Особливості термодинамічної рівноваги реакцій в системі Ni-Cr-Mo-W-O-C щодо переробки легованих металургійних техногенних відходів для підвищення безпеки життєдіяльност

Шрифт:
32

https://doi.org/10.15407/steelcast2021.04.092

Met. litʹe Ukr., 2021, Tom 29, №4, P. 92-98

О.М. Смірнов1 , д-р техн. наук, проф., зав. відділу, e-mail: stalevoz@i.ua, https://orcid.org/0000-0001-5247-3908, Web of Science ResearcherID: N-1890-2017
А.С. Петрищев2 , канд. техн. наук, доц., доц. кафедри, e-mail: kafedrales@ukr.net, https://orcid.org/0000-0003-2631-1723
С.В. Семірягін3 , канд. техн. наук, доц., зам. ген. директора, e-mail: td.destal@ukr.net, https://orcid.org/0000-0002-8733-3216
Ю.О. Смірнов1 , канд. екон. наук, доц., ст. наук. співр., e-mail: smirnoff.yuriy@gmail.com

1 Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)
2 Національний університет «Запорізька політехніка» (Запоріжжя, Україна)
3 ТОВ НВП «Дніпроенергосталь» (Запоріжжя, Україна)

Надійшла 01.09.2021

УДК 669.15'28-198

Статтю присвячено дослідженням термодинамічної рівноваги в системі Ni-Cr-Mo-W-O-C, стосовно відновлення оксидної техногенної сировини. Для досягнення цієї мети побудовано графіки залежності значень вільної енергії Гіббса від температури, що дає уявлення про можливість протікання реакцій. Завдяки успішно проведеним етапам досліджень отримано суттєві результати з визначенням температурних умов, що забезпечують збільшення імовірності реакцій утворення карбідів та елементів у вільному стані при відновленні як вуглецем, так CO і карбідами. Показано, що з термодинамічної точки зору вищі оксидні сполуки мають меншу стійкість, ніж нижчі оксиди. В дослідженій системі вірогідні реакції утворення оксидів та карбідів, металів у вільному стані, а також CO та CO2. Визначено схильність оксидних з’єднань тугоплавких металів до відновлення за участі C, CO і карбідів. Визначено високу вірогідність паралельного протікання реакцій карбідоутворення наряду із відновленням при відносно низьких температурах. При підвищенні температури зростає вірогідність відновлення до металів у вільному стані. При цьому з підвищенням температури збільшується роль карбідів, як відновників. Визначено більшу імовірність протікання реакцій відновлення вищих оксидів, ніж нижчих. Разом з цим отримання відновленого продукту без вмісту карбідів є малоймовірним. Врахування фазових переходів і зміни теплоємності компонентів реакцій з підвищенням температури дало можливість отримати більш точні результати. Суттєва кількість розглянутих реакцій в широкому температурному діапазоні висвітлює більш повну картину можливих перетворень в процесі відновлення легованих техногенних відходів. Одночасно з відновленням і поверненням у виробництво техногенних відходів металургії реалізується зниження забруднення навколишнього середовища та зменшення екологічної напруженості регіонів з розвиненою промисловістю, що у свою чергу обумовлює підвищення безпеки життєдіяльності.

Ключові слова: термодинамічна рівновага, відновлення, оксидні техногенні відходи, переробка, безпека середовища перебування.

Література

1. Смірнов О.М., Петрищев А.С. Дослідження структури ресурсозберігаючого легуючого сплаву з вмістом Fe, Ni, Cr, W, Mo, Nb, Ti, отриманого з техногенних відходів, для підвищення безпеки життєдіяльності. Метал та лиття України. 2021. № 1 (29). С. 87–93. DOI: https://doi.org/10.15407/steelcast2021.01.087
2. Смирнов А.Н., Петрищев А.С., Семирягин С.В. Особенности структурно-фазовых превращений при восстановительной плавке отходов коррозионностойких сталей. Сталь. 2021. № 7. С. 55–60.
3. Юзов О.В., Седых А.М. Тенденции развития мирового рынка стали. Сталь. 2017. № 2. C. 60–67.
4. Puchol R.Q., Sosa E.R., González L.O., Castañeda Y.P., Sierra L.Y. New conception of the reutilization of solid waste from Cuban nickeliferous hydrometallurgical industry. Centro Azúcar Journal. 2016. Vol. 43. № 4. P. 1–15.
5. Petrov D., Movchan I. Comprehensive evaluation of anthropogenic load on environment components under conditions of ferroalloys manufacture. Ecology, Environment and Conservation. 2017. Vol. 23. № 1. P. 539–543.
6. Pincovschi I., Neacsu N., Modrogan C. The Adsorbtion of Lead, Copper, Chrome and Nickel Ions from Waste Waters in Agricultural Argilaceous Soils. Revista de Chimie. 2017. Vol. 68. Iss. 4. P. 635–638. DOI: https://doi.org/10.37358/RC.17.4.5520
7. Madebwe V., Madebwe C., Munodawafa A., Mugabe F. Analysis of the Spatial and Temporal Variability of Toxic Heavy Metal Concentrations in Ground Water Resources in Upper Sanyati Catchment, Midlands Province, Zimbabwe. IIARD International Journal of Geography and Environmental Management. 2017. Vol. 3. № 1. P. 23–37.
8. Рубежняк І.Г. Порівняльна оцінка нормативів забруднення ґрунтів важкими металами в Україні та країнах ЄС. Науковий вісник Національного університету біоресурсів і природокористування України. Серія: Біологія, біотехнологія, екологія. 2016. Том 234. С. 228–238.
9. Максимов Е.А., Васильев В.И. Утилизация и переработка отходов прокатных и трубопрокатных цехов металлургических заводов. Бюллетень «Черная металлургия». 2016. № 3. С. 99–106.
10. Колесников А.С., Назарбекова С.П., Байболов К.С., Джолдасова Ш.А. Термодинамическое моделирование химических и фазовых превращений в системе Fe2 O3 -NiO-CoO-C. Известия высших учебных заведений. Цветная металургия. 2017. № 3. C. 37–44.
11. Zhang Y., Wei W., Yang X., Wei F. Reduction of Fe and Ni in Fe-Ni-O Systems. Journal of Mining and Metallurgy. Section B Metallurgy. 2013. Vol. 49. Iss. 1. P. 13–20. DOI: https://doi.org/10.2298/JMMB120208038Z
12. Симонов В.К., Гришин А.М. Термодинамический анализ и особенности кинетики восстановления Cr2 O3 углеродом самостоятельно и в потоке СО, Н2 . Электрометаллургия. 2015. № 9. C. 9–18.
13. Акимов, Е.В., Сенин А.В., Рощин В.Е. Термодинамический анализ получения низкоуглеродистого феррохрома с применением модели ассоциированных растворов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2013. Том 13. № 1. C. 182–185.
14. Приписнов О.Н., Шелехов Е.В., Рупасов С.И, Медведев А.С. Механизм фазообразования и особенности механохимического синтеза карбидов хрома. Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 3. C. 8–15.
15. Приписнов О.Н., Шелехов Е.В., Рупасов С.И, Медведев А.С. Фазовые превращения в смеси Cr-C при механоактивации и отжиге. Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2014. № 2. C. 63–66.
16. Zhu H.Y., Li Z.B., Yang H.S., Luo L.G. Carbothermic Reduction of MoO3 for Direct Alloying Process. Journal of Iron and Steel Research, International. 2013. Vol. 20. № 10. P. 51–56. DOI: https://doi.org/10.1016/S1006-706X(13)60176-4
17. Козырев Н.А., Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Шурупов В.М., Козырева О.Е. Термодинамика реакций восстановления WO3 углеродом. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2016. № 2 (16). C. 15–17.
18. Shveikin G.P., Kedin N.A. Products of carbothermal reduction of tungsten oxides in argon flow. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. Vol. 59. Iss. 3. P. 153–158. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036023614030206
19. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. М.: Химия, 1970. 328 c.
20. Самсонов Г.В. Тугоплавкие соединения (справочник). [2-е изд.]. М.: Металлургия, 1976. 176 с.
21. Крестовников А.Н., Владимиров Л.П., Гуляницкий Б.С., Фишер А. Я. Справочник по расчетам равновесий металлургических систем. М.: Государственное научно-техническое издание литературы по черной и цветной металлургии, 1963. 356 с.
22. Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. М.: Химия, 1968. 470 с