РАСПЛАВЫ

1 · 2019

УДК 536+669.18

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe-Si-Ni-Cr

МЕТОДОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

^aИнститут металлургии УрО РАН, 620016 Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

*e"mail: valentina_salina@mail.ru

**e"mail: zferro@mail.ru

Поступила в редакцию 22.07.2018

Приведены результаты термодинамического моделирования процесса восстанов"

ления элементов системы, содержащей, мас. %: 40 Cr₂O₃; 21 FeO; 15 Al₂O₃; 6 SiO₂;

16 MgO; 2 CaO; 0.006 P₂O₅ при увеличении содержания СаО до основности 3.15. В

качестве восстановителя - ферросиликоникель (28% Fe, 65% Si; 7% Ni). Для моде"

лирования использован программный комплекс HSC Chemistry 6.12, разработанный

Outokumpu Research Oy (Финляндия), в базу данных которого введены новые термо"

динамические константы для соединения CrO и cкорректированы - CaCr₂O₄. Уста"

новлено, что повышение степени восстановления хрома на 32.7% (с 64 до 95.1%)

происходит в интервале увеличения основности шлака с 0.07 до 1.86. Рациональная

основность шлака составляет 1.86-1.9. Повышение расхода восстановителя от 0.5 до

1.05mвосст позволяет увеличить степень восстановления хрома на 52.4% и достигнуть

значения 95.1%. Химический состав полученного металла, мас. %: 50.4 Cr; 1.97 Si;

3.3 Ni; 0.21 Al; 0.0050 P; Fe - остальное. Результаты моделирования могут быть ис"

пользованы для расчета процесса восстановления элементов хромовой руды с ис"

пользованием ферросиликоникеля.

Ключевые слова: термодинамическое моделирование, система, силикотермия, основ"

ность, расход восстановителя, степень восстановления, ферросиликохромникель.

DOI: 10.1134/S0235010619010183

ВВЕДЕНИЕ

Основным способом воздействия на свойства металла является ее обработка ферро"

сплавами. Для получения нержавеющих, кислотостойких, жаропрочных и других ма"

рок стали используют хром" и никельсодержащие ферросплавы, применение которых

позволяет получать металлоизделия с высокими механическими свойствами (проч"

ность, пластичность, упругость и т.д.). Получение ряда ферросплавов производится

металлотермическим способом с применением в качестве восстановителя кремния,

который используется при производстве низкоуглеродистых марок ферросплавов

(феррохрома, феррованадия, ферромарганца и т.д.) [1, 2]. В литературе имеются рабо"

ты, посвященные изучению карбо" и металлотермического процесса получения фер"

рохрома [3-6].

Однако сведений о металлотермических процессах восстановления элементов оксид"

ных систем, кремнием ферросиликоникеля, нового вида ферросплавов [7], недостаточ"

но. Актуальной задачей исследований является применение комплексного сплава крем"

ния - ферросиликоникеля в качестве восстановителя металлов из хроморудных матери"

алов и шлаков аргоно"кислородного процесса получения нержавеющей стали. В этой

связи проведено термодинамическое моделирование (ТМ) силикотермического про"

цесса восстановления элементов системы Cr₂O₃-FeO-CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃ ферро"

Изучение процессов получения сплавов системы Fe-Si-Ni-Cr

Cr, %

100

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

(CaO)/(SiO₂)

Рис. 1. Изменение степени восстановления хрома (η_Cr) в зависимости от основности шлака(СаО)/(SiO₂).

силиконикелем для изучения влияния основности шлака (СаО)/(SiO₂) и расхода вос"

становителя.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для проведения термодинамических расчетов процесса восстановления хрома в ка"

честве оксидной системы использовали состав, близкий к концентрации хромовой

руды, содержащий, мас. %: 40 Cr₂O₃, 21 FeO, 5 SiO₂, 16 Al₂O₃, 16 MgO, 2 CaO, 0.006 P₂O₅

и восстановитель - ферросиликоникель, мас. %: 65 Si, 28 Fe, 7 Ni. Методом ТМ было

изучено влияние основности (от 0.07 до 3.15) оксидного расплава и расхода восстано"

вителя (от 0.5 до 2.5m_восст) (где “m_восст” - количество восстановителя, стехиометриче"

ски необходимого на восстановление хрома и железа) на степень восстановления хро"

ма (η_Cr) при температуре 1973 K и давлении 1 атм.

Для моделирования применяли программный комплекс (ПК) HSC Chemistry 6.12,

разработанный Outokumpu Research Oy (Финляндия) [8], в базу данных которого вве"

дено химическое соединение - двухвалентный оксид хрома (CrO) с соответствующи"

ми термодинамическими характеристиками и cкорректированы существующие в базе

данных термодинамические константы соединения хромита кальция - CaCr₂O₄. ПК

HSC Chemistry 6.12 основан на минимизации свободной энергии Гиббса и вариацион"

ных принципах термодинамики. Равновесный состав многокомпонентной оксидной

и металлической систем определен с применением модуля “Равновесные составы”.

Газовая фаза системы содержала 2.24 м³N₂ в качестве нейтральной добавки для уско"

рения вычислительной процедуры поиска равновесного состава.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты ТМ процесса восстановления элементов хромой руды кремнием ферро"

силиконикеля представлены в виде графических зависимостей (рис. 1 и 2). На рис. 1

показано изменение степени восстановления хрома в зависимости от основности

шлака (СаО)/(SiO₂) при температуре 1973 K и расходе восстановителя 1.05m_восст. Уста"

В. А. Салина, В. И. Жучков, О. В. Заякин

Cr, %

100

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

m_восст.

Рис. 2. Изменение степени восстановления хрома (η_Cr) в зависимости от расхода восстановителя m_восст.

новлено, что повышение основности шлака с 0.07 до 3.15 способствует увеличению

степени восстановления хрома с 64 до 97.4% соответственно.

Необходимо отметить, что наибольшее повышение степени восстановления хрома

(на 32.7%) происходит в интервале основности шлака с 0.07 до 1.86. Рациональные

условия процесса восстановления хрома кремнием обеспечиваются в интервале ос"

новности шлака 1.86-1.9, достигая 95-96% степени восстановления хрома при ис"

пользовании кремния на 94-95%. Последующее увеличение основности способствует

плавному повышению степени восстановления хрома.

Состав металла и шлака, образующихся в процессе силикотермического восстанов"

ления элементов из оксидного расплава, зависят от содержания исходных шихтовых

материалов, степени восстановления элементов и их улета в газовую фазу [9, 10].

На рис. 2 представлена зависимость степени восстановления хрома от расхода вос"

становителя m_восст при основности шлака равной 1.86 и температуре 1973 K. Определе"

но, что повышение расхода восстановителя от 0.5 до 1.05mвосст позволяет увеличить

степень восстановления хрома на 52.4% и достигнуть значения 95.1%, которое близко

к промышленным показателям плавки. Последующее увеличение расхода восстано"

вителя до 2.5 незначительно повысило степень восстановления хрома (на 4.9%). Со"

став полученного ферросплава, мас. %: 50.4 Cr; 3.3 Ni; 1.97 Si; Fe - остальное.

ВЫВОДЫ

Проведено термодинамическое моделирование системы Cr₂O₃-FeO-CaO-SiO₂-

MgO-Al₂O₃ с применением в качестве восстановителя кремния ферросиликоникеля.

Установлено, что увеличение основности шлака и расхода восстановителя повышает

степень восстановления хрома. Рациональная основность шлака составляет 1.86-1.9,

а расход восстановителя - 1.05m_восст, что позволяет получить степень восстановления

хрома 95.1% при температуре 1973 K. Результаты моделирования могут быть исполь"

зованы для расчета процесса восстановления элементов хромовой руды с использова"

нием ферросиликоникеля.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (Проект № 16"03"00092).

Изучение процессов получения сплавов системы Fe-Si-Ni-Cr

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Р ы с с М . А . Производство ферросплавов. М.: Металлургия. 1985. 344 с.

2. Л я к и ш е в Н . П . , Га с и к М . И . Металлургия хрома. М.: Москва “Элиз”. 1999.

582 с.

3. G a l ’ p e r i n L . L . , Z ay a k i n O . V. , O s t r o v s k i j Ya . I . , K i r i c h e n k o N . F. ,

Z h u c h k ov V.I . Particularities in production of high"carbon ferrochrome // Сталь. 2003. № 11.

С. 47-49.

4. Та н к л е в с к а я Н . М . , М и х а й л о в Г. Г. Термодинамический анализ возможности

получения низкоуглеродистого феррохрома из местных руд // Компьютерное моделирование

физико"химических свойств стекол и расплавов: сб. тр. XII Российского семинара. Курган:

Изд"во Курган. гос. универ. 2014. С. 42-44.

5. Z h a n g Ya n g " l i n g , L i u Ya n g , We i We n " j i e . Carbothermal reduction process of

the Fe-Cr-O system // International journal of minerals, metallurgy and materials. 2013. 20. № 10.

P. 931-940.

6. G u t i e r r e z " Pa r e d e s J . , R o m e r o " S e r r a n o A . , P l a s c e n c i a " B a r r e r a G . ,

Va r g a s " R a m i r e z M . , Z e i f e r t B . , A r r e d o n d o " To r r e s V. Chromium oxide reduc"

tion from slag by silicon and magnesium // Steel research int. 2005. 76. № 11. P. 764-768.

7. З а я к и н О . В . , Жу ч к о в В . И . Получение и свойства новых никелевых сплавов //

Современные технологии освоения минеральных ресурсов: сб. науч. тр. IV международ, на"

уч."техн. конференции. Красноярск: Изд"во ГОУ ВПО “ГУЦМИЗ”. 2006. С. 379-381.

8. R o i n e A . Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium

software with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu research OY. 2002.

9. С а л и н а В . А . , З а я к и н О . В . , Жу ч к о в В . И . Термодинамическое моделирова"

ние процесса получения комплексного сплава системы Fe-Cr-Ni для выплавки нержавею"

щей стали // IХ Торайгыровские чтения: сб. материалов международ. науч."практ. конферен"

ции. Павлодар: Павлодарский государственный университет им. С. Торайгыров. 2017. С. 102-

107.

10. С а л и н а В . А . З а я к и н О . В . , Жу ч к о в В . И . Изучение силикотермического

способа получения комплексных никель", хромсодержащих ферросплавов методом термоди"

намического моделирования // Наука и техника Казахстана. 2017. № 3-4. С. 85-90.

Studying the Processes of Producing Alloys of the System

of Fe-Si-Ni-Cr Thermodynamic Modeling

V. A. Salina¹, V. I. Zhuchkov¹, O. V. Zayakin¹

¹Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,

620016 Russia, Ykaterinburg, Amundsena st., 101

The results of thermodynamic modeling of the process of restoring the elements of a sys"

tem containing, masses, are given. %: 40 Cr₂O₃; 21 FeO; 15 Al₂O₃; 6 SiO₂; 16 MgO; 2 CaO;

0.006 P₂O₅ with increasing CaO content to basicity 3.15. Ferrosilicone (28% Fe, 65% Si;

7% Ni) is used as a reducing agent. For the simulation, the HSC Chemistry 6.12 software

package developed by Outokumpu Research Oy (Finland) was used, the database of which

introduced new thermodynamic constants for the CrO compound and corrected for

CaCr₂O₄. It has been established that an increase in the degree of chromium reduction by

32.7% (from 64 to 95.1%) occurs in the interval of increasing the basicity of slag from 0.07 to

1.86. The rational basicity of slag is 1.86-1.9. Increased consumption of reducing agent

from 0.5 to 1.05m_red allows to increase the degree of chromium recovery by 52.4% and reach

a value of 95.1%. The chemical composition of the resulting metal, wt %: 50.4 Cr; 1.97 Si;

3.3 Ni; 0.21 Al; 0.0050 P; Fe—the rest. The simulation results can be used to calculate the

process of restoring elements of chrome ore using ferrosiliconikel.

Keywords: thermodynamic modeling, system, silicothermia, basicity, reducing agent

consumption, reduction degree, ferrosilicochromic nickel

В. А. Салина, В. И. Жучков, О. В. Заякин

REFERENCES

1. Ryss M.A. Production of ferroalloys [Proizvodstvo ferrosplavov]. M.: Metallurgiya. 1985. 344 p.

[In Rus.].

2. Lyakishev N.P., Gasik M.I. Chromium metallurgy [Metallurgiya khroma]. M.: Moskva “Eliz”.

1999. 582 p. [In Rus.].

3. Gal'perin L.L., Zayakin O.V., Ostrovskij Ya.I., Kirichenko N.F., Zhuchkov V.I. Particularities in

production of high"carbon ferrochrome // Steel. 2003. № 11. P. 47-49.

4. Tanklevskaya N.M., Mikhaylov G.G. Thermodynamic analysis of the possibility of obtaining

low"carbon ferrochrome from local ores [Termodinamicheskiy analiz vozmozhnosti polucheniya nizkou"

glerodistogo ferrokhroma iz mestnykh rud] // Computer simulation of the physicochemical properties of

glasses and melts: XII Russian Seminar. Kurgan. 2014. P. 42-44. [In Rus.].

5. Zhang Yang"ling, Liu Yang, Wei Wen"jie. Carbothermal reduction process of the Fe-Cr-O sys"

tem // International journal of minerals, metallurgy and materials. 2013. 20. № 10. P. 931-940.

6. Gutierrez"Paredes J., Romero"Serrano A., Plascencia"Barrera G., Vargas"Ramirez M., Zeifert

B., Arredondo"Torres V. Chromium oxide reduction from slag by silicon and magnesium // Steel re"

search int. 2005. 76. № 11. P. 764-768.

7. Zayakin O.V., Zhuchkov V.I. Obtaining and properties of new nickel alloys [Polucheniye i svoyst"

va novykh nikelevykh splavov] // Modern technologies for the development of mineral resources: col"

lection of articles. Scientific."tech. conference. Krasnoyarsk: Izd"vo GOU VPO “GUTSMIZ”. 2006.

P. 379-381. [In Rus.].

8. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium soft"

ware with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu research OY. 2002.

9. Salina V.A., Zayakin O.V., Zhuchkov V.I. Thermodynamic modeling of the process of obtaining

a complex alloy of the Fe-Cr-Ni system for smelting stainless steel [Termodinamicheskoye modelirovaniye

protsessa polucheniya kompleksnogo splava sistemy Fe-Cr-Ni dlya vyplavki nerzhaveyushchey stali] //

IX Toraigyrovskie readings: Coll. materials international. scientific"practical conference. Pavlodar:

S. Toraighyrov Pavlodar State University. 2017. P. 102-107. [In Rus.].

10. Salina V.A. Zayakin O.V., Zhuchkov V.I. Study of the silicothermic method of producing com"

plex nickel", chromium"containing ferroalloys by thermodynamic modeling [Izucheniye silikoter"

micheskogo sposoba polucheniya kompleksnykh nikel’", khromsoderzhashchikh ferrosplavov metodom

termodinamicheskogo modelirovaniya] // Science and Technology of Kazakhstan. 2017. № 3-4. P. 85-

90. [In Rus.].