facts. Metallurg. 2018, no. 7, pp. 96–100. (In Russ.).International Stainless Steel Forum (ISSF). URL: https://ussa.su/news/1898 (дата обращения: 17.05.2019).International Stainless Steel Forum (ISSF). Available at URL: https://ussa.su/news/1898 (Accessed 17.05.2019). (In Russ.).Токовой О.К. Аргонокислородное рафинирование нержавеющей стали. – Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2015. – 250 с.Tokovoi O.K. Argonokislorodnoe rafinirovanie nerzhaveyushchei stali [Argon-oxygen refining of stainless steel]. Chelyabinsk: ITs YuUrGU, 2015, 250 p. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали. Т. 1. – М.: Теплотехник, 2010. – 528 с.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Proizvodstvo stali. Protsessy vyplavki, vnepechnoi obrabotki i nepreryvnoi razlivki stali. T. 1. [Steel production. The processes of smelting, ladle treatment and continuous casting of steel. Vol. 1]. Мoscow: Teplotekhnik, 2010, 528 p. (In Russ.).Сазонов В.Н. О предыстории разработки нержавеющих сталей базовой системы легирования Fe – Cr // Металлург. 2018. № 8. С. 95 – 100.Sazonov V.N. About prehistory of development of stainless steels of basic alloying system Fe–Cr. Metallurg. 2018, no. 8, pp. 95–100. (In Russ.).Morita K., Sano N. Activity of chromium oxide in CaO – SiO 2 based slags at 1873 K. – In book: 7 th Int. Conf. on Molten Slags, Fluxes and Salts (South Africa). – South Africa, 2004. P. 113 – 117.Morita K., Sano N. Activity of chromium oxide in CaO–SiO 2 based slags at 1873 K. In: 7 th Int. Conf. on Molten Slags, Fluxes and Salts (South Africa), 2004, pp. 113–117.Morita K., Mori M., Guo M., Ikagawa T., Sano N. Activity of chromium oxide and phase relations for the CaO – SiO – CrO x system at 1873 K under moderately reducing conditions //2 Steel Research. 1999. Vol. 70. No. 8-9. P. 319 – 324.Morita K., Mori M., Guo M., Ikagawa T., Sano N. Activity of chromium oxide and phase relations for the CaO–SiO 2 –CrO x system at 1873 K under moderately reducing conditions. Steel Research. 1999, vol. 70, no. 8-9, pp. 319–324.Morita K., Inoue A., Takayama N., Sano N. The solubility of MgO· ·Cr 2 O 3 in MgO – Al2 O 3 – SiO 2 – CaO slag at 1600 °C under reducing conditions // Tetsu-to-Hagane. 1988. Vol. 74. No. 6. P. 999 – 1005.Morita K., Inoue A., Takayama N., Sano N. The solubility of MgO·Cr 2 O 3 in MgO–Al 2 O3 –SiO –CaO slag at 1600 °C under reducing conditions. Tetsu-to-Hagane.2 1988, vol. 74, no. 6, pp. 999–1005.Wang L., Seetharaman S. Experimental studies on the sulfide capacities of CaO – SiO 2 – CrO x slags // Metallurgical and Materials Transactions B. 2010. Vol. 41B. No. 4. P. 367 – 373.Wang L., Seetharaman S. Experimental studies on the sulfide capacities of CaO–SiO 2 –CrO x slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2010, vol. 41B, no. 4, pp. 367–373.Nakamoto M., Forsbacka L., Holappa L. Assessment of viscosity of slags in ferrochromium process. – In book: 11 th Int. Ferroalloys Congress INFACON. – India, 2007. P. 159 – 164.Nakamoto M., Forsbacka L., Holappa L. Assessment of viscosity of slags in ferrochromium process. In: 11 th Int. Ferroalloys Congress INFACON. India, 2007, pp. 159–164.Zayakin O.V., Statnykh R.N., Zhuchkov V.I. Study of the possibility of obtaining non-decomposing slag during low-carbon ferrochrome production // Metallurgist. 2019. Vol. 62. No. 9-10. P. 875 – 881.Zayakin O.V., Statnykh R.N., Zhuchkov V.I. Study of the possibility of obtaining non-decomposing slag during low-carbon ferrochrome production. Metallurgist. 2019, vol. 62, no. 9-10, pp. 875–881.Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Дуб В.С., Клочай В.В., Корзун Е.Л. Исследование степени окисления хрома в оксидно-фторидных шлаках, применяемых при электрошлаковом переплаве // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 12. С. 948 – 956.Levkov L.Ya., Shurygin D.A., Dub V.S., Klochai V.V., Korzun E.L. Study of the oxidation degree of chromium in oxide-fluoride slags for ESR. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 12, pp. 948–956. (In Russ.).Акимов Е.Н., Сенин А.В., Рощин В.Е. Термодинамический анализ получения низкоуглеродистого феррохрома с применением модели ассоциированных растворов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2013. Т. 13. № 1. С. 182 – 184.Akimov E.N., Senin A.V., Roshchin V.E. Thermodynamic analysis of low-carbon ferrochrome production using associated solutions model. Vestnik YuUrGU. Seriya “Metallurgiya”. 2013, vol. 13, no. 1, pp. 182–184.Танклевская Н.М., Михайлов Г.Г. Термодинамический анализ возможности получения низкоуглеродистого феррохрома из местных руд. – В кн.: Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов. Сб. тр. XII Российского семинара. – Курган: изд. Курганского гос. ун-та, 2014. С. 42 – 44.Tanklevskaya N.M., Mikhailov G.G. Thermodynamic analysis of possibility of low-carbon ferrochrome production from local ores. In: Komp’yuternoe modelirovanie fiziko-khimicheskikh svoistv stekol i rasplavov. Sb. tr. XII Rossiiskogo seminara [Computer simulation of physicochemical properties of glasses and melts. Proc. of 12 th Russian Seminar]. Kurgan: izd. Kurganskogo gos. un-ta, 2014, pp. 42–44. (In Russ.).Gutierrez-Paredes J., Romero-Serrano А., Plascencia-Barrera G., Vargas-Ramirez M., Zeifert B., Arredondo-Torres V. Chromium oxide reduction from slag by silicon and magnesium // Steel Research Int. 2005. Vol. 76. No. 11. P. 764 – 768.Gutierrez-Paredes J., Romero-Serrano А., Plascencia-Barrera G., Vargas-Ramirez M., Zeifert B., Arredondo-Torres V. Chromium oxide reduction from slag by silicon and magnesium. Steel Research Int. 2005, vol. 76, no. 11, pp. 764–768.Van Ende Marie-Aline, Guo Muxing, Jones Peter Tom, Blanpain Bart, Wollants Patrick. Manganese and chromium distribution between CaO – SiO 2 – Mg Oat. – CrO 1,5 – MnO slags and Fe – Cr – Mn stainless steel // ISIJ International. 2008. Vol. 48. No. 10. P. 1331 – 1338.Van Ende Marie-Aline, Guo Muxing, Jones Peter Tom, Blanpain Bart, Wollants Patrick. Manganese and chromium distribution between CaO–SiO 2 –MgOat. –CrO 1.5 –MnO slags and Fe–Cr–Mn stainless steel. ISIJ International. 2008, vol. 48, no. 10, pp. 1331–1338.Salina V.A., Zhuchkov V.I., Zayakin O.V. Thermodynamic simulation of the manufacture of Fe – Si – Ni – Cr alloys // Russian Metallurgy (Metally). 2019. No. 2. P. 162 – 164.Salina V.A., Zhuchkov V.I., Zayakin O.V. Thermodynamic simulation of the manufacture of Fe–Si–Ni–Cr alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2019, no. 2, pp. 162–164.Salina V.A., Zayakin O.V., Zhuchkov V.I. The thermodynamic evaluation of the interphase distribution of elements in the chromium and nickel-containing system. – In book: Theoretical and practical conference with international participation and School for young scientists «Ferroalloys: Development prospects of metallurgy and machine building based on completed Research and Development». Knowledge E, 2019. P. 126 – 133.Salina V.A., Zayakin O.V., Zhuchkov V.I. The thermodynamic evaluation of the interphase distribution of elements in the chromium and nickel-containing system. In.: Theor. and Pract. Conf. with Int. Participation and School for Young Scientists «Ferroalloys: Development Prospects of Metallurgy and Machine Building based on Completed Research and Development». Knowledge E, 2019, pp. 126–133.Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. – Pori: Outokumpu research OY, 2002.Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu research OY, 2002.Глушко В.П. Термические константы веществ. Вып. IX. – М.: Академия наук СССР, 1979. – 574 с.Glushko V.P. Termicheskie konstanty veshchestv. Vyp. IX [Thermal constants of substances. Vol. 9]. Мoscow: AN SSSR, 1979, 574 p. (In Russ.).Гасик М.И., Лякишев Н.П. Физикохимия и технология электроферросплавов. – Днепропетровск: Системные технологии, 2005. – 448 с.Gasik M.I., Lyakishev N.P. Fizikokhimiya i tekhnologiya e ferrosplavov [Physical chemistry and technology of electroferroalloys]. Dnepropetrovsk: Sistemnye tekhnologii, 2005, 448 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.