К.т.н.
Колесников А.С., д.т.н., Капсалямов Б.А., к.т.н. Абжанова А.С. Даулетбаева
Д.А., Рысбекова А.Т., Колесникова О.Г., Маханов В.В.
РГКП «ЮКГУ им. М. Ауезова», Шымкент, Казахстан
Образование силицидов железа в системе Fe-SiO2-C
В работах [1] рассматриваются вопросы получения ферросилиция из
техногенных отходов производства-клинкеров вельцевания окисленных цинковых руд. Известно [2], что в
системе Fe-Si образуется
ряд силицидов Fe2Si, Fe5Si3, FeSi, FeSi2. В настоящей работе совмещением использования
рототабельных планов второго порядка и термодинамических расчетов изучены условия вероятности образования силицидов
железа. Первоначально при помощи программы компании «Outokumpu Research Ou»
были рассчитаны изменения энергии Гиббса (∆GTo)
(таблица 1).
Таблица 1-
Влияние температуры (Т) и
отношения числа атомов Fe к числу
атомов Si в силициде Fe (m) на изменение энергии Гиббса (∆GTo)
их образования.
|
Реакция |
m |
∆GTo(кДж/моль О2) при Т,К |
||||
|
1373 |
1573 |
1773 |
1973 |
2173 |
||
|
Fe+SiO2+2C=FeSi+2CO |
1,0 |
128,23 |
61,87 |
-7,86 |
-80,64 |
-151,90 |
|
Fe+2SiO2+4C=FeSi2+4CO |
0,5 |
169,80 |
103,63 |
37,95 |
-26,65 |
-89,80 |
|
3Fe+SiO2+2C=Fe3Si+2CO |
3 |
96,97 |
26,87 |
-36,38 |
-77,39 |
-82,50 |
|
5Fe+3SiO2+6C=Fe5Si3+6CO |
1,67 |
113,44 |
45,09 |
-23,02 |
-88,72 |
-152,76 |
Используя полученные результаты влияния m и температуры на изменение энергии Гиббса
(∆GTo) силицидов железа, была поставлена задача
определения формы поверхности отклика-(∆GTo) исследуемого взаимодействия посредством
использования рототабельного планирования второго порядка [3]. Интервалы изменения m и
температуры (Т) показаны в таблице 2.
Таблица 2- Исходные данные для планирования
экспериментов.
|
Факторы |
Кодированный вид |
Натуральный вид |
||
|
Х1 |
Х2 |
m |
Т |
|
|
Нижний уровень |
-1 |
-1 |
0,82 |
1473 |
|
Верхний уровень |
+1 |
+1 |
2,65 |
1873 |
|
Нулевой уровень |
0 |
0 |
1,735 |
1673 |
|
Интервал варьирования |
Δ |
Δ |
0,915 |
200 |
|
Плечо + α |
+1,44 |
+1,44 |
3,029 |
1955 |
|
Плечо – α |
-1,44 |
-1,44 |
0,441 |
1390 |
В качестве целевой выходной переменной (поверхности отклика) выбрано изменение энергии Гиббса (∆GTo) образования силицидов. План и результаты проведенных экспериментов приведены в таблице 3.
Таблица 3- План проведения исследований влияния
соотношения Fe/Si и температуры (Т,К) на ∆GTo образования
силицидов
|
№ опыта |
m |
Т,К |
∆GTоэксп
|
∆GTорасч |
Отклонение,% |
|
1 |
0,82 |
1473 |
133 |
127,6 |
4,08 |
|
2 |
2,65 |
1473 |
68 |
67,4 |
0,91 |
|
3 |
0,82 |
1873 |
-19,9 |
-20,7 |
-4,07 |
|
4 |
2,65 |
1873 |
-79 |
-80,94 |
-2,41 |
|
5 |
3,029 |
1673 |
-6,1 |
-6,39 |
-4,72 |
|
6 |
0,441 |
1673 |
77 |
78,74 |
-2,26 |
|
7 |
1,735 |
1955 |
-90 |
-94,05 |
-4,50 |
|
8 |
1,735 |
1390 |
120 |
115,41 |
3,82 |
|
9 |
1,735 |
1673 |
10 |
9,80 |
2,03 |
|
10 |
1,735 |
1673 |
9,5 |
9,80 |
-3,13 |
|
11 |
1,735 |
1673 |
9,5 |
9,80 |
-3,13 |
|
12 |
1,735 |
1673 |
9,5 |
9,80 |
-3,13 |
|
13 |
1,735 |
1673 |
10 |
9,80 |
2,03 |
На основании проведенных по плану исследований найдено
уравнение регрессии:
∆GTo = 759,42-87,56×m -0,397×Т +15,75×m 2+0,0000088× Т 2 (1)
Об одновременном влиянии температуры и m на форму
поверхности отклика- ∆GTo
образования силицидов Fe можно судить по рисунку 1. Форма поверхности
имеет экстремальный характер. Горизонтальные сечения поверхности показаны на
рисунке 2. Как видно начало образования силицидов наблюдается по линии А-Б-В и затем в области А-Б-В-Г т.е. при Т ≥
1650 и соотношения Fe/Si≤3. Причем получение высококремнистого силицида
требует большей температуры. Образование силицидов Fe в порядке возрастания температуры начала образования
подчиняется следующей последовательности: 
Fe3Si →Fe5Si3→ FeSi →FeSi2.
Таким образом, совмещением
термодинамического исследования и рототабельного планирования второго
порядка по изучению образований
силицидов Fe из системы Fe-SiO2-C позволяют сделать следующие выводы: энергия Гиббса
образования силицидов Fe зависит от
соотношения в нем Fe/Si и
температуры в соответствии с
уравнением: ∆GTo = 759,42-87,56×m -0,397×Т+ +15,75×m 2+0,0000088× Т 2;
образование силицидов Fe в порядке
возрастания температуры начала образования подчиняется следующей
последовательности: 
Fe3Si→Fe5Si3→FeSi →FeSi2.
Литература:
1. Предварительный патент № 16191 Казахстан. Шихта для
получения ферросилиция / Бишимбаев В.К., Капсалямов Б.А., Шевко В.М.,
Колесников А.С. и др. Опубл.15.09.05г. В бюлл. № 9.
2. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология
производства ферросплавов-М.: Металлургия
1988. –784 с.
3. Батунер А.М., Позин М.Е. Математические методы в
химической технике. Л.:Химия,1971.-124с.