Термодинамический анализ рафинирования расплава железа от цинка

Цинк обладает рядом специфических физических и химических свойств, которые можно использовать для его удаления из расплавленной стали. Цинк имеет относительно низкие температуры плавления (419 °С) и кипения (906 °С), поэтому при нагреве твердого оцинкованного стального лома должен полностью испаряться. В окислительных условиях нагрева часть цинка перейдет в оксид цинка и будет впоследствии ассимилирована шлаком. Однако если оцинкованный лом попадает в расплавленный металл, то цинк растворяется в железе и условия его удаления изменяются.

Цинк и железо обладают заметным химическим сродством друг к другу, что подтверждается существованием нескольких химических соединений между ними (например, Fe3Zn7, FeZn10). Поэтому в жидкой стали силы химического взаимодействия между цинком и железом будут дополнительно удерживать цинк в расплаве стали и затруднять процесс испарения цинка. Цинк обладает более высоким химическим сродством к кислороду, чем железо, поэтому при окислении стали в период интенсивного плавления лома можно ожидать, что цинк будет окисляться более интенсивно и в виде оксида цинка ZnO переходить в шлак и оставаться в шлаке.

Для описания химических взаимодействий между металлом, шлаком и газовой фазой использован программный пакет термодинамического моделирования «ТЕРРА». При термодинамическом моделировании для учета химического взаимодействия между компонентами металлического расплава, компонентами шлакового расплава применена модель ассоциированных растворов. В соответствии с моделью считается, что в расплавленном состоянии между разнородными веществами формируются своеобразные химические соединения (ассоциаты, кластеры), благодаря которым соответствующий компонент «удерживается» в расплаве. Для цинка в жидкой стали такими ассоциатами являются соединения Fe3Zn7, FeZn10, для оксида цинка в жидком шлаке – сложные оксиды, например ZnFe2O4, ZnSiO3, Zn2SiO4. Перед началом расчетов были систематизированы и введены в базу данных комплекса «ТЕРРА» термодинамические данные по этим ассоциатам.

При расчетах в качестве исходных параметров задавали состав шихты (например, количество железа и содержание в нем цинка; количество и состав шлака; количество кислорода на окисление) и температуру, при которой необходимо оценить остаточное содержание цинка в расплавленной стали. Конечными результатами расчета были количество и состав металла и шлака, количество цинка в газовой фазе. Для выявления основных закономерностей расчеты выполнены для простых по составу систем, например, железо-цинк, а не для стали, дополнительно содержащей незначительные количества легирующих компонентов, таких как кремний, марганец, хром и др.

Удаление цинка в газовую фазу (испарение цинка). Цинк неограниченно растворяется в жидком железе и до 20–30 мас. % Zn в твердом железе при средних температурах. Поэтому анализ испарения цинка проводили в широком интервале температур, захватывающем области испарения как из твердого, так и из жидкого растворов с железом. Как следует из результатов расчетов (рис. 1) способность к испарению определяется, прежде всего, температурой.

Предельно достижимые остаточные концентрации цинка соответствуют нисходящей кривой на рис. 1. Например, при 1600 °С получить меньше, чем 1,8 мас. % Zn в стали не удается. Понизить концентрацию цинка можно, если увеличить температуру стали, например, в области горения дуг или в области внедрения кислородной струи в расплав стали – при 2000 °С остаточная концентрация цинка составляет уже 0,5 мас. % Zn. Если в исходном сплаве концентрация цинка выше этих предельно достижимых значений (например, 10, 5, 1 мас. % Zn, см. рис.1), то удаление цинка в газовую фазу возможно. Если исходная концентрация цинка в металле мала (например, 0,1 мас. % Zn), то удаления нет и весь цинк остается в конечной стали.

Сенин А.В., Чуманов И.В.

Рис. 1. Остаточное содержание цинка в стали в зависимости от температуры плавки и исходного содержания цинка в металле

Температура, °C

Рис. 2. Распределение цинка между металлом, газом и шлаком при переплаве цинксодержащего железа под окислительным шлаком в зависимости от температуры плавки

Удаление цинка в шлак . Как показывает практика, при расплавлении металлолома и его интенсивном окислении кислородом воздуха или струей кислорода, вдуваемой в расплав, в первую очередь окисляется железо и формируется шлак, содержащий повышенное количество оксида железа FeO (до 20–30 мас. % FeO). Дальнейшее окисление примесей идет, в основном, через взаимодействие с окисляющим шлаком. Как показали предварительные расчеты, с точки зрения термодинамического анализа нет разницы, как задавать кислород в систему – в виде газообразного кислорода О 2 или окисленного шлака, содержащего FeO. Выполнен расчет остаточного содержания цинка в стали при расплавлении 100 тонн лома, содержащего 10 мас. % Zn, под 10 тоннами окислительного шлака периода расплавления, содержащего 20 мас. % FeO, 40 мас. % CaO, 40 мас. % SiO₂.

Как следует из результатов, шлак практически не оказывает влияния на удаление цинка из стали, результаты совпадают с данными рис. 1. Это связано с тем, что формирующиеся в шлаке ассоциаты оксида цинка не могут конкурировать с более мощным процессом испарения цинка. Это подтверждается данными рис. 2, из которых видно, что весь цинк удаляется из стали в газовую фазу (содержание оксида цинка в шлаке не превышает 2 мас. %).

Выводы

Выполнен термодинамический анализ возможности удаления цинка из расплава железа в шлак и в газовую фазу.

Основным фактором удаления цинка из расплавленной стали является температура плавки. Более 90 % цинка испаряется в газовую фазу. Предельно достижимые остаточные концентрации цинка в стали лежат в пределах 1,8– 0,5 мас. % Zn при температурах жидкой стали от 1600 до 2000 °С.

Bulletin of the South Ural State UniversitySeries “Metallurgy”2013, vol. 13, no. 1, pp. 176–178

THERMODYNAMIC ANALYSISOF REFINING THE IRON MELT FROM ZINC

A.V. Senin, I.V. Chumanov