ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЛИЯНИЯ  ТЕМПЕРАТУРЫ  НА  ПРОЦЕСС  ВОССТАНОВЛЕНИЯ  ВАНАДИЯ  ИЗ  ОКСИДНЫХ  СИСТЕМ

Голодова  Марина  Анатольевна

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  технической  механики  и  графики

Сибирского  государственного  индустриального  университета,

РФ,  г.  Новокузнецк

Е-mail :  mag5702@mail.ru

Рожихина  Ирина  Дмитриевна

д-р  техн.  наук,  профессор  кафедры  металлургии  черных  металлов

Сибирского  государственного  индустриального  университета,

РФ,  г.  Новокузнецк

Е-mail :  mag5702@mail.ru

Нохрина  Ольга  Ивановна

д-р  техн.  наук,  зав.  кафедрой  металлургии  черных  металлов

Сибирского  государственного  индустриального  университета,

РФ,  г.  Новокузнецк

Е-mail:  mag 5702@mail.ru

Рыбенко  Инна  Анатольевна

канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  прикладных  информационных  технологий  и  программирования

Сибирского  государственного  индустриального  университета,

РФ,  г.  Новокузнецк

Е-mail :  mag5702@mail.ru

STUDY  OF  THE  INFLUENCE  OF  TEMPERATURE  ON  THE  RECOVERY  PROCESS  OF  VANADIUM  OXIDE  SYSTEMS

Marina  Golodova

candidate  of  saience,  assistant  рrofessor  of  department

technical  mechanics  and  graphics  of  Siberian  State  industrial  University,

Russia,  Novokuznetsk

Irina  Rogihina

doctor  of  saience,  professor  of  department

metallurgy  of  ferrous  metals  of  Siberian  State  industrial  University,

Russia,  Novokuznetsk

Olga  Nohrina

doctor  of  saience,  assistant  professor  of  department

of  graphics  and  descriptive  geometry  of  Siberian  State  industrial  University,

Russia,  Novokuznetsk

Inna  Rybenko

candidate  of  saience,  assistant  рrofessor  of  department  applied  information  technology  and  programming  of  Siberian  State  industrial  University,

Russia ,  Novokuznetsk

аннотация

Методом  термодинамического  моделирования  выполнен  расчет  параметров  восстановления  ванадия  при  температурах  металлургических  процессов.  Рассмотрены  зависимости  процесса  восстановления  ванадия  из  его  оксидов  от  температуры.

ABSTRACT

Method  of  thermodynamic  modeling  performed  calculation  of  vanadium  recovery  options  at  temperatures  of  metallurgical  processes.  Reviewed  on  vanadium  recovery  from  its  oxides,  from  temperatures.

Ключевые   слова:  металлургия;  ванадий;  термодинамическое  моделирование;  восстановление  ванадия.

Keywords:   metallurgy;  vanadium;  thermodynamic  modeling;  recovery  of  vanadium.

В  связи  с  возрастанием  мощностей  технологических  агрегатов,  увеличением  нагрузок  на  инженерные  сооружения,  эксплуатацией  механизмов  и  сооружений  в  экстремальных  условиях  (пониженные  и  повышенные  температуры,  высокая  сейсмоактивность,  повышенная  коррозия)  к  используемым  материалам,  в  первую  очередь  к  стали,  предъявляются  более  высокие  требования.

Одним  из  наиболее  эффективных  способов  повышения  качества  металла  и  его  эксплуатационных  свойств  является  дисперсионное  упрочнение,  позволяющее,  при  оптимальном  подборе  типа  упрочняющей  фазы  и  ее  количества,  сочетать  высокую  прочность  с  достаточной  пластичностью.  Такими  упрочняющими  фазами  являются  карбиды  и  карбонитриды  ряда  элементов,  в  том  числе  ванадия.  Ванадий  является  легирующим  элементом,  вызывающим  измельчение  зерна,  дисперсионное  твердение  стали  и  образование  совершенной  субзеренной  структуры,  поэтому  является  наиболее  востребованным  микро-легирующим  элементом  для  получения  металла  с  высокими  служебными  свойствами. 

Важным  условием  более  широкого  применения  ванадийсодержащих  сталей  и  обеспечение  конкурентоспособности  их  производства  является  снижение  стоимости  легирования,  заключающееся,  в  том  числе,  и  в  замене  дорогостоящих  ванадиевых  сплавов  лигатурами,  а  также  применении  метода  легирования,  основанного  на  введении  оксидных  материалов  и  обеспечении  условий  восстановления  оксидов  легирующих  элементов.  В  последнем  случае  из  процесса  исключается  стадия  получения  ферросплавов,  характеризующаяся  значительными  энергозатратами  и  низким  конечным  извлечением  легирующего  элемента  в  сталь.  Особое  значение  приобретает  развитие  технологии  легирования  стали  из  оксидных  материалов,  например,  ванадиевого  шлака,  с  применением  в  качестве  восстановителей  углерода  и  кремния,  позволяющих  получить  высокую  степень  восстановления  ванадия  и  имеющих  малую  стоимость.

В  современных  условиях  развитие  таких  технологий  невозможно  без  всестороннего  исследования  процессов,  проходящих  в  оксидных  системах  при  высоких  температурах,  причем  значительный  интерес  представляет  собой  зависимость  этих  процессов  от  температуры.

Металлургические  процессы  сопровождаются  сложным  комплексом  физико-химических  превращений,  протекающих  в  условиях  твердых,  жидких  и  газообразных  фаз  и  представляют  собой  систему,  в  которой  протекают  процессы  тепломассообмена,  газо-  и  гидродинамики.  Выполнить  оценку  поведения  компонентов  системы  на  различных  стадиях  процесса  и  определить  оптимальные  условия  для  получения  продукта  необходимого  качества  можно  на  основании  термодинамических  расчетов  [1].  При  этих  расчетах  металлургический  процесс  рассматривается  как  термодинамическая  система,  условно  выделенная  материальна.  Для  определения  условий  восстановления  ванадия  из  ванадийсодер-жащих  оксидных  материалов  рационально  использовать  методы  термодинамического  моделирования  на  основе  расчета  равновесных  состояний  в  модельных  термодинамических  системах.  Достоинство  этих  методов  заключается  в  возможности  быстро  рассчитать  равновесные  состояния  многокомпонентных  систем,  изменяя  в  широком  диапазоне  управляющие  воздействия.  Расчет  термодинамического  равновесия  позволяет  выяснить  принципиальную  возможность  получения  тех  или  иных  веществ,  выделение  которых  является  основным  при  решении  задачи  оценки  предельного  конечного  состояния,  определить  область  допустимых  значений  параметров.  При  реализации  термодинамического  моделирования  восстановления  ванадия  из  его  оксидов  использовался  готовый  программный  продукт  —  программный  комплекс  «Терра»,  разработанный  в  Московском  государственном  техническом  университете  и  позволяющий  на  основе  принципа  максимума  энтропии  находить  равновесный  состав  много-компонентной  гетерогенной  термодинамической  системы  для  высокотемпературных  условий. 

Термодинамическое  моделирование  процесса  восстановления  ванадия  из  его  оксидов  было  выполнено  для  следующих  модельных  систем:  V₂O₅  –С,  V₂O₅  –  Si,  V₂O₅–  С  –  Si.  Термодинамический  расчет  равновесного  состояния  систем  проводился  для  следующих  начальных  условий:  массы  пентаоксида  ванадия  равна  1  кг,  удельный  расход  каждого  из  восстановителей  изменялся  от  0  до  1  кг/кг  V₂O₅.

Восстановление  ванадия  из  пентаоксида  ванадия  проходит  с  последовательным  восстановлением  высших  оксидов  до  низших  (V₂O₅  →  V₂O₄   →  V₂O₃   →  VO)  как  при  восстановлении  углеродом,  так  и  при  восстановлении  кремнием  [3].  В  системах  V₂O₅–С,  V₂O₅–Si  и  V₂O₅–С–Si  одновременно  присутствуют  несколько  оксидов  ванадия,  поэтому  исследование  влияния  температуры  на  процесс  восстановления  ванадия  и  определение  необходимого  расхода  восстановителей  проводилось  для  суммарной  массы  оксидов  ванадия  (VO+V₂O₄ +V₂O₃  +V₂O₅ ). 

Для  исследования  влияния  температуры  на  процесс  восстановления  ванадия  в  системах  V₂O₅–С,  V₂O₅–Si  и  V₂O₅–С–Si  были  проведены  расчеты  равновесных  состояний  при  температурах  от  1673К  до  2273  К.  При  задании  минимальной  и  максимальной  температур  исходили  из  значений  температур,  характерных  для  процессов  внепечной  обработки  стали,  и  температуры  плавления  ванадия,  равной  2173  К. 

Результаты  проведенных  расчетов  показали,  что  в  исследуемых  системах  при  удельном  расходе  восстановителей  равном  нулю  наблюдается  уменьшение  суммарной  массы  оксидов  ванадия  (рисунок  1).  Это  связано  с  тем,  что  при  температурах  выше  1200  К,  происходит  диссоциация  пентаоксида  ванадия  с  образованием  низших  оксидов,  которые  в  свою  очередь  также  диссоциируют,  согласно  следующим  реакциям  [2]:

2V₂O₅  ↔  4VО₂  +  O₂

4VO₂  ↔  2V₂О₃  +  O₂

2V₂O₃  ↔  4VО  +  O₂

2VO  ↔  2V  +  O₂

Рисунок  1.  Зависимость  суммарной  массы  оксидов  ванадия  при  диссоциации  от  температуры,  К

При  введении  в  систему  углерода  и  кремния  (восстановителей)  и  увеличении  их  расхода,  как  следует  из  зависимостей,  приведенных  на  рисунках  2  и  3,  суммарная  масса  оксидов  ванадия  при  температурах  ниже  2073  К  не  зависит  от  температуры  процесса. 

В  системе  V₂O₅–С  при  повышении  температуры  выше  2073  К  и  увеличении  удельного  расхода  углерода  от  0,26  до  0,5  кг  происходит  снижение  суммарной  массы  оксидов  ванадия  при  одинаковом  расходе  восстановителя,  что,  вероятно,  связано  с  увеличением  диссоциации  оксидов  ванадия  с  ростом  температуры  (рисунок  2). 

Рисунок  2.  Зависимости  суммарной  массы  оксидов  ванадия  в  системе  V ₂O₅–С  от  расхода  углерода  и  температуры

Рисунок  3.  Зависимости  суммарной  массы  оксидов  ванадия  в  системе  V ₂O₅–Si  от  расхода  кремния  и  температуры

В  системе  V₂O₅–Si  при  повышении  температуры  выше  2073  К  и  удельного  расхода  кремния  свыше  0,45  кг  суммарная  масса  оксидов  ванадия  увеличивается.  Проведенные  расчеты  показали,  что  с  ростом  температуры  в  системе  увеличивается  количество  SiO  и  уменьшается  количество  SiO₂,  это  свидетельствует  о  том,  что  кремний  расходуется  не  только  на  восстановление  оксидов  ванадия,  но  и  на  восстановление  кремнезема  по  реакции: 

SiO₂  +  Si  =  2SiO.

Анализ  полученных  результатов  показал,  что  суммарная  масса  оксидов  ванадия  в  продуктах  реакции  при  температуре  ниже  2073  К  снижается  до  нуля  при  увеличении  расхода  углерода  от  0  до  0,5  кг/кг  V₂O₅,  при  увеличении  расхода  кремния  от  0  до  0,7  кг/кг  V₂O₅.  Процесс  восстановления  ванадия  из  пентаоксида  ванадия  в  системе  V₂O₅–С  заканчивается  при  удельном  расходе  углерода  0,5  кг/кг  V₂O₅,  а  системе  V₂O₅–Si  —  при  удельном  расходе  кремния  0,7  кг/кг  V₂O₅.

Зависимости  массы  оксидов  в  системе  V₂O₅–С–Si  от  удельных  расходов  восстановителей  и  температуры  приведены  на  рисунках  4  и  5. 

Рисунок  4.  Зависимости  суммарной  массы  оксидов  ванадия  в  системе  V2O5  –  С  –  Si  от  расхода  восстановителей  и  температуры  при  расходе  углерода  0,05  кг/кг  V ₂O₅

Рисунок  5.  Зависимости  суммарной  массы  оксидов  ванадия  в  системе  V ₂O₅  –  С  –  Si  от  расхода  восстановителей  и  температуры  при  расходе  углерода  0,20  кг/кг  V₂O₅

Из  полученных  расчетных  данных  следует,  что  в  исследуемом  температурном  интервале  в  системе  V₂O₅–С–Si,  как  и  в  системах  V₂O₅–С  и  V₂O₅–Si,  процесс  восстановления  ванадия  из  его  оксидов  не  зависит  от  температуры  в  интервале  от  1673  до  2073  К.

Список  литературы:

1. Ватолин  Н.А.  Термодинамическое  моделирование  в  высоко-температурных  неорганических  системах  [Текст]  /  Н.А.  Ватолин,  Г.К.  Мои-сеев,  Б.Г.  Трусов.  —  М.:  Металлургия,  1994.  —  353  с.
2. Куликов  И.С.  Диссоциация  окислов  ванадия  [Текст]  /  И.С.  Куликов  //  Известия  АН  СССР.  Металлы.  —  1970.  —  №  3.  —  С.  78—83.  Библиогр.:  с.  48.
3. Лякишев  Н.П.  Ванадий  в  черной  металлургии  [Текст]  /  Н.П.  Лякишев,  Н.П.  Слотвинский-Сидак,  Ю.Л.  Плинер,  С.И.  Лаппо.  —  М.:  Металлургия,  1983.  —  192  с.;  —  Библиогр.:  с.  190.