Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали
В рамках феноменологической теории строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества проведен анализ структурно-химического состояния алюмосиликатных шлаковых расплавов и механизма рафинирования при ковшевой обработке стали. Определены оптимальные составы ковшевых рафинировочны...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Назва видання: | Процессы литья |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160422 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали / Б.Ф. Белов, А.И. Троцан, И.Л. Бродецкий, Ф.С. Крейденко // Процессы литья. — 2015. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-160422 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1604222025-02-09T10:02:36Z Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали Структурно-хімічний стан рафінувальних шлаків при ковшовій обробці сталі Structural chemical condition of the refiner slags under ladle steel treatment Белов, Б.Ф. Троцан, А.И. Бродецкий, И.Л. Крейденко, Ф.С. Получение и обработка расплавов В рамках феноменологической теории строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества проведен анализ структурно-химического состояния алюмосиликатных шлаковых расплавов и механизма рафинирования при ковшевой обработке стали. Определены оптимальные составы ковшевых рафинировочных шлаков, отвечающие низкоглиноземистой эвтектике на базе алюмосиликата кальция 6СаОAl₂O₃3SiO₂ с основноcтью В⁰ = 1,87 и Тпл ~1250 °С, обладающие высокой адсорбционной емкостью по сере (АS ~ 4,0 %). Предложены твердые шлакометаллические смеси для замены ТШС, обеспечивающие исключение применения экологически вредного СаF₂ при сокращении расхода СаО. В рамках феноменологічної теорії будови металургійних фаз по моделі гармонійних структур речовини проведено аналіз структурно-хімічного стану алюмосилікатних шлакових розплавів і механізму рафінування при ковшовій обробці сталі. Визначено оптимальний склад ковшових рафінувальних шлаків, що відповідає низькоглиноземістій евтектиці на базі алюмосилікату кальцію 6СаОAl₂O₃3SiO₂ з основністью В⁰ = 1,87 і Тпл ~1250 °С, які мають високу адсорбційну ємність по сірці АS ~ 4,0 %. Запропоновано тверді шлакометалеві суміші для заміни ТШС, що забезпечують виключення застосування екологічно шкідливого СаF₂ при скороченні витрат СаO. By means of the phenomenological theory of a construction metallurgical phases on model of harmonious structures of substance the analysis of a structurally-chemical condition alumina-silicate slag melts and the mechanism of refining at ladle steel treatment is carried. Optimum com-positions of the dipper refiner slags, answering low- aluminous eutectic on the basis of calcium aluminum silicate 6СаОAl₂O₃3SiO₂ with basicity В⁰ = 1,87 and melting temperature ~ 1250 °С, possessing high adsorptive capacity on sulphur (АS ~ 4,0 %) are defined. The firm slag-metal mixes for replacement solid slag alloys, providing exclusion application of the ecologically harmful CaF₂ at the charge abbreviation of CaO are offered. 2015 Article Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали / Б.Ф. Белов, А.И. Троцан, И.Л. Бродецкий, Ф.С. Крейденко // Процессы литья. — 2015. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160422 669.168:669.017 ru Процессы литья application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов |
| spellingShingle |
Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Белов, Б.Ф. Троцан, А.И. Бродецкий, И.Л. Крейденко, Ф.С. Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали Процессы литья |
| description |
В рамках феноменологической теории строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества проведен анализ структурно-химического состояния алюмосиликатных шлаковых расплавов и механизма рафинирования при ковшевой обработке стали. Определены оптимальные составы ковшевых рафинировочных шлаков, отвечающие низкоглиноземистой эвтектике на базе алюмосиликата кальция 6СаОAl₂O₃3SiO₂ с основноcтью В⁰ = 1,87 и Тпл ~1250 °С, обладающие высокой адсорбционной емкостью по сере (АS ~ 4,0 %). Предложены твердые шлакометаллические смеси для замены ТШС, обеспечивающие исключение применения экологически вредного СаF₂ при сокращении расхода СаО. |
| format |
Article |
| author |
Белов, Б.Ф. Троцан, А.И. Бродецкий, И.Л. Крейденко, Ф.С. |
| author_facet |
Белов, Б.Ф. Троцан, А.И. Бродецкий, И.Л. Крейденко, Ф.С. |
| author_sort |
Белов, Б.Ф. |
| title |
Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали |
| title_short |
Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали |
| title_full |
Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали |
| title_fullStr |
Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали |
| title_full_unstemmed |
Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали |
| title_sort |
cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Получение и обработка расплавов |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160422 |
| citation_txt |
Cтруктурно-химическое состояние рафинировочных шлаков при ковшевой обработке стали / Б.Ф. Белов, А.И. Троцан, И.Л. Бродецкий, Ф.С. Крейденко // Процессы литья. — 2015. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT belovbf ctrukturnohimičeskoesostoânierafinirovočnyhšlakovprikovševojobrabotkestali AT trocanai ctrukturnohimičeskoesostoânierafinirovočnyhšlakovprikovševojobrabotkestali AT brodeckijil ctrukturnohimičeskoesostoânierafinirovočnyhšlakovprikovševojobrabotkestali AT krejdenkofs ctrukturnohimičeskoesostoânierafinirovočnyhšlakovprikovševojobrabotkestali AT belovbf strukturnohímíčnijstanrafínuvalʹnihšlakívprikovšovíjobrobcístalí AT trocanai strukturnohímíčnijstanrafínuvalʹnihšlakívprikovšovíjobrobcístalí AT brodeckijil strukturnohímíčnijstanrafínuvalʹnihšlakívprikovšovíjobrobcístalí AT krejdenkofs strukturnohímíčnijstanrafínuvalʹnihšlakívprikovšovíjobrobcístalí AT belovbf structuralchemicalconditionoftherefinerslagsunderladlesteeltreatment AT trocanai structuralchemicalconditionoftherefinerslagsunderladlesteeltreatment AT brodeckijil structuralchemicalconditionoftherefinerslagsunderladlesteeltreatment AT krejdenkofs structuralchemicalconditionoftherefinerslagsunderladlesteeltreatment |
| first_indexed |
2025-11-25T16:11:33Z |
| last_indexed |
2025-11-25T16:11:33Z |
| _version_ |
1849779391947603968 |
| fulltext |
20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Получение и обработка расплавов
УДК 669.168:669.017
Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, И. Л. Бродецкий,
Ф. С. Крейденко
Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев
СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
РАФИНИРОВОЧНЫХ ШЛАКОВ
ПРИ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ
В рамках феноменологической теории строения металлургических фаз по модели гармо-
нических структур вещества проведен анализ структурно-химического состояния алюмо-
силикатных шлаковых расплавов и механизма рафинирования при ковшевой обработке
стали. Определены оптимальные составы ковшевых рафинировочных шлаков, отвеча-
ющие низкоглиноземистой эвтектике на базе алюмосиликата кальция 6СаОAl
2
O
3
3SiO
2
с
основноcтью В0 = 1,87 и Тпл ~1250 0С, обладающие высокой адсорбционной емкостью
по сере (А
S
~ 4,0 %). Предложены твердые шлакометаллические смеси для замены ТШС,
обеспечивающие исключение применения экологически вредного СаF
2
при сокращении
расхода СаО.
Ключевые слова: шлак, металлургические фазы, расплав, алюмосиликаты, структурный
анализ, эвтектика, сталь, рафинирование.
В рамках феноменологічної теорії будови металургійних фаз по моделі гармонійних структур
речовини проведено аналіз структурно-хімічного стану алюмосилікатних шлакових розплавів і
механізму рафінування при ковшовій обробці сталі. Визначено оптимальний склад ковшових
рафінувальних шлаків, що відповідає низькоглиноземістій евтектиці на базі алюмосилікату
кальцію 6СаОAl
2
O
3
3SiO
2
з основністью В0 = 1,87 і Тпл ~1250 0С, які мають високу адсорбційну
ємність по сірці А
S
~ 4,0 %. Запропоновано тверді шлакометалеві суміші для заміни ТШС,
що забезпечують виключення застосування екологічно шкідливого СаF
2
при скороченні
витрат СаO.
Ключові слова: шлак, металургійні фази, розплав, алюмосилікати, структурний аналіз,
эвтектика, сталь, рафінування.
By means of the phenomenological theory of a construction metallurgical phases on model of
harmonious structures of substance the analysis of a structurally-chemical condition alumina-silicate
slag melts and the mechanism of refining at ladle steel treatment is carried. Optimum com-positions
of the dipper refiner slags, answering low- aluminous eutectic on the basis of calcium aluminum
silicate 6СаОAl
2
O
3
3SiO
2
with basicity В0 = 1,87 and melting temperature ~ 1250 0С, possessing high
adsorptive capacity on sulphur (А
S
~ 4,0 %) are defined. The firm slag-metal mixes for replacement
solid slag alloys, providing exclusion application of the ecologically harmful CaF
2
at the charge
abbreviation of CaO are offered.
keywords: slag, metallurgical phases, melt, aluminum silicates, structural analysis, eutectic,
steel, refining
В концепции создания современных металлургических технологий актуальной
задачей является исследование процессов шлакообразования и структурно-
химического взаимодействия в гетерогенной системе металл-шлак-газ, для ре-
шения которой необходимо проведение классификации и структуризации ковше-
вых шлаков, что позволяет определять оптимальные составы шлаковых систем с
высокой жидкотекучестью и адсорбционной емкостью, а также механизм рафини-
рования жидкого металла.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 21
Получение и обработка расплавов
Цель настоящей работы – анализ структурно-химического состояния шлаковых
расплавов и механизма рафинирования в рамках феноменологической теории стро-
ения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества (теория
МГС-фаз) для повышения эффективности ковшевой обработки стали.
Основные положения и методические разработки теории МГС-фаз [1,2] вклю-
чают:
− определение длины и энергии химической связи элементов по квантово-ме-
ханическим параметрам, рассчитанным согласно радиально-орбитальной модели
электронного строения атомов (модель РОМ-атом) [3];
− построение новым графо-аналитическим методом (ПДС-метод) информа-
ционно емких полигональных диаграмм состояния (ПДС) двойных и тройных
металлургических систем для жидких и твердых компонентов во всем интервале
концентраций [4-5];
− структурно-химический анализ исходных компонентов и промежуточных фаз
металлургических систем, определяющий их стехиометрический и химический со-
став, температуры образования и плавления, области гомогенности и структурное
состояние твердых и жидких растворов (СХС-анализ) [6];
− анализ стохастических металлургических систем с помощью балансовых
уравнений суммарных структурно-химических реакций, позволяющий рассчитать
оптимальные расходные коэффициенты присадочных материалов, адсорбционную
емкость шлака и степень рафинирования металла в процессах шлакообразования
и рафинирования стали (СМС-анализ) [7].
Классификация и структуризация ковшевых шлаков
Системным классификатором для определения стехиометрического, химиче-
ского и фазового составов ковшевых шлаков при производстве спокойных и полу-
спокойных сталей является полигональная диаграмма состояния CaO-Al
2
O
3
-SiO
2
,
построенная ПДС-методом на базе бинарных систем SiO
2
-CaO, CaO-Al
2
O
3
, SiO
2
-Al
2
O
3
.
Разработка расчетных методик построения диаграмм состояния, как теоретической
базы физико-химического анализа металлургических систем (металлических и шла-
ковых), является важной задачей современной теории металлургических процессов.
Сложность ее решения состоит в отсутствии общей (феноменологической) теории
диаграмм состояния, позволяющей прогнозировать процессы взаимодействия и
структурообразования металлургических фаз в твердом и жидком состояниях по фи-
зико-химическим параметрам исходных компонентов при заданных температурах.
Суть предлагаемого нами ПДС-метода [4-6] в том, что структурно-химические
реакции образования промежуточных фаз изображаются на плоскости чертежа пря-
мыми линиями (квазибинарные системы) между фигуративными точками исходных
компонентов или сингулярными точками промежуточных фаз. В точках пересечений
прямых линий образуются узловые (УПФ), на плоскостях между ними − триангуляци-
онные (ТПФ) промежуточные фазы. В качестве фигуративных выступают критические
точки изоструктурных состояний исходных компонентов (мезоморфные системы).
Двойные диаграммы состояния строят на плоскости прямоугольника в координатах
температура - концентрация. На ординатах чистых компонентов обозначаются все
известные критические точки структурных превращений в твердом и жидком состоя-
ниях. Концентрационное поле бинарной диаграммы между фигуративными точками
исходных компонентов разделяется на три зоны − газообразная, жидкая, твердая.
Принципиальным отличием ПДС-метода от известных теоретических методов
расчета диаграмм состояния [8] является определение условий образования пер-
вичной промежуточной фазы. Первичная промежуточная фаза (ППФ) образуется в
твердом или жидком состоянии, плавится конгруэнтно, состоит из минимального
числа частиц, максимально плотно упакованных. Для бинарных систем ППФ условно
разделяет диаграмму на две квазибинарные системы с исходными компонентами, в
которых образуются вторичные фазы на базе одного и другого исходного компонента.
На рисунке, а показана полигональная диаграмма тройной системы СаО-Al
2
O
3
-SiO
2
,
22 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Получение и обработка расплавов
а
б
Система CaO-Al
2
O
3
-SiO
2
: а − полигональная диаграмма состояний; б − клас-
сическая диаграмма
%мас.
%мас.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 23
Получение и обработка расплавов
построенная новым графо-аналитическим методом во всем интервале концентра-
ций [5]. Полигональная диаграмма системы СаО-Al
2
O
3
-SiO
2
представлена в виде
равностороннего треугольника, в вершинах которого находятся исходные компо-
ненты, на ребрах − промежуточные фазы бинарных систем СаО-Al
2
O
3
, СаО-SiO
2
,
Al
2
O
3
-SiO
2
. Трехзначные числа для условного обозначения промежуточных фаз, из
которых первые цифры отвечают стехиометрическим коэффициентам для СаО,
вторые − Al
2
O
3
, третьи − SiO
2
. Область первичных промежуточных фаз в центральном
треугольнике 201-210-011, образовавшемся на базе линейных систем первичных
промежуточных фаз бинарных систем разделяет концентрационное поле на три
зоны у вершин общего треугольника: 201-СаО-210, 210-Al
2
O
3
-011, 011-SiO
2
-201.
Всего в системе существует 30 промежуточных фаз, в том числе 8 эвтектик, в то
время как на классической диаграмме [9] (рисунок, б) наблюдаются только две
промежуточные фазы – геленит (2СаОAl
2
O
3
SiO
2
) и анортит (СаОAl
2
O
3
2SiO
2
), причем
состав и температуры эвтектик не определены.
В таблице 1 представлена, полученная на основе анализа полигональной диа-
граммы СаО-Al
2
O
3
-SiO
2
, классификация алюмосиликатов кальция, включающая:
стехиометрический и химический составы, основность и модуль, условные обо-
значения, температуры образования и плавления промежуточных фаз во всех зонах
концентрационного поля диаграммы. Следует отметить, что на классической (рису-
нок, б) диаграмме обнаружено 18 промежуточных фаз, из которых идентифициро-
ваны лишь геленит и анортит, тогда как на ПДС (рисунок, а) для всех промежуточных
фаз определены их составы. Промежуточная фаза (121-ГЛ), обнаруженная в точке
пересечения линейных систем 110-011 и 010-101, получила название глинозит,
которая с геленитом и аносовитом образуют триангуляционную фазу – пироксен
(111-ПР), входящий в состав сталеплавильных шлаков.
Алюмосиликатные сталеплавильные шлаки являются полимерными образова-
ниями, состоящие из сеткообразующих (Al, Si) и сеткоразрушающих (Ca) катионов,
объединенных с кислородом в ионно-молекулярный комплекс [10]. Структурный
ионно-молекулярный комплекс (СИМ-комплекс) существует в двух модификациях:
полигональные ячейки (ПГЯ) в виде двухмерных полимерных сеток или трехмерных
полиэдрических ячеек (ПДЯ) конечного размера и заданного стехиометрического
состава.
Стехиометрический состав, структурные формулы и геометрические параметры
СИМ-комплексов исходных компонентов и первичных промежуточных фаз пред-
ставлены в таблице 2. Исходные компоненты CaO образуют электронейтральные,
а SiO
2
и Al
2
O
3
электроотрицательные ячейки с максимально плотной упаковкой.
Плотность упаковки S
0
определяют из отношения площади к числу частиц N по-
лигональной ячейки.
Геометрические размеры СИМ-комплексов рассчитаны по квантово-механиче-
ским и химическим параметрам элементов по данным работы [3]. Первичные про-
межуточные фазы бинарных и тройных систем существуют в электронейтральном
состоянии, кроме силлиманита с четырьмя отрицательными зарядами (Al
4
Si
2
О
12
)4-.
Полигональные ячейки являются отдельными звеньями полимерной сетки конечного
размера, из которых образуются кольцевые или трехмерные структуры (полиэдри-
ческие ячейки), определяющие тип структурно-химических реакций взаимодействия
шлака и металла.
Механизм рафинирования при ковшевой обработке стали
В сталеразливочном ковше формируют покровный шлак, рафинировочная спо-
собность которого определяется двумя физико-химическими критериями: легко-
плавкость и адсорбционная емкость. Легкоплавкость шлака зависит от степени его
эвтектичности, когда достигается максимальная жидкотекучесть при температурах
металлического расплава. Адсорбционная емкость шлака зависит от степени его
активированного состояния. Степень активированного состояния шлака определя-
ется числом свободных химических связей, вступающих в реакции с примесными
24 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Получение и обработка расплавов
Стехиоме-
трический
состав
Химический состав,
%мас.
Условные
обозначения
В М
Температура,
0С
CaO Al2O3 SiO2
обра-
зова-
ния
плав-
ления
Область ППФ (2CaOAl2O3-Al2O3SiO2-2CaOSiO2)
2CaOAl2O3SiO2 40,9 37,2 21,9 2.1.1(ГН) 1,87 0,69 900 1600
2CaO2Al2O3SiO2 29,8 54,2 16,0 2.2.1 1,87 0,42 1100 1500
2CaOAl2O32SiO2 33,5 30,5 36,0 2.1.2 0,93 0,50 1000 1400
4CaOAl2O3SiO2 58,0 26,4 15,6 4.1.1 3,73 1,38 1200 1500
6CaO3Al2O32SiO2 44,1 40,2 15,7 6.3.2 2,8 0,79 1200 1500
4CaO3Al2O33SiO2 31,5 43,1 25,4 4.3.3 1,24 0,46 н.д. 1450
6CaO2Al2O33SiO2 46,7 28,3 25,0 6.2.3 1,87 0,88 1250 1250
4CaOAl2O32SiO2 50,2 22,9 26,9 4.1.2 1,87 1,00 1050 1350
6CaOAl2O33SiO2 54,4 16,5 29,1 6.1.3(Э1) 1,87 1,20 1200 1300
3CaOAl2O3SiO2 50,9 30,9 18,2 3.1.1(Э2) 2,8 1,04 1300 1350
CaOAl2O3SiO2 25,7 46,8 27,5 1.1.1(ПР) 0,93 0,35 1100 1500
CaO2Al2O32SiO2 14,7 53,7 31,6 1.2.2 0,47 0,17 1400 1400
6CaO3Al2O3SiO2 47,9 43,6 8,5 6.3.1(Э3) 5,6 0,92 1400 1400
Область Al2O3 (2СаОAl2O3-Al2O3-Al2O3SiO2)
2CaO6Al2O3SiO2 14,3 78,1 7,6 2.6.1 1,87 0,17 1500 1800
2CaO3Al2O3SiO2 23,4 64,0 12,6 2.3.1 1,87 0,30 1400 1600
CaO2Al2O3SiO2 17,5 63,8 18,7 1.2.1 (ГЛ) 0,93 0,21 н.д. 1550
5CaO4Al2O3SiO2 37,5 54,5 8,0 5.4.1(Э4) 4,67 0,60 1500 1500
Область SiO2 (Al2O3SiO2-SiO2-2СаOSiO2)
2CaOAl2O348SiO2 3,6 3,4 93,0 2.1.48 (М1) 0,038 0,030 1700 1700
2CaOAl2O318SiO2 8,7 7,9 83,4 2.1.18 (М/ М0) 0,10 0,09 1600
1700/
2100
2CaOAl2O39SiO2 14,9 13,5 71,6 2.1.9 (М2) 0,21 0,17 1700 1700
2CaOAl2O36SiO2 19,5 17,8 62,7 2.1.6 0,31 0,24 1475 1475
2CaOAl2O34SiO2 24,7 22,5 52,8 2.1.4 0,47 0,33 н.д. 1400
CaOAl2O32SiO2 20,1 36,7 43,2 1.1.2 (АН) 0,47 0,25 н.д. 1500
4CaOAl2O35SiO2 35,8 16,3 47,9 4.1.5 (Э5) 0,75 0,55 1300 1300
5CaOAl2O34SiO2 45,0 16,4 38,6 5.1.4(Э6) 1,17 0,82 1350 1350
Область СаO (2СаОSiO2-СаО-2СаOAl2O3)
3CaOAl2O33SiO2 37,3 22,7 40,0 3.1.3 (ГР) 0,93 0,60 1450 1450
12CaOAl2O3SiO2 80,6 12,2 7,2 12.1.1 11,2 4,1 1700 2200
10CaO2Al2O3SiO2 68,0 24,8 7,2 10.2.1 (Э8) 9,3 2,1 1800 1900
6CaOAl2O3SiO2 67,5 20,5 12,0 6.1.1 5,6 2,1 1400 1800
10CaOAl2O32SiO2 71,6 13,0 15,4 10.1.2 (Э7) 4,67 2,52 1900 1800
Таблица 1. Классификация тройных фаз системы CaO-Al
2
O
3
-SiO
2
*
* условные обозначения: Э – эвтектика; ППФ – первичная промежуточная фаза;
ГН – геленит, ГЛ – глинозит, АН – анортит; ПР – пироксен, ГР – гроссуляр; В = СаО/SiO
2
;
M = CaO/SiO
2
+Al
2
O
3
− основность и модуль шлака, соответственно
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 25
Получение и обработка расплавов
Формульный состав СИМ - комплексы
стехиомет-
рический
структурный
Геометрические параметры полигональных
ячеек, нм;
a = 0,153, b = 0,145, с = 0,200, с
1
= 0,205,
d = 0,108, h
1
=0,108, h
2
=0,105
Al
2
O
3
(Al
2
O
5
)4-
N=7,
S
0
=0,009
L =0,481
2CaOAl
2
O
3
(Са
2
Al
2
O
5
)0
N=9,
S
0
=0,0144
L=0,500
Al
2
O
3
SiO
2
(Al
4
Si
2
O
12
)4-
N=18,
S
0
=0,0179
L =1,40
2CaOSiO
2
(Ca
2
SiO
4
)0
N=7,
S
0
=0,009
L =0,20
2CaOAl
2
O
3
SiO
2
(ГН)
(Ca
4
Al
4
Si
2
O
14
)0
N=24,
S
0
=0,0155
L= 1,71
2CaO2Al
2
O
3
SiO
2
(Ca
2
Al
4
SiO
10
)0
N=17,
S
0
=0,0157
L= 1,20
2CaOAl
2
O
3
2SiO
2
(Ca
2
Al
2
Si
2
O
9
)0
N=15,
S
0
=0,013
L = 0,90
4CaOAl
2
O
3
SiO
2
(Ca
8
Al
4
Si
2
O
18
)0
N=32, S
0
=0,0155
L = 2,32
Таблица 2 . Структуризация шлаковых расплавов системы CaO-Al
2
O
3
- SiO
2
*
* N − число частиц; L − длина (нм); So – относительная плотность упаковки ячейки (нм2)
элементами жидкого металла с образованием химических соединений (оксиды,
сульфиды и др.), растворимых в гомогенном шлаковом расплаве. Активирован-
ное состояние достигается термическим или химическим способом, когда при
высоких перегревах разрываются связи, либо освобождаются за счет реакций
окисления – восстановления химически активных элементов. Сталеплавильные
шлаки относятся к окисным системам с ионным типом химических связей катионов
26 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Получение и обработка расплавов
(Si, Al, Ca) с кислородом, которые освобождаются за счет реакций раскисления при
взаимодействии с элементами, обладающими большим химическим сродством к
кислороду. Термические воздействия существуют только при высоких температурах,
причем с понижением температуры старые связи возобновляются.
Для ковшевой обработки конверторной стали, раскисленной кремнием и алюмини-
ем, в соответствии с полигональной диаграммой системы СаО-Al
2
O
3
-SiO
2
(рисунке 1, а)
рафинировочными шлаками являются эвтектические составы:Э
1
(6СаОAl
2
O
3
3SiO
2
)
− низкоглиноземистые при 16,5 % Al
2
O
3
с основностью В0 = 1,87 и температурой
плавления 1250 0С; Э
2
(3СаОAl
2
O
3
SiO
2
) − среднеглиноземистые при 30,9 % Al
2
O
3
,
В0 = 2,8, Т
пл
= 1300 0С; Э
3
(6СаО3Al
2
O
3
SiO
2
) − высокоглиноземистые при 43,6 %
Al
2
O
3
, В0 = 5,6, Т
пл
= 1450 0С. Оптимальные составы рафинировочных шлаков с
максимальной жидкотекучестью и адсорбционной емкостью отвечают тройной
низкоглиноземистой эвтектике 6СаОAl
2
O
3
3SiO
2
. Механизм шлакообразования
и рафинирования (раскисление и десульфурация) при ковшевой обработке
спокойных марок сталей описывается последовательным рядом структурно-
химических реакций:
12(FeSi2)Me + 48[O]Me→ 12FeMe + 24(SiO2)шл , (1)
50(FeSi2)Me → 50FeMe + 100(Si)Ме, (2)
12(FeAl)Me + 18[O]Me→ 12FeMe + 6(Al2O3)шл , (3)
10(FeAl)Me → 10FeMe + 10(Al)Me , (4)
25(FeMn4C2)Me → 25FeMe + 100(Mn)Me + 50(C)Me , (5)
24(SiO2)шл+ 6(Al2O3)шл + 48(CaO)шл → (24SiO26Al2O348CaO)шл , (6)
(24SiO26Al2O348CaO)шл +4(Al)шл → (24SiO28Al2O342CaO2Ca+ + 4Cа+2)АКШ , (7)
(24SiO28Al2O342CaO2Ca+ + 4Cа+2)АКШ + 6[S]Me→ (24SiO28Al2O342CaO6СаS)ПКШ . (8)
_____________________________________________________________________________
Σ: 62(FeSi2)Me+22(FeAl)Me+25(FeMn4C2)Me + 66[O]Me + 48(СаО)ТШС + 4(Al)шл+6[S]Ме →
→109FeMe+100(Si)Ме+10(Al)Me+100(Mn)Me+50(C)Me+24SiO28Al2O342CaO6СаS , (9)
где FeSi
2
– ФС45, FeAl – ФА30; FeMn
4
C
2
– ФМн70; Al – AB-87; реакции (1-5) – рас-
кисления и легирования стали кремнием (ФС45), алюминием (ФА30) и ферромар-
ганцем (ФМн70); реакция (6) – шлакообразование, реакция (7) – активирование
шлака, реакция (8) – адсорбция серы из металла, реакция (9) – балансовая.
Ковшевой шлак, полученный по реакции (6) отвечает эвтектическому составу
(Э
1
) с высокой жидкотекучестью, но не обладает реакционной (адсорбционной)
активностью вследствие наличия насыщенных ионных связей химических эле-
ментов. Реакционная способность ковшевого шлака появляется в результате его
активирования посредством раскисления алюминием при сохранении централь-
но-симметричной структуры полигональной ячейки, сокращенная форма записи
которой приведена ниже:
→ (24SiO
2
8Al
2
O
3
42CaO2Ca++4Ca2+)
АКШ
Химический состав покровного ковшевого шлака (ПКШ) в соответствии с урав-
нением реакции (9) содержит (%мас.): 28,6 SiO
2
+ 16,2 Al
2
O
3
+ 46,7 CaO + 8,5 СаS
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 27
Получение и обработка расплавов
при основности В0 = 1,63, М = 1,23 и адсорбционной емкости по сере А
S
= 3,8 %, что
в 3-4 раза превышает адсорбционную емкость (А
S
= 0,5-1,0) обычного ковшевого
шлака на основе ТШС, содержащего 80 % СаО + 20 % СаF
2
при расходе 5,0-10,0 кг/т
жидкого металла. Балансовая реакция (9) позволяет определить удельные расходы
присадочных материалов – ферросплавов (Q) и шлакообразующих (ШМС), степень
раскисления и десульфурации, химический состав стали:
Q, кг/т = (7,0 ФС45 +1,8 ФА30 + 7,5 ФМн70 + 0,12 АВ87 + 2,7 СаО)→
→ 1,00 [O]
Me
+ 0,19 [S]
Me
+ 5,0 ПКШ.
ШМС, кг/т = 2,7 СаО + 0,12 АВ87.
Химический состав полупродукта на выпуске содержит (%мас.):
0,03С + 0,02 Si + 0,08Mn + 0,01 P + 0,025 S.
Химический состав стали с учетом полупродукта на выпуске содержит (%мас.):
0,009 С + 0,30 Si + 0,63 Mn + 0,027 Al + 0,006 S + 0,01 P.
Полученные результаты относятся к случаю полной отсечки плавильного шлака
при выпуске металла в стальковш. При выпуске плавки из конвертера в стальковш
попадает не менее 5,0 кг/т плавильного шлака с высокой окисленностью [11], рас-
кисление которого требует дополнительных присадочных материалов (коксик,
алюминий вторичный и др.), а для раскисления и легирования металла: ФС45,
ФА30, ФМн70. Плавильные шлаки образуются на базе белита и алита [12] с высо-
кой основностью В0 ≥ 2 и температурой ликвидуса 1400-1600 0С. Для шлака на базе
белита, содержащего (%мас.): 0,10 SO
3
+ 0,70 P
2
O
5
+ 26,6 SiO
2
+ 49,8 CaO + 4,5 MnO +
+ 18,3 FeO при основности В0 ~ 2,0, стехиометрический состав отвечает формуле:
SO
3
P
2
O
5
28SiO
2
56CaO4MnO16FeO; его структурная формула Si
28
Ca
56
Mn
4
Fe
16
O
140
P
2
S
в виде полигональной ячейки СИМ-комплекса, определяющего механизм образо-
вания рафинировочного шлака в стальковше, представлена ниже:
Структурно-химические реакции рафинирования полупродукта в стальковше:
4(FeSi2)Me + 16[O]Me → 4FeMe + 8(SiO2)шл , (10)
16(FeAl)Me + 24[O]Me→ 16FeMe + 8(Al2O3)шл , (11)
10(FeAl)Me → 10FeMe + 10AlMe , (12)
50(FeSi2)Me → 50FeMe + 100SiMe , (13)
25(FeMn4C2)Me → 25FeMe + 100MnMe + 50CMe , (14)
8(SiO2)шл + 8(Al2O3)шл + 16(СаО)ТШС → (8SiO28Al2O318СаО)шл , (15)
(8SiO28Al2O316СаО)шл +(SO3P2O528SiO256CaO4MnO16FeO)ППШ →
→ (SO3P2O536SiO28Al2O374CaO4MnO16FeO)РКШ , (16)
(SO3P2O536SiO28Al2O374CaO4MnO16FeO)РКШ + 14Сшл + 8(Al)шл→
→14СО ↑+ 16FeMe+(SO3P2O536SiO212Al2O366CaO2Ca++4Ca2++4Mn2+)AКШ , (17)
(SO3P2O536SiO212Al2O366CaO2Ca++4Ca2++4Mn2+)AКШ+10[S]Me→
→(SO3P2O536SiO212Al2O366CaO6CaS4MnS)ПКШ . (18)
__________________________________________________________________
Σ: 54(FeSi2)Me + 26(FeAl)Me + 25(FeMn4C2)Me + 16(СаО)ТШС + 14Сшл + 8(Al)шл +
+(SO3P2O528SiO256CaO4MnO16FeO)ППШ + 40[O]Me + 10[S]Me→121FeMe + 50CMe +
+14CO ↑ + 100SiMe + 100MnMe + 10AlMe +
+ (SO3P2O536SiO212Al2O366CaO6CaS4MnS)ПКШ .
(19)
28 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Получение и обработка расплавов
Количество присадочных материалов в соответствии с балансовой реак-
цией (19) составляет в кг/т: (6,0 ФС45 + 2,2 ФА30 + 7,5 ФМн70 + 0,20 УГМ +
+ 0,23 АВ87 + 0,9 СаО (ТШС) + 6,5 ППШ), которые удаляют из полупродукта
0,64 кг/т [O]
Me
+ 0,32 кг/т [S]
Me
с образованием 8,0 кг/т ПКШ. Химический со-
став ПКШ (%мас.): 1,0 SO
3
+1,8 P
2
O
5
+ 26,7 SiO
2
+ 15,1Al
2
O
3
+ 45,7CaO +5 ,4CaS+
+ 4,3MnS при основности В0 = 1,71 и А
S
= 3,9 %.
Химический состав стали (с учетом полупродукта, содержащего 0,040 % S) вклю-
чает (%мас.): 0,09С + 0,30Si + 0,63 Mn + 0,027 Al + 0,015 P + 0,008 S.
ШМС, кг/т = 0,20 УГМ + 0,25 АВ87 + 0,9СаО →1,35.
Образование сульфидов марганца повышает адсорбционную емкость рафи-
нировочного шлака, что позволяет обрабатывать в стальковше высокосернистый
металл, содержащий до 0,040 % серы.
Таким образом, формирование адсорбционноемких алюмосиликатных рафи-
нировочных шлаков эвтектического состава путем присадочных материалов, в том
числе шлакометаллических смесей, дает возможность исключить применение пла-
викового шпата, как при полной отсечки плавильного шлака, так и при его наличии
(до 6,5 кг/т) в стальковше.
Выводы
• Структурно-химическим анализом состояния исходных компонентов и проме-
жуточных фаз на основе построенной полигональной диаграммы тройной системы
СаО-Al
2
O
3
-SiO
2
проведена классификация и структуризация ковшевых рафинировоч-
ных шлаков. Исследован механизм рафинирования стали при ковшевой обработке
расплава присадочными материалами, в том числе с использованием попутного
плавильного шлака.
• Определены составы ковшевых рафинировочных шлаков, отвечающие низко-
глиноземистой эвтектике на базе алюмосиликата кальция 6СаОAl
2
O
3
3SiO
2
с основ-
ностью В0 = 1,87 и Т
пл
~1250 0С, обладающие высокой адсорбционной емкостью по
сере (А
S
~ 4,0 %). Предложены твердые шлако-металлические смеси для замены
ТШС, обеспечивающие исключение применения экологически вредного СаF
2
при
сокращении расхода СаО.
1. Белов Б. Ф., Троцан А. И., Харлашин П. С. / Структуризация металлургических фаз в
жидком и твердом состояниях / // Изв. ВУЗов. ЧМ. − 2002. − № 4. − С. 70-75.
2. Теория МГС-фаз и ее применение для разработки рафинировочных шлаков / Белов Б. Ф.,
Троцан А. И., И. Л. Бродецкий и др. // Черная металлургия. − 2014. − № 4. − С. 34-41.
3. Троцан А. И., Харлашин П. С., Белов Б. Ф. О природе химической связи элементов в
металлургических фазах / // Изв. ВУЗов. ЧМ. − 2002. − № 4. − С.60-63.
4. Методика построения полигональных диаграмм состояния бина рных металлургических
систем / Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, П. С. Харлашин, Ф. С. Крейденко] // Свідоцтво про дер-
жавну реєстрацію прав автора на твір. − ПА № 2825 від 29.02.2000 р.
5. Метод побудови полігональних діаграм стану потрійних металургійних систем /[Б. Ф. Бєлов,
А. І. Троцан, І. Л. Бродецький и др. // Свідоцтво про державну реєстращю прав автора на
твір. − № 48344 від 18.03.2013.
6. Белов Б. Ф., Троцан А. И. Бродецкий И. Л. Наноструктурные элементы базовыхкомпонентов
неметаллических включений в стали // Сборник материалов Харьковской нанотехно-
логической Ассамблеи. − Х.: ННЦ ХФТИ, 2008.− Т. 2. − С.173-177.
7. Аналіз стохастичних металургійних систем за допомогою балансових рівнянь сумарних
структурно-хімічних реакцій / Б. Ф. Бєлов, А. І. Троцан, І. Л. Бродецький, Ф. С. Крейденко
// Свідоцтво про державну реєстращю прав автора на твір. − № 54359 від 02.04.2014.
8. Воздвиженский В. М. Прогноз двойных диаграмм состояния. − М.: Металургия, 1975. − 224 с.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 29
Получение и обработка расплавов
9. Атлас шлаков. − М.: Металлургия, 1985. − 208 с.
10. Казачков Е. А. Современные представления о структуре расплавленных шлаков // Совре-
менные проблемы производства стали : материалы научн.-мет. конф.- Мариуполь: ПГТУ,
2002. − С. 69-76.
11. Анализ рафинировочных процессов ковшевой обработки стали / И. Д. Буга, А. И. Троцан,
Б. Ф. Белов и др. // Металлург. и горнорудн. пром-сть.− 2010.− № 3. − С.16-20.
12. Физико-химические основы процессов шлакообразования при рафинировании конвер-
терных сталей / [Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, В. Д. Александров, и др. // Спеціальна металр-
гія: вчора, сьогодні, завтра: матеріали ХII Всеукр. конф. – К.: НТУУ «КПІ», 2014.− С.36-54.
Поступила 08.12.2014
ВНИМАНИЕ!
Предлагаем разместить в нашем журнале рекламу Вашей продукции или ре-
кламный материал о Вашем предприятии. Редакция также может подготовить
заказной номер журнала.
Стоимость заказного номера - от 4000 грн
Расценки на размещение рекламы
(цены приведены в гривнах)
Размещение
Рекламная
площадь
Стоимость, грн.
Рекламные блоки в текстовой части журнала
Цветные 1/2 страницы
1/3 страницы
1/4 страницы
900
600
300
Черно-белые 1/2 страницы
1/3 страницы
1/4 страницы
550
380
200
Цветная реклама на обложке
Третья страница
обложки
1 страница
1/2 страницы
1/4 страницы
2800
1400
700
Четвертая страница
обложки
1 страница
1/2 страницы
1/3 страницы
3100
1550
1000
При повторном размещении рекламы - скидка 15 %
Наш адрес: Украина, 03680, г. Киев- ГСП. Вернадского, 34/1
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины
телефоны: (044) 424-04-10, 424-34-50
факс: (044) 424-35-15; E-mall: proclit@ptima.kiev.ua
|