К.т.н. Колесников А.С., д.т.н., Капсалямов Б.А., Колесникова О.Г., Капсалямов А.Б., Кансеитова А.С., Сырманова А.С., Баймуратова А.С.

РГП «ЮКГУ им. М. Ауезова», Шымкент, Казахстан

Термодинамическое моделирование образования ферросилиция в системe Fe₃O₄-ZnSiO₃-C

В соответствии с [1-3] в клинкерах вельцевания различных материалов железо находится в восстановленном состоянии в форме Fe, FeO, Fe₃O₄, а цинк в виде силикатов в форме ZnSiO₃, углерод же представлен в виде непрореагировавшего кокса в процессе вельцевания цинковых руд.

В настоящей статье рассматривается возможность образования силицидов железа на основе термодинамического моделирования в интервале температур 1600-2200К и давлении р=0,1МПа. Для количественного термодинамического моделирования процессов образования ферросилиция был использован программный комплекс «Астра-4», разработанный в МВТУ им. Баумана [4,5] и основанный на принципе максимума энтропии- фактора, связанного со степенью упорядоченности энергетического состояния микрочастиц, из которого состоит рабочее тело.

В системe Fe₃O₄-ZnSiO₃-C рассмотрено взаимодействие Fe₃O₄ с силикатом цинка (ZnSiO₃) и углеродом.

При рассмотрении взаимодействия в системе SiO₂-Fe₃C-C была принята реакция Fe₃O₄+3ZnSiO₃+13C=3Zn+3FeSi+13CO.

Влияние температуры на распределение цинка (Zn), железа (Fe), кремния (Si), углерода (C) и кислорода (О₂) в системе Fe₃O₄-ZnSiO₃-C характеризуется образованием 6 элементами и соединениями: Zn, Fe, FeSi, Fe₅Si₃, Si, Si₂, Si₃, CO и CO₂. Из рисунка 1, следует, что степень перехода Zn в газовую фазу в системе Fe₃O₄-ZnSiO₃-C достигает 100% во всем исследуемом температурном интервале от 1600 до 2200К.

Из того же рисунка можно наблюдать, что степень перехода Fe в силициды железа (Fe_mSi_n) в системе Fe₃O₄-ZnSiO₃-C при соотношении Fe₃O₄/ZnSiO₃/С равном 1/3/13 соответственно составляет для соединения Fe₅Si₃ до 99,995% (при Т=1800К), для соединения FeSi до 69,56% (при Т=1900К).

Степень перехода Si в ферросплав (Fe_mSi_n) в системе Fe₃O₄-ZnSiO₃-C при вышеназванном соотношении показана на рисунке 1. Из которого следует, что степень перехода Si в ферросплав составляет для соединения Fe₅Si₃ до 59,89% (при Т=1800К), для соединения FeSi до 69,43% (при Т=1900К).

Таким образом, как видно из рисунка 1, в системе Fe₃O₄-ZnSiO₃-C цинк полностью отгоняется в газовую фазу со степенью перехода α_Zn=100%, при этом также возможно образование ферросилиция группой силицидов кремния с содержанием кремния в прогнозируемом ферросплаве от 18 до 27% (что соответствует маркам ферросилиция от ФС18 до ФС25), со степенью извлечения в сплав кремния α_Si от 10,5 до 69,43%, железа α_Fe от 10,5 до 99,995% с температурным оптимумом при 2000К.

Литература

1 Колесников А.С. Разработка комплексной электротермической технологии извлечения цветных металлов и железа из клинкера вельцевания оксидных руд: автореф. … канд. техн. наук. - Алматы.: ЦНЗМО, 2008. -23 с.

2 Колесников А.С. Разработка комплексной электротермической технологии извлечения цветных металлов и железа из клинкера вельцевания оксидных руд: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук- Алматы.: ЦНЗМО, 2008. -132с.

3 Шевко В.М., Капсалямов Б.А., Бишимбаев В.К., Колесников А.С., Картбаев С.К. Комплексная электротермическая переработка клинкеров вельцевания оксидных ачисайских цинксодержащих руд (монография)- Шымкент, 2009. -153 с.

4 Синярев Г.В., Ватолин Н.А., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов.-М.: Наука, 1962.-263 с.

5 Трусов Б.Г. Термодинамический метод анализа высокотемпературных состояний и процессов и его практическая реализация: дис. на соискание докт. техн. наук – М., 1984. -272с.