Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Шевко В.М. 1 Аманов Д.Д. 1 Каратаева Г.Е. 1 Айткулов Д.К. 2

---

1 Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова

2 Институт Геологических Наук им. К. Сатпаева

В статье приводятся результаты исследований по кинетике восстановления кремния и алюминия при получении комплексного ферросплава из опоки содержащей аморфный высокореакционноспособный SiO2. Исследования проводились в температурном интервале 1650-1800 °С, с использованием печи Таманна. Найдено что заметное (> 30 %) совместное восстановление Si и Al происходит в температурном интервале 1650-1800 °С в течении 33-10 минут: для достижения высокой (> 90 %) степени восстановления наблюдается при 1800 °С необходимо продолжить продолжительность процесса не менее 60 минут: совместное восстановление Si и Al протекает в кинетическом режиме и характеризуется Екал 201-294 кДж; период зарождения процесса характеризуется Екал = 365.9 кДж:сплав, получены при 1800 °С и времени нагрева шихты в течении 70 минут содержит 41.7Si и 7.4 %Al.

Статья в формате PDF

1653 KB

опока

кинетика

восстановление

восстановление углеродом

кремний

алюминий

ферросплав

энергия активации

лимитирующая стадия

1. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. – М.: СП Интермет Инжиниринг 1999. – 764 с.

2. Друинский М.Н., Жучков В.И. Получение комплексных ферросплавов из минерального сырья Казахстана. – Алма-Ата; Наука, 1988. – 208 с.

3. Абишев Д.Н., Жарменов А.А., Байсанов С.О., Толымтеков М.Ж., Ахметов А.Б., Разработка технологии и освоение производства ферросиликоалюминия материалы совещания «Абишевские чтения – 2001». – Караганда:-ТОО «Три ветра», 2002. – С. 370-379.

4. Шишкин Г.А. Ресурсосберегающая технология производства кремния на основе механизма водород-углеводородного восстановления. Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук. – Иркутск, 2003. – 143 с.

5. Большой энциклопедический политехнический словарь под редакцией Ишлинсккого А.Ю. – М.: Мультитрейд, 2004. – 656 с.

6. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and equilibrium software with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu research 04.2002.

7. Дымов А.М., Технический анализ руды и металлов – М.: Металлургия, 1949. – 483 с.

8. Эмануэль Н.М. Кнорре Д.Г. Куре химической кинетики. – М.: Высшая школа, 1984. – 463 с.

9. Ванюков А.В. Зайцев В.Я. Теория пирометаллургических процессов. – М.: Металлургия, 1973. – 384 с.

Сырьем для производства кремнийсодержащих ферросплавов являются кварциты, золы ТЭЦ, углистые породы, [1-3], в которых SiO2 находится в кристаллическом состоянии (SiO2крист). Известно, что реакционная способность веществ возрастает с увеличением степени аморфности [4]. Поэтому использование кремнийсодержащих веществ с аморфным SiO2 (SiO2аморф) позволит улучшить показатели выплавки сплавов, содержащих кремний. Таким кремнийсодержащим является опока, в которой до 92-98 % SiO2 находится в аморфном состоянии [5].

Цель исследования

Цель настоящей работы заключалась в исcледовании кинетики совместного восстановления и перехода кремния и алюминия в ферросплав(αSi,Al %) при плавке опоки Южно-Казахстанского месторождения в смеси с коксом и стальной стружкой. В работе использовали опоку, которая после сушки содержала 77.8 %SiO2 (72.3 %аморф), 11.6 %Al2O3, 3.4 %Fe₂O3, 1.6 %CaO, 1.5 %MgO, 0.5 %TiO₂, 3.6 % – прочие, кокс содержащий 86 %С, 4.9 %SiO2, 1.91 %CaO + MgO, 1.8 %Al2O3, 2.2 %Fe2O3,0.6 %S и 3.2 % – прочие, а стальную стружку (98.4 %Fe).

Материалы и методы исследования

Предварительные исследования проводились методом термодинамического моделирования с использованием программного комплекса HSC – 5.1, основанного на принципе минимума энергии Гиббса [6]. Кинетика процесса изучалась на установке, основным элементом которой была печь Таммана. Шихта массой 300 г. помещалась в графитовый тигель, который загружался в предварительно разогретую печь. Температура в печи измерялась термопарой BP-5/20. После плавки тигель извлекался из печи, охлаждался и разбирался. Плотность полученного сплава (П, см3/г) определялась пикнометрическим методом. Затем используя данные [7] по полученным нами уравнениям связи плотности сплава с концентрацией в нем кремния и алюминия определялось содержание ΣSi и Al,(α _{Si + Al}, %) по следующим уравнениям.

при плотности от 2.33 до 3.52 г/см3

α_{Si + Al} = 690.679-545.783П + 166.151•П²-17.467•П³; (1)

при плотности от 3.52 до 6.09 г/см3:

α_{Si + Al}= 130.878-2.232•П + 0.859•П²; (2)

при плотности от 6.09 до 7.859 г/см3:

α_{Si + Al}= 3755.875-1.524•П + 208.0•П²-9.515•П³. (3)

Степень извлечения кремния и алюминия в сплав рассчитывали по формуле

α_{Si + Al}= (4)

где Gcm и Gоп соответственно масса опоки и масса сплава;

С _{Si + Al(оп)} – содержание кремния и алюминия в опоке %

С _{Si + Al(сп)} – содержание кремния и алюминия в опоке %.

Для определения кажущейся энергии активации использовали метод трансформации кинетических кривых [8].

Результаты исследования и их обсуждение

Программным комплексом HSC-5.1 найдено, что в системе опока-углерод-железо восстановление кремния происходит при Т ≥ 1300 °С, а Al при Т ≥  1800 °С. При этом кремний переходит в сплав в виде силицидов Fe3Si, Fe5Si3, FeSi, FeSi2, FeSi2.33, FeSi2.43 и в виде Si. Результаты влияния температуры на равновесную степень перехода кремния и алюминия в сплав приведены в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что заметное совместное восстановление кремния и алюминия из опоки наблюдается при Т > 1600 °С.

На рис. 1 приведена информация о влиянии температуры и времени на α_{Si + Al}, из которого следует, что увеличение температуры (от 1650 до 1800 °С) и временем (от 10 до 70 мин) позитивно влияет на изучаемый процесса.

1 – 1650 °С, 2 – 1700 °С, 3 – 1750 °С, 4 – 1800 °С

Рис. 1. Влияние температуры времени на α_{Si + Al} в сплав из системы опока-кокс – ст. стружка

В табл. 2 дана информация о коэффициентах трансформации кинетических кривых.

Таблица 1

Влияние температуры на равновесную степень перехода кремния и алюминия в сплав

Таблица 2

Коэффициенты трансформации кинетических кривых (æ) и Екаж при различных значения α_{Si + Al}

Получены значения Екаж свидетельствую о том, что совместное восстановление кремния и алюминия и Al из опоки с переходом их в сплав протекает в кинетическом режиме [8]. Причем по мере развития процесса на него начинает оказывать влияние диффузионные явления. На рис. 2 приведена зависимость Eкал = f(αSi + Al), которая имеет следующий математический вид:

Е_кал = 365.9-2.323•α (5)

Рис. 2. Зависимость Eкал = f(αSi + Al)

Из уравнения следует, что свободный член этого уравнения имеет размерность кДж и он отражает значение Екаж в период зарождения реакции, т.е. 365.9 кДж.

Растровая электронная микроскопия полученного при 1800 °С в течении 70 мин сплава позволила установить, что сплав содержит 41.7 %Si и 7.4 %Al. В исходной шихте отношение Si/Al составило 4.16, а в сплав 5.63. Следовательно при электроплаке опоки восстановление алюминия проходит менее полно чем кремния.

Заключение

На основании полученых результатов по кинетике перехода в ферросплав из Si – Al – при плавки опоки в смеси с коксом и стальной стружки можно сделать следующие выводы:

– заметное (> 30 %) совместное восстановление Si и Al происходит в температурном интервале 1650-1800 °С в течении 33-10 минут: для достижения высокой (> 90 %) степени восстановления наблюдается при 1800 °С необходимо продолжить продолжительность процесса не менее 60 минут:

– совместное восстановление Si и Al протекает в кинетическом режиме и характеризуется Екал 201-294 кДж; период зарождения процесса характеризуется Екал = 365.9 кДж.

– сплав, получены при 1800 °С и времени нагрева шихты в течении 70 минут содержит 41.7Si и 7.4 %Al.

Библиографическая ссылка