Научная статья на тему 'Исследование кинетики взаимодействия карбида кремния с расплавленным шлаком производств ферросилиция'

Исследование кинетики взаимодействия карбида кремния с расплавленным шлаком производств ферросилиция Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
428
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
iPolytech Journal
ВАК
Область наук
Ключевые слова
ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОСИЛИЦИЯ / КИНЕТИКА / ВОССТАНОВЛЕНИЕ / КАРБИД КРЕМНИЯ / ШЛАК / ОКСИД БОРА / FERROSILICON PRODUCTION / KINETICS / REDUCTION / SILICON CARBIDE / SLAG / BORON OXIDE

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Акбердин Александр Абдуллович, Ким Александр Сергеевич, Султангазиев Руслан Бауыржанович

ЦЕЛЬЮ статьи является ознакомление с результатами поиска новых эффективных флюсующих добавок для улучшения кинетических параметров восстановления кремния из печных шлаков, образующихся при выплавке ферросилиция. МЕТОДЫ. Экспериментальные исследования по влиянию оксида бора на кинетику взаимодействия печного шлака и карбида кремния выполнялись на термовесовой установке, смонтированной на печи Таммана. Скорость взаимодействия определяли по убыли массы образца и химическому анализу. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Найдена зависимость степени восстановления кремния из печных шлаков от температуры и количества вводимого в шлак В2О3. Результаты опытов обработаны по кинетической модели Хрущева, устанавливающей связь между степенью превращения вещества и временем процесса. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Установлено, что в условиях производства ферросилиция в рудно-термических печах реакция взаимодействия карбида кремния и кремнезема протекает в диффузионной области. Присутствие в шлаке В2О3 (до 4%) способствует росту константы скорости почти в 2 раза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Акбердин Александр Абдуллович, Ким Александр Сергеевич, Султангазиев Руслан Бауыржанович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF INTERACTION KINETICS OF SILICON CARBIDE AND FERROSILICON PRODUCTION MOLTEN SLAG

The PURPOSE of the article is to present the results of search for new effective fluxing additives improving kinetic parameters of silicon reduction from furnace slags produced in ferrosilicon melting. METHODS. Experimental studies of the effect of boron oxide on the interaction kinetics of furnace slag and silicon carbide have been performed on a thermogravimetric unit mounted on the Tamman furnace. The interaction velocity has been determined by the weight loss of the sample and chemical analysis. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. A dependence has been found of the degree of silicon reduction from furnace slags on the temperature and the amount of В2О3 introduced in the slag. The experiment results have been processed by Khrushev’s kinetic model that establishes a correlation between the conversion degree of a substance and process duration. CONCLUSION. It has been determined that the reaction of silicon carbide and silicon interaction proceeds in the diffusion region under conditions of ferrosilicon production in electric ore smelting furnaces. The presence of B2O3 (up to 4%) in the slag almost twofold accelerates the growth of the rate constant.

Текст научной работы на тему «Исследование кинетики взаимодействия карбида кремния с расплавленным шлаком производств ферросилиция»

Оригинальная статья / Original article

УДК 669.782:669.168

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-191-200

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ С РАСПЛАВЛЕННЫМ ШЛАКОМ ПРОИЗВОДСТВ ФЕРРОСИЛИЦИЯ

© А.А. Акбердин1, А.С. Ким2, Р.Б. Султангазиев3

Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева, Республика Казахстан, 100009, г. Караганда, ул. Ермекова, 63.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ статьи является ознакомление с результатами поиска новых эффективных флюсующих добавок для улучшения кинетических параметров восстановления кремния из печных шлаков, образующихся при выплавке ферросилиция. МЕТОДЫ. Экспериментальные исследования по влиянию оксида бора на кинетику взаимодействия печного шлака и карбида кремния выполнялись на термовесовой установке, смонтированной на печи Таммана. Скорость взаимодействия определяли по убыли массы образца и химическому анализу. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Найдена зависимость степени восстановления кремния из печных шлаков от температуры и количества вводимого в шлак В2О3. Результаты опытов обработаны по кинетической модели Хрущева, устанавливающей связь между степенью превращения вещества и временем процесса. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Установлено, что в условиях производства ферросилиция в рудно-термических печах реакция взаимодействия карбида кремния и кремнезема протекает в диффузионной области. Присутствие в шлаке В2О3 (до 4%) способствует росту константы скорости почти в 2 раза.

Ключевые слова: производство ферросилиция, кинетика, восстановление, карбид кремния, шлак, оксид бора.

Формат цитирования: Акбердин А.А., Ким А.С., Султангазиев Р.Б. Исследование кинетики взаимодействия карбида кремния с расплавленным шлаком в производстве ферросилиция // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 9. С.191-200. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-191-200

STUDY OF INTERACTION KINETICS OF SILICON CARBIDE AND FERROSILICON PRODUCTION MOLTEN SLAG A.A Akberdin, A.S. Kim, R.B. Sultangaziev

Chemical and Metallurgical Institute named after J. Abishev, 63 Ermekov St., Karaganda 100009, Republic of Kazakhstan

ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to present the results of search for new effective fluxing additives improving kinetic parameters of silicon reduction from furnace slags produced in ferrosilicon melting. METHODS. Experimental studies of the effect of boron oxide on the interaction kinetics of furnace slag and silicon carbide have been performed on a thermogravimetric unit mounted on the Tamman furnace. The interaction velocity has been determined by the weight loss of the sample and chemical analysis. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. A dependence has been found of the degree of silicon reduction from furnace slags on the temperature and the amount of В2О3 introduced in the slag. The experiment results have been processed by Khrushev's kinetic model that establishes a correlation between the conversion degree of a substance and process duration. CONCLUSION. It has been determined that the reaction of silicon carbide and silicon interaction proceeds in the diffusion region under conditions of ferrosilicon production in electric ore smelting furnaces. The presence of B2O3 (up to 4%) in the slag almost twofold accelerates the growth of the rate constant.

Keywords: ferrosilicon production, kinetics, reduction, silicon carbide, slag, boron oxide

For citation: Akberdin A.A, Kim A.S., Sultangazyiev R.B. Study of interaction kinetics of silicon carbide and ferrosilicon production molten slag. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 8, pp. 191-200 (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-9-191-200

1Акбердин Александр Абдуллович, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией «Бор», e-mail: akberdin.38@mail.ru

Aleksandr A. Akberdin, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Boron Laboratory, e-mail: akberdin.38@mail.ru

2Ким Александр Сергеевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории «Бор», e-mail: boron_213@mail.ru

Aleksandr S. Kim, Doctor of technical sciences, Chief Researcher of the Boron Laboratory, e-mail: boron_213@mail.ru

3Султангазиев Руслан Бауыржанович, докторант, научный сотрудник лаборатории «Бор», e-mail: sulrus83@mail.ru

Ruslan B. Sultangaziev, Doctoral Candidate, Researcher of the Boron Laboratory, e-mail: sulrus83@mail.ru

Введение

Сплавы кремния являются самыми распространенными в практике металлургии. Кремний высокой чистоты используется в полупроводниковой технике, технической чистоты - для производства, например, силуминов, силицидов. Основная масса сплавов кремния выпускается в виде ферросплавов и используется для раскисления и легирования металлов [1, 2]. В странах СНГ доля ферросилиция в общем объеме электротермических ферросплавов составляет около 30%, однако для его получения используется 60% всех электропечных мощностей ферросплавной промышленности. Вступление Казахстана в мировой рынок и поставка практически более 90% сплавов кремния Аксуского завода ферросплавов (АкЗФ) в зарубежные страны требует особого внимания к его качеству и стоимости.

В последние годы отмечается повышение спроса на высококремнистые сорта ферросилиция. Однако их производство связано с рядом технологических трудностей. По опыту работы АкЗФ длительная выплавка высококремнистых сортов ферросилиция приводит к образованию в ваннах печей значительного по высоте шлако-карбидного слоя. С течением времени этот слой растет, тигли вокруг электродов сужаются и начинают работать автономно. Такое нарушение геометрических параметров печи ведет к ухудшению электрического режима и снижению технико-экономических показателей плавки. На ферросплавных заводах ликвидация такого вида расстройств осуществляется переходом на выплавку низкокремнистых сортов ферросилиция. Но такой переход занимает длительное время, приводит к производству немарочной продукции и отрицательно сказывается на экономике.

По указанным выше причинам совершенствованию процесса получения FeSi и особенно реакциям восстановления кремния из шихтовых материалов уделяется особое внимание. В литературе предложено множество схем восстановления

кремния. Одна из них выглядит следующим образом:

SiO2 (Т, Ж) ^ SiO (Г) ^ SiC (Т) ^ Si (Ж).

В данной реакции карбиду кремния отводится одна из важнейших ролей в получении кремния. По [3] реакция с его участием может быть записана следующим образом:

SiO2 (Ж) + 2SiC (Т) = 3Si (Ж) + 2СО; (1) ДG0o = 222000 - 105Т (кал/моль).

Температура начала реакции составляет 2114 К (184ГС). Однако она более характерна для процесса получения кристаллического кремния, а для выплавки ферросилиция должно быть учтено присутствие в шихте железа [3]:

SiO2 (Ж) + 2SiC (Т) + 9Fe (Ж) =

= 3FeзSi (Ж) + 2СО; (2)

ДG0 = 147 000 - 105Т (кал/моль).

Для условий равновесия ДОо = 0) температура начала реакции составляет 1440 К (11270С).

Термодинамика указанных реакций рассмотрена достаточно подробно в работах [3-7]. Имеются и кинетические исследования. Интересна в этом плане работа по изучению влияния добавок фторидов на кинетику взаимодействия расплавов CaO-SiO2-Al2O3 c SiC [8]. Был определен диффузионный характер этого процесса и ускоряющее действие на него. Однако очевидно, что экологическая опасность фторидов требует подбора других интен-сификаторов, что и стало одной из задач настоящей работы. В этом плане интерес представляют бораты. Известно их положительное влияние на кинетику восстановления хромитовых руд [9] и вязкость силикатных расплавов [10], поэтому постановка опытов с ними представлялась целесообразной.

В настоящей работе эксперимен-

тально исследовано влияние присадок борного ангидрида (В2О3) на кинетику взаимодействия карбида кремния с образую-

щимися в ванне печи расплавами системы CaO-SiO2-Al2Os.

Методика исследования

Изучаемый процесс моделировали в печи сопротивления Таммана. Полной аналогии с процессом, протекающим в промышленной печи, достичь не удалось из-за разного способа и уровня преобразования электрической энергии в тепловую. Но для реакции восстановления кремния условия могут считаться приемлемыми, поскольку шихта, как и в промышленной печи, проходит стадии от твердого до жидкого состояния, а температура начала восстановления кремния его карбидом в лабораторной печи достигается.

Для приближения к производственным условиям в опытах использовали не чистый кремнезем, как по реакции (2), а оксидную часть шихты ФС45 производства АкЗФ, синтезированной из оксидов реактивной чистоты. Карбид кремния и борный ангидрид были чистотой 99,8-99,9% (табл. 1).

Количество карбида кремния в ших-

ту задавали из расчета полного восстановления ЭЮ2, а железа - из расчета получения ферросилиция марки ФС45. При навеске шлака 4 г убыль веса при полном восстановлении кремнезема должна составить 3,295 г. Для лучшего контакта частиц при смешении все шихтовые материалы перед опытами доизмельчали до крупности минус 0,1 мм. Опыты проводили в графитовых тиглях в печи Таммана. Тигель с шихтой, подвешенный к весам, опускали в предварительно нагретую до заданной температуры печь. Согласно предварительным опытам до необходимой температуры шихта в тигле прогревалась за 2-3 минуты. С этого момента через каждые 5 минут в течение 1 часа фиксировали убыль веса и поддерживали температуру печи на уровне заданной. После опытов металл и шлак анализировали химическим способом на содержание основных компонентов.

Таблица 1

Химический состав шихтовых материалов

Table 1

Chemical composition of charge materials_

Материал / Material Состав, мас. % / Composition, weight %

SIÜ2 AI2O3 CaO B2O3 SIC Прочие / Other

Шлак / Slag 58,60 33,28 8,11 - - 0,01

Карбид кремния / Silicon carbide - - - - 99,8 0,02

Оксид бора / Boron oxide - - - 99,9 - 0,01

Результаты исследования и их обсуждение

Экспериментальные данные представлены в табл. 2 и 3. Они показывают, что присадка в шихту В2О3 способствует более полному взаимодействию кремнезема шлака с карбидом кремния, что видно по росту убыли веса образца. Однако необходимо отметить, что при высоких температурах показатели степени восстановления кремния, определенные по убыли

веса и по химическому анализу металла на содержание кремния, заметно отличаются. При 1700°С (см. табл. 3) степень восстановления по убыли веса иногда даже превышает 100% (или 1, если ее определять в долях). Данный факт является следствием образования летучих соединений. По этой причине степень восстановления определяли по химическому анализу металла на

кремний. При 1600°С это различие меньше (см. табл. 2).

При анализе опытных данных обнаруживается интересная особенность влияния добавки в шихту борного ангидрида на содержание кремния в ферросилиции, точнее, на его предельное для данных условий значение. При наличии в шлаке 2% В2О3 это предельное значение достигается к 30-й минуте, 4% - к 20-й, а 20% В2О3 - к 15-й минуте опыта. Это свидетельствует о повышении скорости взаимодействия кар-

бида кремния с печным шлаком в случае добавки в последний борного ангидрида. Количественную оценку этого ускорения выполнили, используя кинетические модели, описывающие превращения веществ, в том числе и восстановление оксидов.

В литературе предложено большое количество моделей для описания результатов кинетических опытов (например, [11]). Считают, что наиболее общим из уравнений, описывающих реакции распада различных веществ, является следующее [12]:

Таблица 2

Влияние B2O3 на степень восстановления кремния карбидом кремния при температуре опыта 1600 С

Table 2

Effect of B2O3 on the degree of silicon reduction by silicon carbide

at he experiment temperature of 1600 С

Содержание B2O3, % / Content of B2O3, % Время (т), мин / Time (т), min Убыль веса (ДМ), г / Weight loss (ДМ), g Содержание [Si], % / Contents of [Si], % Степень восстановления (a) / Reduction degree (a)

по анализу металла / by metal analysis по убыли веса / by weight loss

0 5 0,6 7,9 0,1620 0,1820

10 1,0 13,2 0,2700 0,3030

15 1,15 15,2 0,3105 0,3490

20 1,25 16,5 0,3370 0,3790

30 1,40 18,5 0,3780 0,4250

40 1,55 20,45 0,4180 0,4700

50 1,65 21,7 0,4450 0,5010

60 1,70 22,43 0,4590 0,5150

4 5 0,70 9,15 0,1870 0,2124

10 1,10 14,4 0,2940 0,3338

15 1,25 16,3 0,3340 0,3790

20 1,35 17,6 0,3610 0,4097

30 1,50 19,6 0,4010 0,4552

40 1,65 21,6 0,4490 0,5010

50 1,80 23,5 0,4810 0,5463

60 1,90 24,84 0,5080 0,5760

10 5 0,80 10,03 0,2050 0,2428

10 1,20 15,46 0,3080 0,3642

15 1,35 16,9 0,3430 0,4097

20 1,50 18,8 0,3850 0,4552

30 1,70 21,3 0,4360 0,5150

40 1,85 23,2 0,4750 0,5615

50 1,95 24,5 0,5000 0,5918

60 2,05 25,72 0,5260 0,6221

= k(l-a)srm,

dr

(3)

где а - степень превращения вещества; k - константа скорости процесса; т- время, прошедшее от начала опыта, s - коэффициент, учитывающий непропорциональность зависимости скорости процесса от 1-а

При s = 1 и интегрировании этого выражения можно получить уравнение вида

k r( m+l)

а= 1 - e

(m+l)

(4)

которое было успешно использовано для оценки взаимодействия карбида кремния с печным шлаком производства ферросилиция [8]. Логарифмирование этого выражения дает

к

/п[-/п(1 - а)] = (т + 1)/пг + /п ——. (5)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(ш+1)

Аналитически уравнение (5) представляет собой прямую линию, отсекающую на оси /п[-/п(1 - а)] отрезок, равный

In

k

= а,

(6)

(ш+ 1)

который для краткости обозначили через а.

Тангенс угла наклона прямой (5) к оси 1пт дает значение (т + 1). Из выраже-

ния (6) находим, что

Ink = а + ln(m + 1).

(7)

Используя приведенные в табл. 2 и 3 значения степени превращения (а) образцов и продолжительности опытов (г), рассчитали /п[-/п(1 - а)] и /пг.

Часть полученных данных графически представлена на рис. 1.

Цифры на кривых обозначают содержание В203 в шлаке, %. Видно, что результаты опытов в координатах /п[-/п(1 - а)] - /пг хорошо укладываются на прямые. Поскольку использованная модель создана для диффузионных процессов, то это позволяет утверждать, что реакция разрушения карбида кремния кремнеземом печного шлака проходит в диффузионном режиме.

В этих же координатах опытные данные были обработаны математически методом наименьших квадратов. Во всех случаях исследуемые зависимости с высокими коэффициентами корреляции (Я) описываются уравнениями прямых. Так, для температуры 1600°С и содержания в шлаке 4% В203 искомое уравнение выглядит следующим образом:

/п[-/п (1 - а)] = -2,2171 + 0,4634 /пг. (8)

Рис. 1. Зависимость степени восстановления кремния карбидом кремния от времени при 1600 С Fig. 1. Dependence of the degree of silicon reduction by silicon carbide on time at 1600°C

Таблица 3

Влияние B2O3 на степень восстановления кремния карбидом кремния при температуре опыта 1700 С

Table 3

Effect of B2O3 on the degree of silicon reduction by silicon carbide _at thee experiment temperature of 1700 С_

Содержание B2O3, % / Content of B2O3,% Время, мин / Time (т), min Убыль веса, г/ Weight loss (ДМ), g Содержание [Si], % / Contents of [Si], % Степень восстановления / reduction degree (a)

по анализу металла / by metal analysis по убыли веса / by weight loss

0 5 1,01 10,9 0,2230 0,3065

10 2,01 21,7 0,4440 0,6100

15 2,41 24,0 0,5320 0,7314

20 2,71 29,3 0,5940 0,8225

30 2,86 30,9 0,6320 0,8680

40 2,91 31,4 0,6430 0,8832

50 2,96 32,0 0,6540 0,8983

60 3,01 32,5 0,6650 0,9135

2 5 1,40 15,03 0,3070 0,4249

10 2,00 22,5 0,4390 0,6070

15 2,30 24,7 0,5040 0,6980

20 2,60 27,9 0,5700 0,7891

30 3,00 32,2 0,6580 0,9105

40 3,20 32,2 0,6580 0,9712

50 3,30 32,2 0,6580 1,0015

60 3,40 32,2 0,6580 1,0319

4 5 1,70 17,1 0,3504 0,5159

10 2,40 24,2 0,4950 0,7284

15 2,85 28,7 0,5870 0,8649

20 3,10 31,24 0,6390 0,9408

30 3,30 31,24 0,6390 1,0015

40 3,50 31,24 0,6390 1,0622

50 3,65 31,24 0,6390 1,1077

60 3,80 31,24 0,6390 1,1533

20 5 1,90 20,03 0,4090 0,5766

10 2,70 28,50 0,5820 0,8194

15 3,00 31,64 0,6470 0,9105

20 3,30 31,64 0,6470 1,0015

30 3,70 31,64 0,6470 1,1229

40 4,00 31,64 0,6470 1,2140

50 4,28 31,64 0,6470 1,2989

60 4,50 31,64 0,6470 1,3640

Согласно данному выше определению, свободный член этого уравнения, численно равный -2,2171, есть отрезок

1п (к/т + 1), отсекаемый на оси ординат, а угловой коэффициент (0,4634) представляет собой (т + 1). Тогда можно записать:

/п(к/т + 1) = -2,2171

или /п(к/0,4634) = -2,2171.

Из последнего выражения находится константа скорости изучаемой реакции. Для рассматриваемых условий она численно оказалась равной 5,05-10 Результаты данных расчетов сведены в табл. 4.

В табл. 4 для каждого значения содержания В203 в шлаке дано найденное нами уравнение (у = -а + Ьх) зависимости степени превращения от времени, где для краткости ввели обозначения: у = /п[-/п(1 -а)]; а = /п(к/т +1 ); Ь = (т + 1); х = /пг. Анализируя данные табл. 4, можно видеть, что как с ростом температуры, так и содержания В203 в шлаке константа скорости увеличивается. Если учесть, что В203 является сильным плавнем, снижающим вязкость металлургических шлаков [10, 13], то диффузионный характер изучаемого процесса не вызывает сомнения. Математически это выражается приводимыми ниже уравнениями зависимости константы скорости от концентрации в шлаке В203, полученными путем обработки данных, содержащихся в табл. 4, методом наименьших квадратов:

к = В203/(2,35 + 18,24-В203) (9) для температуры 1600°С; Я = 0,999;

к = В203/(4,95 + 7,90-В203) (10)

для температуры 1700°С; Я = 0,999.

В то же время по виду уравнений нельзя не заметить наличие экстремума в значениях константы скорости. Более наглядно это видно из графической интерпретации уравнений (рис. 2).

Очевидно, что для рассматриваемых условий оптимальная концентрация борного ангидрида в шлаке находится в пределах 2-4% и дальнейшее увеличение его количества, с точки зрения роста скорости разрушения карбида кремния кремнеземом шлака, не имеет смысла.

Полезную информацию в этом плане может дать также величина энергии активации (Е), которая находится из температурной зависимости константы скорости реакции:

к = А ехр (-Е/ЯТ), (11)

где А - предэкспоненциальный множитель; Я - универсальная газовая постоянная, равная 8,31441 Дж/(моль-К).

Таблица 4

Значения (m + 1), Ink и k уравнения (4) при различных температурах эксперимента

Table 4

Values of (m + 1), Ink and k of the equation (4) at different experiment temperatures

Содержание B2O3 в мас. % / Content of B2O3 wt, % (m + 1) -Ink k-102 у = -а + bx Коэффициент корреляции R/ Correlation coefficient R

-а b

t= 1600oC

0 0,4713 3,1012 4,50 2,3489 0,4713 0,980

4 0,4634 2,9863 5,05 2,2171 0,4634 0,988

10 0,4565 2,9084 5,46 2,1242 0,4565 0,992

t= 1700oC

0 1,0870 2,9607 5,18 3,0442 1,0870 0,985

2 0,5306 2,4507 8,62 1,8170 0,5306 0,990

4 0,6070 2,300 10,0 1,800 0,6070 0,996

20 0,5676 2,090 12,34 1,5258 0,5676 0,975

После логарифмирования данная зависимость имеет следующий вид:

Ink = lnA - E/RT.

(12)

При наличии двух значений константы скорости к и к2) при двух температурах (Т1 и Т2) и известном из справочных данных значения газовой постоянной энергия активации может быть найдена следующим образом:

Е = R ln(k2/(ki) / (1/Т1 - 1/Т2).

(13)

Для реакции взаимодействия шлака с карбидом кремния без использования B2O3 Е оказалась равной 259 кДж/моль, а в присутствии 4% борного ангидрида - 210 кДж/моль. Факт снижения Е с присадкой B2O3 говорит о ее зависимости от вязкости шлака. Примечательно, что энергия активации взаимодействия карбида кремния с чистым кремнеземом, имеющим высокую вязкость, составляет 548-406 кДж/моль [8].

Имея приведенные в табл. 4 данные, можно найденные нами зависимости представить в изначальном - экспоненци-

альном - виде (уравнение (4)). Если в (4) подставить значения константы (к) и (т+1) из табл. 4, то, например, для температуры 1600°С и концентрации в шлаке 0 и 4% B2O3 получим, соответственно, следующие уравнения:

ai = 1 - e a2 = 1 - e

-0,0955 ■ T0

-0,1090 ■ T

■0,4634

(14)

(15)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Обратим внимание на величину показателя степени при времени т. она меньше 1. Как показано в ряде работ, при величине этого показателя больше 1 процесс протекает в кинетической области, меньше 1 - в диффузионной. По совокупности приведенных выше показателей можно считать, что изучаемый процесс протекает в диффузионной области, а добавка в шихту В2О3 ускоряет его. На практике это предложение с положительными результатами было проверено на промышленных печах за счет использования в производстве ферросилиция боратовых руд Индерского месторождения Республики Казахстан [14].

Содержание B2O3 в шлаке / Content of B2O3 in slag, %

Рис. 2. Влияние содержания В2О3 в шлаке на константу скорости процесса восстановления при 16000С (1) и 1700 С (2) Fig. 2. Effect of B2O3 content in slag on the constant of the reduction process rate at 16000С (1) and 1700 С (2)

Заключение

Экспериментально изучена кинетика взаимодействия карбида кремния с печным шлаком производства ферросилиция. Опытные данные обработаны по кинетической модели Хрущева, устанавливающей связь между степенью превращения вещества и временем процесса при постоянной температуре.

Установлено, что в условиях производства ферросилиция в рудно-термических печах реакция разрушения карбида кремния кремнеземом протекает в диффузионной области.

Показано, что присадка в шлаки производства ферросилиция борного ангидрида способствует ускорению процесса разрушения карбида кремния. При температуре 1700°С увеличение в шлаке содержания В203 от 0 до 4 % способствует росту константы скорости с 5,2 10-2 до 10,010 , т.е. практически вдвое.

Работа выполнена при финансовой поддержке Республики Казахстан, проект 0026 ПЦФ-14. п. 8.

Библиографический список

1. Holappa L. Toward sustainability in ferroalloys production // Proceeding of the Twelfth Intern. Ferroalloys Congress. Finland, Helsinki, June 6-9, 2010. P. 1-10.

2. Nosov S.K., Roshchin A.V., Roshchin V.E., Chernyakhovskii B.P. Theoretical basis, modern technologies, and innovations of ferrous metallurgy // Russian Metallurgy (Metally). 2012. Vol. 2012. Issue 12. P. 1007-1013.

3. Крамаров А.Д., Соколов А.Н. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М.: Металлургия, 1976. 376 с.

4. Щедровицкий Я.С. Высококремнистые ферросплавы. Свердловск: Металлургиздат, 1961. 256 с.

5. Гельд П.В., Есин О.А. Процессы высокотемпературного восстановления. Свердловск: Металлургиздат, 1957. 646 с.

6. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия, 1988. 784 с.

7. Толстогузов Н.В. Теоретические основы и технология плавки кремнистых и марганцевых сплавов. М.: Металлургия, 1992. 239 с.

8. Хрущев М.С. Кинетика взаимодействия расплавов CaO-SiO2-Al2O3 с SiC и влияние на этот процесс криолита // Производство ферросплавов: сб. научн. тр. Новокузнецк, 1989. С. 21-27.

9. Ким А.С., Акбердин А.А., Платонов В.Ю. Кинетика восстановления хромитовой руды углеродом в присутствии природных минералов бора // Абишевские чтения-2006 «Жидкость на границе раздела фаз:

теория и практика»: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию лауреата Госуд. премии РК, члена-корр. Национ. академии наук РК Жанторе Нурлановича Абишева (Караганда, 18-19 мая 2006 г.). Караганда, 2006. С. 567-577.

10. Акбердин А.А., Киреева Г.М., Медведовская И.А. Влияние В2О3 на вязкость шлаков системы CaO-SiO2-Al2O3 // Известия АН СССР. Металлы. 1986. № 3. С. 55-56.

11. Белькович П.М. Обзор топокинетических уравнений и их применимости к кинетике термического распада твердых веществ: сб. науч. работ Института химии АН СССР. 1956. № 1 (1). С. 21-35.

12. Черненко А.М. Применение ЭВМ для подбора уравнений, описывающих кинетические кривые термического распада карбонатов магния, гидроокиси магния и оксида бария. В кн.: Математические методы в петрологии и геохимии. М.: Наука, 1970. С. 55-59.

13. Ефимец А.М., Акбердин А.А., Конуров У., Ким А.С. Вязкость шлаков производства ферросилиция // Физико-химические и технологические вопросы металлургического производства Казахстана: сб. науч. тр. / ХМИ. Алматы: Искандер, 2002. Т. 30. кн. 2. С. 259-266.

14. Ефимец А.М, Акбердин А.А., Ким А.С. Разработка и промышленное освоение технологии производства ферросилиция в руднотермических печах на борсодержащих шлаках // Научные труды КарГТУ. 1999. Вып. 5. С. 65-68.

References

1. Holappa L. Toward sustainability in ferroalloys production. Proceeding of the Twelfth International Ferroalloys Congress. Finland, Helsinki, June 6-9, 2010, pp. 1-10.

2. Nosov S.K., Roshchin A.V., Roshchin V.E., Chernyakhovskii B.P. Theoretical basis, modern tech-

nologies, and innovations of ferrous metallurgy. Russian Metallurgy (Metally). 2012, vol. 2012. Issue 12. P. 1007-1013.

3. Kramarov A.D., Sokolov A.N. Elektrometallurgiya stali i ferrosplavov [Electrometallurgy of Steel and Ferroalloys]. Moscow: Metallurgija Publ., 1976, 376 p. (In

Russian)

4. Shchedrovitskii Ya.S. Vysokokremnistye ferrosplavy [High-Ssilica Ferroalloys]. Sverdlovsk: Metallurgizdat Publ., 1961, 256 p. (In Russian)

5. Gel'd P.V., Esin O.A. Protsessy vysokotempera-turnogo vosstanovleniya [High-Temperature Reduction Processes]. Sverdlovsk: Metallurgizdat Publ., 1957, 646 p. (In Russian)

6. Gasik M.I., Lyakishev N.P., Emlin B.I. Teoriya i tekhnologiya proizvodstva ferro-splavov [Theory and Production Technology of Ferroalloys]. Moscow: Metal-lurgija Publ., 1988, 784 р. (In Russian)

7. Tolstoguzov N.V. Teoreticheskie osnovy i tekhnologi-ya plavki kremnistykh i margantsevykh splavov [Theoretical Bases and Melting Technology of Silicon and Manganese Alloys]. Moscow: Metallurgija Publ., 1992, 239 p. (In Russian)

8. Khrushchev M.S. Kinetika vzaimodeistviya rasplavov CaO-SiO2-Al2O3 s SiC i vliyanie na etot protsess kriolita [Interaction kinetics of CaO-SiO2-Al2O3 melts and SiC and cryolite effect on this process]. In: Proizvodstvo ferrosplavov [Production of ferroalloys]. Novokuzneck, 1989, pp. 21-27. (In Russian)

9. Kim A.S., Akberdin A.A., Platonov V.Yu. Kinetika vosstanovleniya khromitovoi rudy uglerodom v pri-sutstvii prirodnykh mineralov bora [Kinetics of chromite ore reduction by carbon in the presence of natural minerals of boron]. Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Abishevskie chteniya-2006 "Zhidkost' na granitse razdela faz: teoriya i praktika"» [Materials of the International scientific and Practical Conference "Abishev's Readings-2006" Fluid at the Interface - Theory and Practice]. Karaganda: 2006, pp. 567-577. (In Russian),.

10. Akberdin A.A., Kireeva G.M., Medvedovskaya I.A. Vliyanie B2O3 na vyazkost' shlakov sistemy CaO-SiO2-Al2O3 [Effect of B2O3 on CaO-SiO2-Al2O3 System Slag Viscosity]. Izvestija AN SSSR. Metally [Proceedings of

Критерии авторства

Акбердин А.А., Ким А.С., Султангазиев Р.Б. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 05.07.2017 г.

the USSR Academy of Sciences. Metals]. 1986, no. 3, pp. 55-56. (In Russian)

11. Bel'kovich P.M. Obzor topokineticheskikh uravnenii i ikh primenimosti k kinetike termicheskogo raspada tverdykh veshchestv: sbornik nauchnykh rabot Instituta khimii AN CSSR [Overview of topokinetic equations and their applicability to the kinetics of thermal decomposition of solids]. In: Sbornik nauchnyh rabot Instituta himii AN SSSR [Collection of scientific works of the Institute of Chemistry of the USSR Academy of Sciences]. 1956, no. 1 (1). pp. 21-35. (In Russian)

12. Chernenko A.M. Primenenie EVM dlya podbora uravnenii, opisyvayushchikh kineticheskie krivye termicheskogo raspada karbonatov magniya, gidrookisi magniya i oksida bariya. [Computer Application for the Selection of Equations Describing Kinetic Curves of Thermal Decomposition of Magnesium Carbonates, Magnesium Hydroxide and Barium Oxide]. In: Ma-tematicheskie metody v petrologii i geohimii [Mathematical Methods in Petrology and Geochemistry]. Moscow: Nauka Publ., 1970, pp. 55-59. (In Russian)

13. Efimets A.M., Akberdin A.A., Konurov U., Kim A.S. Vyazkost' shlakov proizvodstva ferrosilitsiya [Viscosity of ferrosilicon production slags]. In: Fiziko-himicheskie i tehnologicheskie voprosy metallurg. proizvodstva Ka-zahstana [Physico-Chemical and Technological Issues of Metallurgical Production in Kazakhstan]. Almaty: Is-kander Publ., 2002, vol. 30, books 2, pp. 259-266. (In Russian)

14. Efimets A.M, Akberdin A.A., Kim A.S. Razrabotka i promyshlennoe osvoenie tekhnologii proizvodstva fer-rosilitsiya v rudnotermicheskikh pechakh na borsoderzhashchikh shlakakh [Development and commercialization of the technology of boron-containing slag-based ferrosilicon production in ore-thermal furnaces]. Nauchnye trudy KarGTU [University works of Karaganda State Technical University]. Karaganda, 1999, issue 5, pp. 65-68. (In Russian)

Authorship criteria

Akberdin A.A, Kim A.S., Sultangaziev R.B. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 05 Jule 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.