Термодинамическое моделирование силикотермического процесса восстановления хрома

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 η_Cr 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 η_Cr 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 η_Cr 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.

термодинамическое моделирование, оксидная система, восстановление, температура, основность шлака, ферросилиций, состав металла

1. Неменов А.М. События в цифрах и фактах // Металлург. 2018. № 7. С. 96 – 100.

2. International Stainless Steel Forum (ISSF). URL: https://ussa.su/news/1898 (дата обращения: 17.05.2019).

3. Токовой О.К. Аргонокислородное рафинирование нержавеющей стали. – Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2015. – 250 с.

4. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали. Т. 1. – М.: Теплотехник, 2010. – 528 с.

5. Сазонов В.Н. О предыстории разработки нержавеющих сталей базовой системы легирования Fe – Cr // Металлург. 2018. № 8. С. 95 – 100.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. – Pori: Outokumpu research OY, 2002.

20. Глушко В.П. Термические константы веществ. Вып. IX. – М.: Академия наук СССР, 1979. – 574 с.

21. Гасик М.И., Лякишев Н.П. Физикохимия и технология электроферросплавов. – Днепропетровск: Системные технологии, 2005. – 448 с.