Наукове обґрунтування та технологічні засади одержання залізо-хромистих губчастих лігатур для виробництва спеціальних марок сталі та порошкових матеріалів
Loading...
Date
2024
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, Дніпро, Україна
Abstract
UKR: Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми яка полягає у фізико-хімічному обґрунтуванню, розробці технологічних аспектів, щодо впровадження у металургійне виробництво губчастих Fe – Cr лігатур, які отримані за технологією твердофазного відновлення брикетованої шихтової суміші з використанням хромової руди та хромовмісних техногенних матеріалів з метою підвищення вилучення провідних компонентів, зменшення енергетичних та матеріальних витрат та підвищення ступеня засвоєння хрому металевим розплавом. Проведено термодинамічний та кінетичний аналіз окислювальної газифікації вуглецю, в залежності від температури та складу окислювальної фази. Виконано фізико-хімічне обґрунтування можливих заходів, щодо інтенсифікації процесів газифікації вуглецевих матеріалів та окислювальної конверсії метану. Вперше теоретично обґрунтовано механізм інтенсифікації процесу газифікації вуглецю шляхом введення в шихту Feмет. Виконано дослідження впливу добавок солей лужних металів (K2CO3, Na2CO3) на кінетику газифікації вуглецевих матеріалів в різних умовах. Виконано теоретичне обґрунтування та експериментально підтверджена окислювальна конверсія природного газу на поверхні відновленого заліза із залученням складної газової фази (СО2, Н2О, О2). Виконано фізико-хімічне дослідження вуглецевотермічного відновлення хрому в простих і складних системах. Визначено температуру початку відновлення (Тп) хрому вуглецем за умови зміни загального парціального тиску газів (СО+СО2). За результатами розрахунку рівноважного складу газової фази побудована діаграма системи Cr – O – C, та визначені умови існування стабільних та метастабільних фаз. Відновлення Cr2O3 до Cr значно полегшується при розчиненні останнього в залізі. Показано, що утворення карбіду хрому суттєво зменшує температуру початку процесу. Запропоновано фізико-хімічну модель відновлення хрому із Fe(CrO2)2 та формування складного карбіду (Cr,Fe)mCn. Побудована діаграма температурної залежності рівноважного складу газової фази, яка підтверджує послідовне видновлення заліза та хрому. Вперше виконано термодинамічний аналіз відновлення хроміту заліза в умовах дефіциту вуглецю. Термодинамічно підтверджено можливість відновлення хроміту заліза карбідом заліза Fe3C. Вперше експериментально підтверджена двостадійна модель механізму твердофазного відновлення хрому вуглецем. Досліджено складний характер впливу Feмет на кінетику вуглецевотермічного відновлення хрому та збільшення глибини відновлення. Вперше, спираючись на результати теоретичних та експериментальних досліджень, розкрито механізм інтенсифікуючої дії заліза та магнетитового концентрату глибокого збагачення на відновлення хрому.
ENG: Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in speciality 05.16.02 - "Metallurgy of ferrous metals and special alloys" - Ukrainian State University of Science and Technology, Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipro, 2024. The dissertation is devoted to solving an important scientific and technical problem, which consists in the physicochemical substantiation and development of technological aspects for the use in metallurgical production of sponge Fe-Cr ligatures obtained by the technology of solid-phase reduction of briquetted charge mixture using chrome ore and chrome-containing technogenic materials in order to increase the recovery of leading components, reduce energy and material costs and increase the degree of chromium absorption by the metal melt. The thermodynamic and kinetic analysis of oxidative gasification of carbon depending on the temperature and composition of the oxidation phase was carried out. A physicochemical substantiation of possible measures to intensify the processes of gasification of carbonaceous materials and oxidative conversion of methane was performed. For the first time, the mechanism of intensification of the carbon gasification process by introducing Femet into the charge was theoretically substantiated. The influence of additions of alkali metal salts (K2CO3, Na2CO3) on the kinetics of carbonaceous materials gasification under different conditions was studied. The oxidative conversion of natural gas on the surface of reduced iron with the involvement of a complex gas phase (CO2, H2O, O2) was theoretically substantiated and experimentally confirmed. A physicochemical study of the carbon-thermal reduction of chromium in simple and complex systems has been carried out. The temperature of the beginning of chromium reduction (Ts) by carbon was determined under the condition of changing the total partial pressure of gases (CO + CO2). Based on the results of calculating the equilibrium composition of the gas phase, a diagram of the Cr - O - C system was developed, and the conditions for the existence of stable and metastable phases were determined. The reduction of Cr2O3 to Cr is greatly facilitated by the dissolution of the latter in iron. It is shown that the formation of chromium carbide significantly reduces the temperature of the process. A physicochemical model of the reduction of chromium from Fe(CrO2)2 and the formation of complex carbide (Cr,Fe)mCn is proposed. A diagram of the temperature dependence of the equilibrium composition of the gas phase was constructed, which confirms the sequential extraction of iron and chromium. For the first time, a thermodynamic analysis of the reduction of ferric chromite under carbon deficiency conditions was performed. The possibility of reducing ferric chromite with Fe3C iron carbide was confirmed thermodynamically. For the first time, a two-stage model of the mechanism of solid-phase reduction of chromium by carbon was experimentally confirmed. The complex nature of Femet influence on the kinetics of carbon-thermal reduction of chromium and the increase in the depth of reduction was investigated. For the first time, based on the results of theoretical and experimental studies, the mechanism of the intensifying effect of iron and deep-enriched magnetite concentrate on the reduction of chromium was revealed.
ENG: Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences in speciality 05.16.02 - "Metallurgy of ferrous metals and special alloys" - Ukrainian State University of Science and Technology, Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnipro, 2024. The dissertation is devoted to solving an important scientific and technical problem, which consists in the physicochemical substantiation and development of technological aspects for the use in metallurgical production of sponge Fe-Cr ligatures obtained by the technology of solid-phase reduction of briquetted charge mixture using chrome ore and chrome-containing technogenic materials in order to increase the recovery of leading components, reduce energy and material costs and increase the degree of chromium absorption by the metal melt. The thermodynamic and kinetic analysis of oxidative gasification of carbon depending on the temperature and composition of the oxidation phase was carried out. A physicochemical substantiation of possible measures to intensify the processes of gasification of carbonaceous materials and oxidative conversion of methane was performed. For the first time, the mechanism of intensification of the carbon gasification process by introducing Femet into the charge was theoretically substantiated. The influence of additions of alkali metal salts (K2CO3, Na2CO3) on the kinetics of carbonaceous materials gasification under different conditions was studied. The oxidative conversion of natural gas on the surface of reduced iron with the involvement of a complex gas phase (CO2, H2O, O2) was theoretically substantiated and experimentally confirmed. A physicochemical study of the carbon-thermal reduction of chromium in simple and complex systems has been carried out. The temperature of the beginning of chromium reduction (Ts) by carbon was determined under the condition of changing the total partial pressure of gases (CO + CO2). Based on the results of calculating the equilibrium composition of the gas phase, a diagram of the Cr - O - C system was developed, and the conditions for the existence of stable and metastable phases were determined. The reduction of Cr2O3 to Cr is greatly facilitated by the dissolution of the latter in iron. It is shown that the formation of chromium carbide significantly reduces the temperature of the process. A physicochemical model of the reduction of chromium from Fe(CrO2)2 and the formation of complex carbide (Cr,Fe)mCn is proposed. A diagram of the temperature dependence of the equilibrium composition of the gas phase was constructed, which confirms the sequential extraction of iron and chromium. For the first time, a thermodynamic analysis of the reduction of ferric chromite under carbon deficiency conditions was performed. The possibility of reducing ferric chromite with Fe3C iron carbide was confirmed thermodynamically. For the first time, a two-stage model of the mechanism of solid-phase reduction of chromium by carbon was experimentally confirmed. The complex nature of Femet influence on the kinetics of carbon-thermal reduction of chromium and the increase in the depth of reduction was investigated. For the first time, based on the results of theoretical and experimental studies, the mechanism of the intensifying effect of iron and deep-enriched magnetite concentrate on the reduction of chromium was revealed.
Description
Науковий конс.: Камкіна Людмила Володимирівна, д.т.н, проф.
Захист 19 червня 2024 року в Інституті промислових і бізнес технологій Українського державного університету науки і технологій
О. Гришин: ORCID 0009-0000-0665-1179
Keywords
хромова руда, концентрат, графіт, деревне вугілля, техногенна сировина, брикетування, твердофазне відновлення, губчаста лігатура, газифікація, конверсія метану, вуглецевотермічне відновлення, магнітострикція, комплексне відновлення, карбід хрому, зневуглецювання, цинк, chromium ore, concentrate, graphite, charcoal, man-made raw materials, briquetting, solid-phase reduction, sponge ligature, gasification, methane conversion, carbon-thermal reduction, magnetostriction, complex reduction, chromium carbide, decarburisation, zinc, КТОМП
Citation
Гришин О. М. Наукове обґрунтування та технологічні засади одержання залізо-хромистих губчастих лігатур для виробництва спеціальних марок сталі та порошкових матеріалів : дис. … д-ра техн. наук. 05.16.02. Дніпро, 2024. 540 с. 0524U000238.