Термодинамічний аналіз фізико-хімічних процесів в високотемпературній реакційній зоні рідкої сталеплавильної ванни. Частина 1. Системи залізо-кисень, залізо-кисень-вуглець

Шрифт:
46

Met. litʹe Ukr., 2022, Tom 30, №1, P. 28-34

О.В. Харченко, канд. техн. наук, ст. наук. співр., докторант кафедри металургії, е-mail: odds@i.ua, https://orcid.org/0000-0003-3717-3872
Н.В. Лічконенко, ст. викладач кафедри металургії, е-mail: nvlichkon75@ukr.net, https://orcid.org/0000-0002-7960-061X

Запорізький національний університет (Запоріжжя, Україна)

Надійшла 23.12.2021

УДК 669.187: 541.123

Роботу присвячено аналізу фізико-хімічних процесів в високотемпературній реакційній зоні (ВРЗ), що утворю ється в автотермічних сталеплавильних процесах з продуванням киснем, таких як конвертерне виробництво. В публікації наведено важливі теоретичні і практичні аспекти дослідження ВРЗ в контексті створення нових ефек тивних металургійних технологій і систем проєктування та оптимізації плавки сталі. Виконано детальний термо динамічний аналіз та досліджено параметри ВРЗ рідкої сталеплавильної ванни: температуру, кратність шлаку та газу, хімічний склад металевої, шлакової та газової фаз. Розрахунки параметрів ВРЗ проведені з використанням дослідницького програмного комплексу «Excalibur», що базується на методі хімічних потенціалів Гіббса. Показа но, що за допомогою збільшення інтенсивності продування киснем неможливо досягти довільного збільшення температури ВРЗ, а, відтак – температури сталеплавильної ванни. Досліджено вплив початкового вмісту вуглецю в металі та загального вмісту кисню на параметри ВРЗ. Доведено, що ступінь вигоряння вуглецю лінійно зале жить від вмісту кисню в ВРЗ, а, отже – інтенсивності продування. Лише поблизу малих значень вмісту вуглецю спостерігається експоненціальне наближення до нульової горизонталі. Встановлено, що в вуглецевмісних ВРЗ після вигоряння вуглецю з металу при загальному вмісті кисню більше 5 % починається інтенсивний перехід залі за в газову фазу. При цьому спостерігається синхронне зниження вмісту вуглецю і підвищення вмісту заліза в газі. Зроблено висновок, що вуглець, який міститься в металі ВРЗ, є каталізатором переходу заліза в газову фазу і, відповідно, безповоротних втрат заліза в процесі виплавки сталі. Результати дослідження дозволили побудувати раніше невідомі фрагменти рівноважних фазових діаграм стану високотемпературної області систем «залізо-ки сень» та «залізо-кисень-вуглець». Ключові слова: високотемпературна реакційна зона, сталеплавильна ванна, продування киснем, кисневий конвертер, енергія Гіббса, хімічний потенціал, фазова діаграма.

Література
1. Синяков Р.В., Корзун Е.Л. Моделирование раскисления стали монолитным углеродом. Наукові праці ДонНТУ. Металургія. 2011. Вип. 13 (194). С. 33–39.
2. Харченко А.В., Пономаренко А.Г. О кинетике межфазного массопереноса в металлургических агрегатах. Металл и литье Украины. 2002. № 12. С. 41–42.
3. Баптизманский В.И., Охотский В.Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. Киев-Донецк: Вища школа, 1981. 184 с.
4. Wriedt H.A. The Fe-O (Iron-Oxygen) System. Journal of Phase Equilibria. 1991. Vol. 12. No. 2. P. 170–200.
5. Харченко А.В. Расчет параметров жидкофазного равновесия в системе Fe-O. Збірник наукових праць ЗДIА. Металургія. 2013. Вип. 2 (30). С. 28–34.
6. Madhavan N., Brooks G.A., Rhamdhani M.A., Rout B.K., Overbosch A. General heat balance for oxygen steelmaking. Journal of Iron and Steel Research International. 2020. No. 28. P. 538–551. Published online. DOI: https://doi.org/10.1007/s42243- 020-00491-0
7. Харченко А.В., Пономаренко А.Г. Термодинамическое моделирование системы «металл-шлак-газ» с учетом тепла химических реакций. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. № 8 (228). С. 40–43.
8. Харченко А.В. Термодинамическое моделирование системы «металл-шлак-газ» с учетом энтальпийного теплового баланса. Металл и литье Украины. 2005. № 6. С. 13–17. 9. Харченко А.В., Будаква С.А. Интегрированный расчет материального, энергетического и теплового балансов плавки в системах управления сталеплавильными процессами. Труды 3-й международной научно-технической конф. «Про грессивные технологии в металлургии стали: ХХI век». Донецк, 2007. С. 117–125.
10. Харченко А.В., Синяков Р.В., Личконенко Н.В. Применение метода химических потенциалов Гиббса в черной метал лургии. Збірник наукових праць ЗДIА. Металургія. 2017. Вип. 2 (38). С. 20–25.
11. Харченко А.В., Синяков Р.В. Программа «EXCALIBUR» – возможности и перспективы использования в металлургиче ском производстве. Сборник научных трудов ДонНТУ. Серия «Металлургия». 2005. Вып. 102. С. 82–91.
12. Харченко А.В., Пономаренко А.Г., Корзун Е.Л. Термодинамическая модель многокомпонентной конденсированной фазы. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. № 8. С. 135–139.
13. Харченко А.В., Синяков Р.В. Термодинамическая модель многокомпонентной жидкой шлаковой фазы. Збірник науко вих праць ЗДIА. Металургія. 2016. Вип. 2 (36). С. 16–22. 14. Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с.
15. Fontana M.G., Chipman J. Equilibrium in the reaction of Hydrogen with Ferrous Oxide in liquid Iron at 1600 degrees Cent. Trans. Amer. Soc. Metals. 1936. Vol. 24. Р. 313–333