Термодинамический анализ влияния состава шлака, содержащего плавиковый шпат, на состав углеродистого феррохрома, полученного при проведении опытных плавок в руднотермической печи РКЗ-2ФС-Н1
Автор: Михайлов Геннадий Георгиевич, Антоненко Владимир Иванович, Жихарев Владилен Михайлович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Статья в выпуске: 36 (169), 2009 года.
Бесплатный доступ
При использовании для шлака теории растворов, имеющих коллективную систему электронов (ТРКСЭ), для металла - теории регулярных растворов (ТРР), проведена термодинамическая оценка влияния состава флюса (шлака), используемого в восстановительной плавке хромовой руды, на состав получаемого металла. Показано, что увеличение окисленности шлака приводит к уменьшению содержания хрома, марганца и кремния в металле, а изменение содержания плавикового шпата в флюсе практически не влияет на состав металла.
Термодинамический анализ, распределение железа, хрома, марганца и кремния между металлом и шлаком
Короткий адрес: https://sciup.org/147156626
IDR: 147156626
Текст научной статьи Термодинамический анализ влияния состава шлака, содержащего плавиковый шпат, на состав углеродистого феррохрома, полученного при проведении опытных плавок в руднотермической печи РКЗ-2ФС-Н1
При проведении опытных плавок хромовой руды с использованием флюса, содержащего плавиковый шпат, в руднотермической печи РКЗ-2ФС-Н1 [1] были получены расплавы металла и шлака, состав которых приведен в табл. 1.
Как следует из хода протекания процесса плавки, составы металлического и шлакового расплавов близки к равновесному [1]. Учитывая это, можно провести термодинамическую оценку влияния состава шлака, выбранного на основе ба
зового шлака (табл. 2), на содержание железа, хрома, марганца и кремния в металле.
Распределение железа, хрома, марганца и кремния между металлическим и шлаковым расплавами может быть получено при использовании реакций (1)-(3):
2[Cr] + 3(FeO) = (Cr2O3) + 3[Fe];(1)
(FeO) + [Mn] = (MnO) + [Fe];(2)
2(FeO) + [Si] = 2[Fe] + (SiO2),(3)
Таблица 1
Состав продуктов восстановительной плавки хромовой руды в печи РКЗ-2ФС-Н1
|
Металл |
Сг |
Fe |
Р |
Si |
Мп |
С |
S |
|
Состав,% |
69,0 |
22,0 |
0,08 |
0,1 |
1,5 |
6,8 |
0,008 |
|
Шлак |
Сг2О3 |
SiO2 |
МпО |
Fe |
А12О3 |
MgO |
СаО |
CaF2 |
|
Состав, % |
1,5 |
18,0 |
1,0 |
0,46 |
16,0 |
21,0 |
24,3 |
13,2 |
Таблица 2
«Базовый» состав шлака и пределы варьирования концентраций компонентов
|
Компонент |
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
|
«Базовый» состав шлака, % |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
|
Пределы варьирования концентраций |
0,2-1,4 |
19-31 |
12-27 |
0,8-1,2 |
14-30 |
13-21 |
0,5-2,5 |
10-30 |
Таблица 3
Электроотрицательность атомов, Hi
|
Элемент |
О |
F |
Mg |
Al |
Si |
Ca |
Cr |
Mn |
Fe |
|
Нь кДж/г-атом |
1255 |
1544 |
146 |
126 |
172 |
105 |
251 |
251 |
335 |
Таблица 4
Энергия смешения компонентов металлического расплава
|
lgil = lgis |
= 1^-4,165; T |
(4) |
|
, , , ^MnO^FeA lg£2=lg a(FeO)al.Mnl |
5505 =--2,52; T |
(5) |
|
^SiO^Fe] lg£3 =!g 2 a[S/]a(FeO) |
24242 =--7,55. T |
(6) |
При оценке активностей компонентов шлако
Активность соединения ^В^ в растворе (расплаве) определяется как произведение атомных активностей в степенях стехиометрических коэффициентов vz и Vy, то есть числах атомов компонента А и В в молекуле соединения:
««=«> а/ •
Для расчета активностей компонентов металлического расплава использовалась модель регулярного раствора, согласно которой активность компонента сорта i в растворе
вого расплава использовалась термодинамическая теория растворов как фаз, имеющих коллективную систему электронов (ТРКСЭ), а компонентов ме
а, = х, • ехр
I ( к к-1 к
” ^XjQij"^l ^L XjXmQjm
1 \J=1 j=lm=j+l
, (10)
таллического расплава - теория регулярных растворов (ТРР).
В теории ТРКСЭ структурными единицами фазы при статистических расчетах считаются атомы, из которых образованы компоненты шлакового расплава, валентные электроны которых образуют единую квантово-механическую систему [3, 4]. Тогда активность атомов сорта / в растворе определяется соотношением
к
^ = с.
У Еу
> с, ехр--- t^ 7 Л7
где Ct - атомная доля элемента сорта /, Ец - энергия взаимообмена атомов сорта / и у в растворе, равная
Здесь Hi - атомный параметр, характеризующий способность атома г присоединять электрон (электроотрицательность атома). Значения атомных параметров элементов, из которых образованы компоненты шлакового расплава рассматриваемой системы, приведены в табл. 3 [2].
где Xi - атомная доля компонента /, Qy - энергия смешения компонентов i и j. Значения энергий смешения компонентов, из которых образован металлический расплав, приведены в табл. 4 [5].
При использовании рассматриваемых теорий для шлакового и металлического расплавов и значений констант равновесия реакций (1)-(3) для задаваемого состава шлакового расплава при Т=1873 К находилось равновесное содержание хрома, марганца и кремния в металлическом расплаве. При проведении расчетов принималось, что сумма мольных долей железа, хрома, марганца и кремния в металле равна 0,74, а сумма мольных долей всех прочих элементов равна 1-0,74=0,26. Это соотношение получено для состава металла опытных плавок (см. табл. 1).
В работе проведена оценка влияния добавок в «базовый» состав шлака определенных компонентов при постоянном соотношении всех остальных компонентов расплава на содержание хрома, железа, марганца и кремния в металлическом расплаве (табл. 5-13).
Влияние добавок FeO в шлак на состав металла
|
№ |
Шлак, % ________________________ |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,2 |
25,075 |
18,054 |
1,003 |
22,066 |
17,051 |
1,505 |
15,045 |
9,127 |
80,800 |
1,999 |
0,545 |
|
2 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
3 |
0,8 |
24,925 |
17,946 |
0,997 |
21,934 |
16,949 |
1,495 |
14,955 |
34,512 |
57,067 |
1,085 |
0,028 |
|
4 |
1Д |
24,849 |
17,891 |
0,994 |
21,867 |
16,897 |
1,491 |
14,910 |
44,959 |
46,967 |
0,806 |
0,004 |
|
5 |
1,4 |
24,774 |
17,837 |
0,991 |
21,801 |
16,846 |
1,486 |
14,894 |
53,509 |
38,654 |
0,615 |
0,001 |
Таблица 6
Влияние добавок Сг2О3 в шлак на состав металла
|
№ |
Шлак, %________________________j |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,505 |
25,254 |
18,183 |
1,010 |
22,223 |
17,173 |
0,5 |
15,152 |
43,833 |
47,174 |
1,709 |
0,016 |
|
2 |
0,503 |
25,127 |
18,091 |
1,005 |
22,112 |
17,086 |
1,0 |
15,076 |
29,161 |
61,800 |
1,630 |
0,062 |
|
3 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,497 |
24,873 |
17,909 |
0,995 |
21,888 |
16,914 |
2,0 |
14,924 |
18,425 |
72,698 |
1,348 |
0,122 |
|
5 |
0,495 |
24,746 |
17,817 |
0,990 |
21,777 |
16,827 |
2,5 |
14,848 |
15,767 |
75,439 |
1,237 |
0,134 |
Таблица 7
Влияние добавок CaF2 в шлак на состав металла
|
Шлак, % ________________________ |
Металл, % |
|||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,529 |
26,471 |
19,059 |
1,059 |
23,294 |
17,173 |
0,588 |
10,0 |
22,442 |
68,583 |
1,492 |
0,098 |
|
2 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
3 |
0,471 |
23,529 |
16,941 |
0,941 |
20,706 |
16,0 |
1,412 |
20,0 |
22,348 |
68,697 |
1,470 |
0,100 |
|
4 |
0,441 |
22,059 |
15,882 |
0,882 |
19,412 |
15,0 |
1,324 |
25,0 |
22,289 |
68,767 |
1,457 |
0,101 |
|
5 |
0,412 |
20,588 |
14,824 |
0,824 |
18,118 |
14,0 |
1,235 |
30,0 |
22,219 |
68,849 |
1,444 |
0,103 |
Таблица 8
Влияние добавок SiO2 в шлак на состав металла
|
№ |
___________ Шлак, % ________________________ |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,537 |
26,829 |
12,0 |
1,073 |
23,680 |
18,244 |
1,610 |
16,098 |
23,434 |
67,649 |
1,489 |
0,051 |
|
2 |
0,518 |
25,915 |
15,0 |
1,037 |
22,805 |
17,622 |
1,555 |
15,549 |
22,912 |
68,149 |
1,486 |
0,073 |
|
3 |
0,500 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,500 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,482 |
24,085 |
21,0 |
0,963 |
21,195 |
16,378 |
1,445 |
14,451 |
21,893 |
69,111 |
1,476 |
0,132 |
|
5 |
0,463 |
23,671 |
24,0 |
0,927 |
20,390 |
15,756 |
1,390 |
13,902 |
21,394 |
69,572 |
1,469 |
0,171 |
Таблица 9
Влияние добавок СаО в шлак на состав металла
|
Шлак, % ________________________ |
Металл, % |
|||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,540 |
19,0 |
19,440 |
1,080 |
23,760 |
18,360 |
1,620 |
16,200 |
22,479 |
68,538 |
1,501 |
0,098 |
|
2 |
0,520 |
22,0 |
18,720 |
1,040 |
22,880 |
17,680 |
1,560 |
15,600 |
22,441 |
68,585 |
1,492 |
0,098 |
|
3 |
0,500 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,500 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,480 |
28,0 |
17,280 |
0,960 |
21,120 |
16,320 |
1,440 |
14,400 |
22,351 |
68,693 |
1,470 |
0,100 |
|
5 |
0,460 |
31,0 |
16,560 |
0,920 |
20,240 |
15,640 |
1,380 |
13,800 |
22,299 |
68,756 |
1,459 |
0,101 |
Таблица 10
Влияние добавок MgO в шлак на состав металла
|
№ |
Шлак, %________________________ |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,551 |
27,564 |
19,846 |
1,103 |
14,0 |
18,744 |
1,654 |
16,538 |
23,528 |
67,501 |
1,515 |
0,079 |
|
2 |
0,526 |
26,282 |
18,923 |
1,051 |
18,0 |
17,872 |
1,577 |
15,769 |
22,963 |
68,070 |
1,498 |
0,089 |
|
3 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,474 |
28,718 |
17,077 |
0,949 |
26,0 |
16,128 |
1,423 |
14,231 |
21,834 |
69,203 |
1,463 |
0,111 |
|
5 |
0,449 |
22,436 |
16,154 |
0,897 |
30,0 |
15,256 |
1,346 |
13,462 |
22,268 |
69,770 |
1,445 |
0,124 |
Таблица 11
Влияние замены СаО на SiO2 в шлаке на состав металла
|
№ |
Шлак, % |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,5 |
21,0 |
22,0 |
1,0 |
22,0 |
18,744 |
1,5 |
15,0 |
21,905 |
69,088 |
1,486 |
0,133 |
|
2 |
0,5 |
23,0 |
20,0 |
1,0 |
22,0 |
17,872 |
1,5 |
15,0 |
22,147 |
68,867 |
1,484 |
0,115 |
|
3 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,5 |
27,0 |
16,0 |
1,0 |
22,0 |
16,128 |
1,5 |
15,0 |
22,660 |
68,395 |
1,479 |
0,084 |
|
5 |
0,5 |
29,0 |
14,0 |
1,0 |
22,0 |
15,256 |
1,5 |
15,0 |
22,931 |
68,143 |
1,476 |
0,070 |
Таблица 12
Влияние добавок А12О3 в шлак на состав металла
|
№ |
Шлак, % |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12О3 |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,524 |
26,205 |
18,867 |
1,048 |
23,060 |
13,0 |
1,572 |
15,723 |
22,598 |
68,427 |
1,496 |
0,095 |
|
2 |
0,512 |
25,602 |
18,434 |
1,024 |
22,530 |
15,0 |
1,536 |
15,361 |
22,500 |
68,530 |
1,489 |
0,097 |
|
3 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,488 |
24,398 |
17,398 |
0,976 |
21,470 |
19,0 |
1,464 |
14,639 |
22,294 |
68,746 |
1,474 |
0,101 |
|
5 |
0,476 |
23,795 |
17,133 |
0,952 |
20,990 |
21,0 |
1,423 |
14,277 |
22,185 |
68,859 |
1,466 |
0,104 |
Таблица 13
Влияние добавок МпО в шлак на состав металла
|
№ |
Шлак, % |
Металл, % |
||||||||||
|
FeO |
СаО |
SiO2 |
МпО |
MgO |
А12Оз |
Сг2О3 |
CaF2 |
Fe |
Сг |
Мп |
Si |
|
|
1 |
0,501 |
25,051 |
18,036 |
0,8 |
22,044 |
17,034 |
1,503 |
15,030 |
22,479 |
68,843 |
1,190 |
0,102 |
|
2 |
0,501 |
25,025 |
18,018 |
0,9 |
22,022 |
17,017 |
1,502 |
15,015 |
22,439 |
68,739 |
1,336 |
0,101 |
|
3 |
0,5 |
25,0 |
18,0 |
1,0 |
22,0 |
17,0 |
1,5 |
15,0 |
22,399 |
68,636 |
1,481 |
0,099 |
|
4 |
0,499 |
24,975 |
17,982 |
1,1 |
21,978 |
16,983 |
1,498 |
14,975 |
22,359 |
68,534 |
1,626 |
0,098 |
|
5 |
0,499 |
24,949 |
17,964 |
1,2 |
21,956 |
16,966 |
1,497 |
14,970 |
22,319 |
68,731 |
1,770 |
0,097 |
Из полученных результатов расчетов видно, что увеличение содержания FeO в шлаке приводит к сильному увеличению железа и сильному уменьшению хрома, марганца и кремния в металле. Соответственно увеличение Сг2О3 в шлаке приводит к сильному увеличению содержания хрома и кремния и уменьшению содержания железа в металле. Увеличение содержания МпО или SiO2 в шлаке приводит к увеличению содержания соответственно марганца или кремния в металле.
Расчеты показывают также, что изменение содержания CaF2 в шлаке практически не влияет на состав получаемого металла, то есть CaF2 в ходе проведения плавки лишь влияет на кинетику процесса, так как уменьшает вязкость шлакового расплава.
Список литературы Термодинамический анализ влияния состава шлака, содержащего плавиковый шпат, на состав углеродистого феррохрома, полученного при проведении опытных плавок в руднотермической печи РКЗ-2ФС-Н1
- Программа работ и технологические указания по ведению восстановительных плавок марганцевого и хромового концентратов на печи РКЗ-2ФС-Н1 в цехе ЭШП ОАО «Ижорские заводы»/С.В. Дигонский, A.A. Гусев, Л.Н. Сергеев, Б.Г. Волошин. СПб., 22.04.1999.
- Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов/Е.А. Казачков. М.: Металлургия, 1988. С. 288.
- Пономаренко А.Г. Вопросы термодинамики фаз переменного состава, имеющих коллективную электронную систему. Свободная энергия фазы/А.Г. Пономаренко//ЖФХ. 1974. Т. 48. Вып. 7. С. 1668-1671.
- Пономаренко А.Г. Вопросы термодинамики фаз переменного состава, имеющих коллективную электронную систему. Химический потенциал и электронное строение фазы/А.Г. Пономаренко//ЖФХ. 1974. Т. 48. Вып. 8. С. 1950-1953.
- Теоретические основы процессов производства углеродистого феррохрома из уральских руд/В.П. Чернобровин, И.Ю. Пашкеев, Г.Г. Михайлов, и др. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. С. 346.
