Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова

Національної академії наук України

УДК 669.1:51.001.57:544.353.083.133 (043)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка фізико-хімічних моделей для прогнозування розчинності газів і вуглецю в металургійних розплавах

Спеціальність 05.16.02 - "Металургія чорних i кольорових металів та спеціальних сплавів"

Кукса Олег Володимирович

Дніпропетровськ 2010

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Важливою складовою розробок нових і оптимізації існуючих процесів легування, розкислення, модифікації і рафінування сталі є вивчення механізму, кінетики та результатів взаємодії газів і вуглецю з металургійними розплавами. Як підкреслював В. І. Явойський, при вивченні процесів розчинності газів в розплавах необхідно, перш за все, вибрати найправдоподібнішу гіпотезу про структуру розплаву-розчинника, вирішити питання про форми існування компонентів газової фази в різних середовищах, врахувати умови формування складу і властивостей утворюваних ними сполук.

Дослідження процесів сольватації, якими супроводжується розчинення газів в розплавах, експериментальним шляхом утруднено, вимагає оригінального і дорогого устаткування, у ряді випадків неможливо. Подальші публікації про поведінку газів в розплавах до теперішнього часу не зняли з порядку денного пошук відповіді на ключове питання - на базі якої моделі міжатомної взаємодії в розплавах слід шукати відповідь на сформульовані В. І. Явойським концептуальні питання.

Доступним і ефективним методом рішення подібних задач, при складі розплавів, що змінюється в широких межах, є моделювання, яке враховує хімічну специфіку описуваного процесу. Тому дослідження впливу складу на розчинність газів і вуглецю в розплавах, розвиток теоретичних уявлень про властивості системи "розплав-газ", з отриманням прогнозних моделей, є актуальною задачею для теорії і практики виробництва металургійних сплавів, що зумовлює актуальність і наукову значність результатів досліджень, узагальнених в дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання роботи пов'язане з планами науково-дослідних робіт Інституту чорної металургії НАН України:

- "Дослідження процесів взаємодії газів з металевими і сольовими розплавами і оцінка їх ролі в іонообмінних процесах в системі метал-шлак (ФХ.031.99) ", № держреєстрації 0199U001369;

- "Розробка методики дослідження впливу міжатомної взаємодії з участю водню на властивості сталей і сплавів" (ФХ.052.03), № держреєстрації - 0103U005414;

- "Дослідження особливостей міжатомної взаємодії з участю водню і його впливу на властивості сталей і сплавів" (ФХ.001.05), № держреєстрації 0105U002963.

- "Теоретичне дослідження і виявлення закономірностей процесів рафінування і доведення залізовуглецевого розплаву на установці ківш-піч з використанням різних видів енергоносіїв нагрівального модуля і ковшів різної місткості" (ОС.004.05), № держреєстрації 0105U002966.

- "Дослідження закономірностей процесу шлакоутворення при позапічній обробці сталей з використанням установки ківш-піч (ФХ.051.07) ", № держреєстрації 0107U001706.

Мета дослідження. Розвиток теоретичних уявлень про властивості системи "розплав-газ", за допомогою моделювання розчинності газів і вуглецю в металургійних розплавах і матеріалах, а також інших їх дифузійних і термодинамічних властивостей, активності, насиченого стану.

Розвиток методики фізико-хімічного моделювання міжатомної взаємодії в розплавах. Зокрема, для вивчення взаємодії металургійних розплавів з воднем, азотом і киснем залежно від складу розчинників.

Задачі дослідження:

- здійснити вибір моделі і фізико-хімічних параметрів будови металевих і сольових (шлакових) розплавів;

- розробити методику розрахунку модельних параметрів міжатомної взаємодії стосовно взаємодії з участю водню;

- розвинути уявлення про зв'язок сорбційної місткості з'єднань і розплавів по відношенню до газів з характеристиками міжатомної взаємодії в адсорбентах;

- визначити фізико-хімічні параметри структури розплавів, що пов'язані з політермами розчинності газів;

- дослідити розподіл кисню в системі "метал-шлак" залежно від складу реагуючих фаз.

Об'єкт дослідження. Процеси сольватації, розчинності і розподілу газів і вуглецю в металургійних розплавах і матеріалах.

Предмет дослідження. Розчинність, константи розчинності, коефіцієнти дифузії газів в металургійних розплавах. Сорбційна місткість. Енергія дисоціації гідридів. Теплота адсорбції газів на металах. Активність вуглецю в розплаві. Насичений стан вуглецю в розплаві.

Методи дослідження. Статистичний аналіз зв'язку інтегральних і парціальних параметрів теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в розплавах з досліджуваними властивостями газової фази в багатокомпонентних розплавах сталей і шлаків з отриманням адекватних прогнозних моделей.

Наукова новизна одержаних результатів:

- Для дослідження поведінки газової фази в багатокомпонентних металургійних розплавах підтверджена ефективність використання теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в розплавах, яка одержала свій подальший розвиток. Визначення неполяризованого іонного радіусу RuOН і електрохімічного параметру водню tgбн дозволяє розраховувати параметри міжатомної взаємодії для зв'язків з участю водню в багатокомпонентних системах, що раніше не представлялося можливим.

- Встановлено тісні кореляційні зв'язки розчинності водню, кисню, азоту в металах і сплавах з модельними параметрами ОЦК-структури розплавів (хімічним (Zу), структурним (d) і електрохімічним (tgб) еквівалентами).

- Виявлені закономірності насичення воднем інтерметалідів і інших сплавів-накопичувачів водню (СНВ). Зокрема, знайдено, що для СНВ його сорбційна місткість найбільшою мірою залежить від зміни хімічного складу СНВ і порядку міжатомної відстані між атомами СНВ, що взаємодіють з воднем, який насичує молекулу СНВ. Одержано прогнозні моделі, що дозволяють розрахувати сорбційну місткість водню для основних класів СНВ.

- В ході аналізу результатів досліджень процесів сольватації газів встановлено, що коефіцієнти дифузії водню (ДНj), азоту (ДNj) і кисню (ДОj) в сплавах на основі заліза (відповідно Fe-Н-Mej, Fe-N-Mej і Fe-О-Mej) мають тісний зв'язок з модельними параметрами міжатомної взаємодії у відповідних розплавах.

- Запропоновано аналітичні залежності для прогнозування розчинності газів, а також активності і насиченого стану вуглецю в розплавах на основі фізико-хімічних моделей їх будови.

- Розроблено методику опису констант розчинності газоподібних йоду, хлору, брому в сольових розплавах, а також азоту в металевих розплавах, яка рекомендується для розрахунку констант розчинності газів у ще невивчених системах "газ-розплав", шляхом згортки відомих політерм розчинності газу в узагальнену модель.

- Вивчено взаємозв'язок параметрів міжатомної взаємодії з розчинністю, активністю вуглецю і його насиченням в металевих розплавах. Запропонована узагальнена модель, яка дозволяє розрахувати коефіцієнт активності вуглецю в багатокомпонентних складно-легованих сталях і сплавах, і критерій, що виконує роль індикатора агресивності чавуну по відношенню до вуглецевої футерівки доменної печі.

Практична цінність одержаних результатів:

В результаті вивчення процесів розчинності газів в багатокомпонентних металургійних розплавах сталей і шлаків, на основі пропонованої теорії одержано фізико-хімічні моделі, що дозволяють розрахувати значення дифузійних властивостей металургійних розплавів і газової фази в них, з достатньою для практичного використання точністю.

Розроблено методику розрахунку хімічного складу первинного і кінцевого шлаку для УКП ділянки позапічної обробки сталі. Рекомендації для зміни існуючої технології введення шлакоутворюючих і легуючих добавок на УКП місткістю 100 т ділянки позапічної обробки сталі дозволяють забезпечити економію добавок, що вводяться, електроенергії, а також зниження вмісту водню в кінцевій пробі колісної сталі на 0,1-0,5ppm.

Запропоновано критерій, що виконує роль індикатора агресивності чавуну по відношенню до вуглецевої футерівки доменної печі в підсистемі "Горн", впроваджений в АСУ ТП ДП №8 і №9 ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг".

Особистий внесок дисертанта. У дисертаційній роботі узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних автором в Інституті чорної металургії їм. З.І. Некрасова НАН України [1-12].

Проведено системні дослідження сплавів-накопичувачів водню (СНВ), в результаті яких одержано прогнозні моделі, що дозволяють розрахувати сорбційну місткість водню для декількох класів СНВ [1, 5].

Розроблено методику визначення констант розчинності газоподібного йоду, хлору, брому в сольових розплавах. На базі цієї методики описані константи розчинності азоту в металевих розплавах [2].

Проведено системні дослідження розчинності азоту в аустенітних і феррітних сталях [7].

В результаті досліджень по розподілу кисню між сталлю і основними шлаками, одержано модель коефіцієнта розподілу кисню KO для температурних інтервалів (від 1530 до 1730 °С) [3].

Розроблено методику розрахунку складу шлаку для УКП місткістю 100 т. ділянки позапічної обробки сталі, апробовану на промислових даних по випуску колісної сталі [8].

Проведено дослідження по проблемі насичення чавуну вуглецем і руйнування вуглецевої футерівки доменної печі, використані надалі при розробці підсистеми "Горн", впровадженої в АСУ ТП ДП №8, ДП №9 (ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг") [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації були представлені і обговорені на 8 конференціях і семінарах, зокрема на: третій і четвертій міжнародних конференціях "Воднева обробка матеріалів" (м. Донецьк, 2001 р., 2004 р.); другій всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців "Зварювання та сумiжнi технологii" (м. Київ, 2003 р.); міждержавній науково-методичній конференції "Проблеми математичного моделювання", (м. Дніпродзержинськ, 2005 р.); конференціях молодих вчених і фахівців ІЧМ і на наукових семінарах відділу фізико-хімічних проблем ІЧМ НАН України.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 12 статтях в спеціалізованих наукових журналах і збірниках ВАК.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, 6 розділів, висновку і списку використаних джерел. Повний об'єм дисертаційної роботи - 162 сторінок, дисертація містить 150 сторінок основної текстової частини, включає 46 рисунків, 48 таблиць, список використаних джерел з 118 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність, визначено цілі і задачі досліджень, освітлені наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, відмічено особистий внесок автора, висловлено результати апробації розробок, приведені структура і об'єм роботи.

У першому розділі приведені основні положення теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в металургійних розплавах, розробленої в працях проф. Приходько Е. В. Розроблений ним аналітичний апарат використано в роботі як теоретичну основу проведених досліджень взаємодії газів з металевими, сольовими і іншими розплавами.

Використання модельних параметрів в якості "згорток" інформації про склад багатокомпонентних розплавів-розчинників дозволяє кількісно описувати вплив зміни їх складу на різні властивості системи "розплав-газ", використовуючи сучасні методи аналізу і узагальнення великих масивів експериментальної інформації. Основними параметрами моделі направленого хімічного зв'язку (МНХС) у запропонованій теорії є хімічний еквівалент складу (Zy), структурний (d) і електрохімічний (tgб) параметри. Методика їх розрахунку реалізована для ОЦК-подібної структури і дозволяє проводити обчислення для розплавів з будь-яким числом і поєднанням концентрацій компонентів. Обґрунтовано доцільність трактування розплавів як хімічно єдиних систем, зміна складу яких впливає на комплекс властивостей і реакційну здатність газовмісних розплавів і пов'язана із зміною параметрів міжатомної взаємодії в їх структурах.

Слід підкреслити подібність функцій, які в таких випадках виконує поєднання параметрів Zy, d і tgб, з відомими критеріями В. Юм-Розері для опису ролі електронного, структурного і електрохімічного чинників у формуванні структури і властивостей з'єднань і розчинів залежно від складу.

На основі одержаних в розділі результатів вирішена актуальна науково-технічна задача: обґрунтовано вибір фізико-хімічної моделі для опису структури металевих розплавів-розчинників при аналізі впливу їх складу на результати процесів розчинення газів.

У другому розділі наведено фізико-хімічні моделі для розрахунку розчинності водню і його сорбційної місткості в різних розплавах і матеріалах.

Проаналізовано результати досліджень різних авторів сорбційної місткості сплавів-накопичувачів водню (СНВ) залежно від їх складу. В якості основної характеристики сорбційної місткості СНВ прийняте відношення Н/АВ - число атомів водню, поглинаючих молекулою СНВ.

Оскільки як СНВ використовуються в основному інтерметаліди типів АВ, АВ2, АВ3, АВ5, розглянута можливість і доцільність опису структури і властивостей таких з'єднань з позицій теорії фізико-хімічного моделювання. Наприклад, для фаз Лавеса із стехіометрією АВ2 теплоти утворення узагальнюються рівнянням:

-ДHfO = 27,24 + 79,45*d - 1536,8*tgб - 79,24*Zy (1)

Експериментальні значення періодів решітки таких фаз, (типу MgCu2) описуються, як:

dекс = 1,56*d + 14,58*tgб + 1,38*Zy - 1,73 (r = 0,95) (2)

Розрахунки [1] проведені більш ніж для 200 сплавів типів АВ, АВ2, АВ3, АВ5 і т.п., включаючи в різних поєднаннях такі компоненти, як Al, Co, Cr, Cu, Fe, In, La, Mn, Mo, Nb, Ni, Pb, Ti, V, У, Zr (рис. 1). Представницька вибірка експериментальних даних, що охоплює основні класи СНВ, дозволяє рекомендувати одержані моделі для розрахунку сорбційної місткості ще не досліджених матеріалів.

В ході досліджень підтверджено визначальний зв'язок хімічного (Zy) і структурного еквіваленту (d) з сорбційною місткістю основних видів сплавів- накопичувачів водню (СНВ). При цьому модельні параметри міжатомної взаємодії d, tgб, Zy використовуються як характеристики хімічної індивідуальності СНВ при опису їх взаємодії з воднем.

А)

Б)

Рис. 1. Взаємозв'язок сорбційної місткості інтерметалідів із структурним чинником d і хімічним еквівалентом складу інтерметалідів Zy

Поєднання подібних кореляційних співвідношень узагальнює рівняння:

Н/АВ = 26,52*d + 42,35*tgб - 0,553*Zy - 81,93 (r = 0,85) (3)

Також одержано окремі, більш точніші моделі для певних класів СНВ. Наприклад, для сплавів типа Zr(VxCo1-x)2, Zr(CrxCo1-x)2, Zr(MnxCo1-x)2, Zr(VxFe1-x)2, Zr(CrxFe1-x)2 і Zr(MnxFe1-x)2 одержано модель, що дозволяє розрахувати сорбційну місткість для СНВ на основі цирконію:

Н/М = 24,79*d + 42,55*tgб + 12,15*Zу - 103,95 (r = 0,92) (4)

де Н/М - число атомів водню, яке може поглинути середньостатистичний атом молекули СНВ.

Друга частина даного розділу присвячена розробці методики дослідження впливу міжатомної взаємодії з участю водню на властивості з'єднань. Для цього було необхідно для атому водню визначити методом ітерацій параметри RuO і tgб в рівнянні, що зв'язує ефективний радіус іона (RuZi) з його ефективним зарядом (Zi):

lgRuZi = lgRuOi - Ztgбi, (5)

Складність рішення цієї задачі для водню пов'язана з особливостями його положення в Періодичній системі і відсутністю елементів-аналогів по всьому комплексу властивостей. Зокрема, радіус іона Н- оцінюється різними авторами так (в ?): 1,54 (Гольдшмідт), 2,08 (Полінг), 1,36 (Бєлов і Бокий), 2,12 (Кордес). У зв'язку з цим методом перебору був досліджений діапазон поєднань RuOH 0,6 - 1,6 ? при зміні tgбH від 0,06 до 0,5. Зупинивши свій вибір на поєднанні RuOH = 0,8 ? і tgбH = 0,4, ми орієнтувалися на оцінку наслідків використання розрахункової інформації для найбільш вивчених з'єднань водню.

Як приклад (рис. 2, 3) приведено результати розрахунку параметрів для молекулярних гідридів типа ЕН. Подібні розрахунки проведені для всіх гідридів із стехіометрією ЕН, ЕН2 і ЕН3 вперше.

Рис. 2. Співвідношення міжатомних відстаней в молекулах ЕН гідридів металів I-III групи і модельного параметру dmod

Рис. 3. Співвідношення міжатомних відстаней d в молекулах ЕН гідридів sp-елементів і хімічного еквіваленту їх складу Zу

прогнозування розчинність газ вуглець

Для кожної з цих груп з'єднань комплексне використання модельних параметрів міжатомної взаємодії d, tgб, Zу в межах кожного ряду Періодичної системи дозволяє описати їх зв'язок (r > 0,9) з між'ядерними відстанями Е-Н (dекс), характеристичними частотами коливань (ще) і з енергією дисоціації (D) від складу.

Наприклад, для молекул типа ЕН [5]:

dекс = 3,54 + 0,4*d - 0,22*Zу - 10,6*tgб (6)

ще = 1163,8*Zу - 884*d + 26167*tgб - 3679 (7)

D = 236,6 - 13,7*d - 55,9*Zу - 364*tgб (8)

Заслуговує уваги те, що експериментальні значення dекс мають тісний зв'язок (r = 0,97) з положенням взаємодіючого з воднем елементу n в Періодичній системі:

dекс =1,065 - 0,348*ZH + 0,265*n (9)

Використовуючи фізико-хімічну модель металевих розплавів, в алгоритм розрахунку якої внесено визначені RuOН і tgбH, ми тепер маємо нагоду досліджувати зв'язок модельних параметрів міжатомної взаємодії з властивостями різних металевих водневмiсних розплавів.

Наприклад, розчинність водню в розплавах Fe-Al, Fe-B, Fe-Ge, Fe-Ta, Fe-Sn і Fe-Zr при різних концентраціях другого компоненту і температурах пов'язані з d, tgб, Zу і температурою розчинення рівнянням:

[H] = 61,81 +32,54*d - 165,27*tgб - 24,99*Zy + 0,0247*T (r = 0,967) (10)

де [Н] - розчинність водню в розплаві Fe, *104 (мас. %).

Також розглянуто зв'язок розчинності водню ([H], см3/100 г металу) в розплавах Fe при різному вмісту другого компоненту (С, V, Ti, Co, Cr, Mo, Ni) з інтегральними параметрами міжатомної взаємодії в температурному (T) діапазоні 1445-1600°С. Кореляція розчинності з інтегральними параметрами на вибірці з 79 розплавів узагальнена у вигляді рівняння (r = 0,92):

[H] = 215,03 + 0,0122*T + 10,814*d + 2,427*Zу - 2678,7*tgб (11)

Одержано аналогічне рівняння і для розплавів на основі Ni (r = 0,85):

[H]x102, ат% = 79,647 + 0,025*T - 35,674*d - 5,846*Zу - 3,647*tgб (12)

В кінці розділу представлена методика визначення флокеночутливості сталі. Аналіз параметрів міжатомної взаємодії d і Zу в сталях, до яких пред'являються жорсткі вимоги по їх флокеночутливості, показав наявність розшарування даних по флокеночутливості на дві області із значеннями Zу <1,3 і Zу >1,5, які відповідають флокено- і нефлокеночутливим сталям. Таким чином, критерій Zу може виконувати роль якісного показника флокеночутливості сталі.

У третьому розділі приведені фізико-хімічні моделі розчинності азоту в різних металевих розплавах.

У зв'язку з тим, що для представлення експериментальних даних по розчинності газів в іонних розплавах доцільніше всього використовувати константи розчинності Генрі КP, КN і КO, розроблена нова методика опису констант розчинності газоподібного йоду, хлору, брому в сольових розплавах, а також азоту в металевих розплавах.

Встановлено, що коефіцієнти А і В (табл. 1) для рівнянь рівноважної константи розчинності газу (КN) в сольових розплавах (13) міняються залежно від хімічного складу сольового розплаву, складу галогену, що розчиняється, і можуть бути виражені, як функції для рівнянь рівноважної константи розчинності газу (КN) в сольових розплавах (14-15):

lgKN = А + B/T (13)

А = 15,787 - 3,786*d - 35,611*tgб + 1,126*Zугаз (14)

B = -17036 + 6361,5*d - 14483*Zу + 9017*Zугаз (15)

де Zугаз - хімічний еквівалент газу, що розчиняється.

Таблиця 1. Модельні параметри і рівноважні константи розчинності газу, розраховані по рівняннях (13-15) для Т = 1100 0К

№	Розплав, мас.%	d, 10-1нм	tgб	Zу,е	Zугаз	А	В	KN расч *106	KN експ *106
	KJ-NaJ				J2
1 2 3	90-10 50-50 25-75	3,901 3,827 3,760	0,170 0,175 0,178	1,230 1,244 1,225	1,282	-3,602 -3,497 -3,358	1082 771,9 406,3	2406 1602 1027	2460 1476 1302
	KCl-BaCl2			Cl2
4 5 6	80-20 50-50 32-68	3,563 3,656 3,693	0,163 0,138 0,126	1,123 1,242 1,284	0,948	-2,422 -1,911 -1,629	-2231 -3099 -3595	35,49 18,73 12,68	43,28 18,80 12,18
	NaBr-KBr			Br2
7 8 9	75-25 50-50 25-75	3,547 3,621 3,673	0,186 0,183 0,180	1,083 1,101 1,098	1,069	-3,067 -3,236 -3,324	-800,7 -369,3 -123,3	160,2 268,3 366,3	183,7 289,2 411,0

По аналогії з розробленою методикою визначення констант розчинності галогенідів в сольових розплавах, проведено аналіз ізотерм констант розчинності азоту в чистих металах, бінарних та багатокомпонентних сплавах, що описані рівнянням LgKN = А+B*T, подібним (13), в якому коефіцієнт А є константою, рівною -2,801, а коефіцієнт B (рис. 4) описується рівнянням (r = 0,9):

B = -0,089 + 0,6716*d - 19,023*tgб (16)

Рис. 4. Співвідношення між експериментальними (Вексп) і розрахованими по рівнянню (16) (Врозр) значеннями коефіцієнта В

Одним з найважливіших слідств проведеного аналізу є доказ можливості і доцільності кодування через параметри міжатомної взаємодії d, Zу, і tgб інформації про склад газової фази, розчиненої в розплаві. Представлена вище методика визначення констант розчинності газів у розплавах може бути використана як базова в ще невивчених системах "газ-розплав".

Проаналізована представницька вибірка (81 склад) даних про вміст азоту в сплавах систем Fe-Cr-Mn-Si, Fe-Cr-Nb-Mo-Ni-Si, Fe-Cr-Ni-Mo-Al, C-Si-Mn-Ni-Cr, C-Mn-Cr-Fe і Fe-Ni-Al (рис. 5):

ln[N] = 22,46*d + 1,71*Zу + 11,8*ZN - 0,00011*T - 39,63 (r = 0,98) (17)

а) б)

Рис. 5. Взаємозв'язок розчинності азоту з параметром tgб (а) в сплавах і по залежності (17)

Вперше узагальнена експериментальна інформація про розчинність азоту в багатокомпонентних розплавах на основі заліза, нікелю і кобальту при різних комбінаціях елементів і варіаціях їх концентрації в розплавах (табл. 2,3).

Таблиця 2. Параметри міжатомної взаємодії в багатокомпонентних розплавах на основі Fe і розчинність в них азоту

Склад сплаву, мас % (Feост.)	[N], мас %	d, 10-1нм	Zу,e	tgа	Т,єК	ZNср., е
18Ni-10Cr-5Mo	0,097	2,828	1,741	0,083	1873	-2,404
8Ni-18Cr-10Ta	0,370	2,819	1,835	0,085	1873	-2,344
6Ni-25Cr-2Mn-5Mo	0,371	2,815	1,941	0,083	1973	-2,310
20,6Cr-33,6Ni-0,8Mn-0,4Si	0,190	2,803	1,912	0,090	1851	-2,382
19,7Cr-29,6Ni-1Mn-1,5Si-2,6Mo-0,9Nb-3Cu	0,182	2,793	1,979	0,090	1853	-2,361
20,8Cr-20,1Ni-1,5Mn-0,4Si-2,6Mo-1,1Nb-2,8W	0,234	2,815	1,981	0,086	1827	-2,352

Таблиця 3. Параметри міжатомної взаємодії в багатокомпонентних розплавах на основі Ni і розчинність в них азоту

Склад сплаву, мас % (Niост.)	[N], мас %	d 10-1нм	Zу,e	tgа	Т,°К	ZNср., е
8Cr-6Mo-5,5W-2,5Nb-0,6Al	0,026	2,861	1,445	0,101	1873	-2,569
8Cr-12Mo-11W-5Nb-0,6Al	0,050	2,883	1,717	0,096	1873	-2,527
21,3Cr-9Mo-19,5Fe	0,167	2,824	1,943	0,091	1873	-2,710
22Cr-12Mo-11W	0,227	2,838	1,921	0,090	1773	-2,399
22Cr-12Mo-5Nb	0,275	2,838	1,849	0,092	1773	-2,424
6,85Fe-6,85Cr	0,014	2,833	1,283	0,103	1873	-2,583

В ході цих досліджень встановлено тісний зв'язок розчинності азоту з інтегральними модельними параметрами взаємодії в даних багатокомпонентних металевих розплавах.

Таким чином, розчинність азоту (мас %) в розплавах на основі заліза:

[N] = 33,09 - 10,348*d -0,047*Zу - 45,318*tgа + 0,0002*T (r = 0,94) (18)

Розчинність азоту (мас %) в розплавах на основі нікелю:

[N] = 9,341 - 0,906*d - 0,705*Zу - 53,82*tgа - 0,00017*T (19)

Розчинність азоту (мас %) в розплавах на основі кобальту (r = 0,99):

[N] = 39,843-13,044*d + 0,367*Zу - 386,02*tgа - 0,000023*T (20)

У четвертому розділі, присвяченому моделюванню процесів розчинності кисню, приведено фізико-хімічні моделі, що описують властивості кисню в різних розплавах і матеріалах. Вивчення конкретних питань цієї проблеми нерозривно пов'язане з розробкою фізико-хімічної моделі шлакових розплавів, яка узагальнює великий об'єм обробленої експериментальної інформації про результати взаємодії з участю кисню.

Звичайно передбачається, що з більшістю металів кисень утворює розчини упровадження. Тому при проведенні розрахунків передбачалося, що його іони розташовуються в позиціях упровадження на відстанях а/2 від іонів металів в структурах відповідних розплавів.

Термодинамічні параметри взаємодії розкислювачів з киснем описані як функція середнього заряду кожного з реагентів (розкислювача - Ziср., кисню - Zоср.) і інтегральної характеристики парного зв'язку між ними (Дei-о) в розбавленому розчині на основі заліза. У зв'язку з цим одержана залежність, що виражає параметри взаємодії розкислювачів з киснем (lgeio) як функцію середнього заряду кожного з реагентів (розкислювача - Ziср., кисню - Zоср.):

lgeio = 2,1*Ziср. - 115,7*Zoср. - 3,14*ei-o - 192,3 (r = 0,97) (21)

У табл. 4 наведено діапазон lgeio, пропонований різними дослідниками, а також значення lgeio, розраховані по рівнянню (22).

Таблиця 4. Параметри взаємодії кисню з розкислювачами у розплавах на основі заліза

Розкислювач i	lgeiO	lgeiO пропоноване	Розкислювач i	lgeiO	lgeiO пропоноване
Ba	4,38...4,667	4,4	Ta	0,95...1,92	1,0
Ca	3,99...4,836	4,15	Nb	1,414...1,73	1,4
Mg	3,77...4,40	3,5	V	1,43...1,85	1,43
La	2,518...3,456	2,8	Si	1,11...1,21	1,11
Zr	2,2...2,9	2,2	Cr	0,6...1,14	0,7
Y	2,23...2,59	2,6	B	1,17...2,04	1,7
Hf	2,32...2,35	2,3	W	-0,9...0,62	0,3
Al	2,02...2,64	2,7	Mn	0,62...0,94	0,94
Ti	1,57...2,46	2,1	Mo	0...0,3	0,3

Ці результати підтверджують перспективність використання параметрів фізико-хімічної моделі металевих розплавів для опису протікаючих у них процесів міжатомної взаємодії з участю газової фази.

Друга частина дослідження пов'язана з аналізом впливу складу шлаку на розподіл кисню в системі “метал-шлак”, та базується на експериментальних даних Д. Чіпмана із співробітниками, систематизованих В. А. Кожеуровим, що представляються еталонними для такого роду досліджень.

Чіпман із співробітниками, досліджуючи процеси розподілу кисню між сталлю і шлаком для різних температурних інтервалів (від 1530 до 1730 °С), запропонували оцінювати розподіл кисню за допомогою коефіцієнту KO, який представляє з себе співвідношення:

KO = а(FeO) /a[O] (22)

де а(FeO) - активність FeO в шлаку, а[O] - активність кисню в металі.

Для розрахунку рівноважного вмісту кисню в сталі одержана залежність:

[O] = -0,3267 + 0,00335*(FeO) - 0,46*tgб - 0,714*с + 0,00062*T (r=0,92) (23)

Для розрахунку коефіцієнту розподілу кисню (KО) рекомендується наступна модель:

Ko = 16,342 + 41,237*tgб + 7,904*с - 0,0147*T, (r = 0,82) (24)

де tgб і с - інтегральні параметри шлаку, T - температура розплаву, °С.

Встановлено, що в результаті іонообмінних процесів на межі розділу фаз відбувається узгодження між структурним, зарядним і іншими параметрами взаємодіючих фаз (рис. 6, 7).

А) Б)

Рис. 6. Взаємозв'язок вмісту кисню в сталі (а) і в шлаку (б) з показником окисленості шлаку tgб

А) Б)

Рис. 7. Співвідношення експериментальних і розрахованих значень:

а) [О] по (24) і б) КО по (25)

Проаналізовано літературні дані про теплоти адсорбції кисню, азоту і водню (Qэ) на ряді металів. Залежності теплоти адсорбції від параметру ZуМе можуть бути описані залежностями:

Q = -126,74 + 520,43*ZуМе, для систем Ме-О2 (r = 0,65) (25)

Q = -89,95 + 188,3*ZуМе, для систем Ме-Н2 (r = 0,75) (26)

Введення додаткового параметру Zyгаз, що характеризує природу адсорбції, дозволило, об'єднавши обидва масиви, одержати рівняння, яке зв'язує теплоти адсорбції кисню і водню на металах з хімічним еквівалентом реагентів з вищою точністю (r = 0,87):

Q = - 3043 +355,05*ZуМе + 4265,5*Zугаз, (27)

Значення коефіцієнтів дифузії водню, кисню і азоту в розплавах металів описуються (r>0,8) однотипними виразами:

ДH (107,см2/с,%) = - 85,3 - 0,007*d + 33,0*Zy + 551,2*tgа (28)

ДO (104,см2/с,%) = 23,4 + 1,78*d - 12,9*Zy - 143*tgа (29)

ДN (106,см2/с,%) = 715,8 - 290,8*d - 58,5*Zy + 2387*tgа (30)

З представлених вище досліджень розчинності кисню, азоту і водню в розплавах необхідно відзначити:

- для коефіцієнту розподілу кисню (Ko) - основного критерію, що оцінює розподіл кисню між сталлю і шлаком - одержана температурна залежність, в якій інтегральний параметр tgб, розрахований по складу шлаку, є чутливим критерієм окисленості шлаку і металу;

- одержано кореляційні залежності, що свідчать про те, що на межі розділу фаз "метал-шлак" по ходу процесу їх взаємодії відбувається узгоджена зміна складів металу і шлаку, що виражається через відповідні зміни значень інтегральних характеристик міжатомної взаємодії обох фаз;

- з єдиних позицій теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в розплавах встановлено зв'язок дифузійних властивостей кисню, азоту і водню з параметрами міжатомної взаємодії.

У п'ятому розділі приведені дослідження по найперспективнішому напряму глибокої дегазації сталі в сучасних промислових умовах. Проведення продування інертними газами і вакуумування сталі на установці ківш-піч (УКП) і вакууматорі є найперспективнішим напрямом для отримання сталі високої якості. Завдяки вищій керованості такої технології забезпечується отримання сталі із заданими межами вмісту основних елементів і з низьким вмістом газів і сірки.

В результаті дослідження процесу шлакоутворення при позапічній обробці колісної сталі розроблена методика розрахунку хімічного складу шлаку, яка дозволяє оцінити розподіл елементів на межі розділу фаз "метал-шлак", і за допомогою розроблених в ІЧМ методик визначити основні характеристики одержуваного шлаку (в'язкість, електропровідність, поверхневий натяг, густина, сульфідна місткість і т.д.), а також розрахувати коефіцієнти розподілу елементів LSi, LMn, LS. Методика розрахунку на даному етапі досліджень адаптована для позапічної обробки колісної сталі на УКП місткістю 100 т.

Встановлено, що можна значно понизити масу введених в УКП добавок при тому ж рівні десульфурації у кінцевій пробі колісної сталі. Для цього необхідно скоротити масу вапна, що подається на УКП (?10-30%), і забезпечити дещо більший часовий розрив (5-10 хв.) між первинною фазою наведення шлаку і другою фазою - введення феросплавів FeMn, FeSi, SiMn, легуючий сталь по елементах Si і Mn. Це необхідно для того, щоб металевий розплав якийсь час знаходився під дуже високоосновним наведеним шлаком.

Введення вапна після введення феросплавів недоцільне, оскільки значна маса наведеного шлаку уповільнює процес доведення сталі і засвоєння феросплавів, що модифікують хімічний склад сталі по елементах Si і Mn. Засвоєння розплавом FeSi і SiMn також декілька уповільнює процес десульфурації сталі.

В цілому, для УКП місткістю 100 т. встановлено, що для двох основних режимів позапічної обробки шлаку для вирішення всіх основних задач доведення стали достатньо 500-550 і 600-750 кг шлаку відповідно, хоча збільшення маси шлаку за рахунок мартенівського шлаку з попереднього переділу значно погіршує керованість процесу десульфурації сталі.

Нижче представлений цикл позапічної обробки колісної сталі, в якому поточні задачі по десульфурації вирішено за рахунок двох подач вапна і плавикового шпату на УКП (табл. 5-6).

Таблиця 5. Введення домішок на УКП (кг)

час, хв.	СaO	CaF2	SiMn	FeSi	Електробій
2	210	15	-	-	-
7	210	15	-	-	-
18	-	-	260	175	-
37	-	-	-	-	150

Таблиця 6. Хімічний склад колісної сталі (мас. %)

Проба	C	Mn	Si	P	S
поч.	0,45	0,45	0,22	0,015	0,025
кін.	0,58	0,66	0,31	0,014	0,010

В даному випадку модельно визначений наступний хімічний склад початкового і кінцевого шлаку (табл. 7):

Таблиця 7. Хімічний склад наведеного шлаку (мас. %)

	СaO	CaF2	MgO	SiO2	Al2O3	MnO	маса, кг	lgCs
поч.	79,04	5,16	7,47	4,27	2,07	2,00	436	4,44
кін.	61,55	3,69	9,24	12,41	9,81	2,19	548	3,15

Необхідно відзначити, що зменшення маси введеного вапна не впливає на кінцевий результат. Наприклад, для збільшення вмісту Мn при доведенні колісної сталі на 0,01% звичайно потрібно приблизно 14-15кг SiMn. В даному випадку маємо: 260кг SiMn/ ([Mn]кін. - [Mn]поч.)х100) = 12,4 кг. Аналогічна економія (?10-30%) в пропонованому режимі введення добавок спостерігається також при введенні FeSi і електробою.

Кінцевий вміст водню в сталі залежить від багатьох технологічних чинників (тиск і об'єм витрати інертного газу при продуванні; тривалість позапічної обробки сталі і вакуумування сталі; вміст водню у вапні, плавиковому шпаті, феросплавах; маса водневмісних добавок і т.п.).

У ході досліджень була одержана наступна залежність:

H2, ppm = 0,767 + 0,0011*(СaO), (31)

Як показав статистичний аналіз промислових даних, саме маса вапна є більш значним чинником (r = 0,45), що впливає на кінцевий вміст водню в колісній сталі (рис. 8).

Рис. 8. Картограма залежності вмісту водню в колісній сталі (ppm) від витрати основних шлакоутворюючих матеріалів (кг)

Об'єм і тиск інертного газу не вносить значного впливу на зменшення вмісту водню в сталі. Таким чином, кінцевий вміст водню в колісній сталі при її позапічній обробці визначається, перш за все, масою водневмісних домішок, а, найбільш, масою вапна, введеного в УКП.

Оптимально підібраний режим введення домішок під конкретний початковий хімічний склад сталі і проміжні проби хімічного складу сталі дозволяє скоротити запас міцності, із значною часткою економії домішок, з отриманням сталі високої якості, з низьким вмістом сірки і водню. Перевитрата вапна на початковому етапі приводить до перевитрати і інших домішок, що містять в собі водень, що підвищує загальну кількість розчиненого водню в сталі. Тому подальші дослідження в даному напрямі, при виробництві колісної і інших марок сталей можуть дати істотний економічний ефект, із значним зниженням вмісту водню в сталі. У даному випадку, для колісної сталі, зниження на 0,1-0,5ppm.

У шостому розділі приведені фізико-хімічні моделі, що описують поведінку вуглецю в різних розплавах і матеріалах.

На першій стадії цих досліджень основна увага була надана розробці методики узагальнення інформації про вплив різних легуючих і домішкових елементів на коефіцієнт активності вуглецю fC в залізовуглецевих розплавах. Вибірка дослідних даних включала 882 потрійних розплава, в яких партнерами заліза і вуглецю були хром (73 системи), вольфрам (40), молібден (26), титан (37), ванадій (72) і інші елементи (Ni, Co, Mn, Cu, Nb, Zr, Ge, As, Sn, S, P). Діапазон коливань концентрацій як вуглецю, так і легуючих елементів, змінюється в дуже широкому інтервалі (по вуглецю: від 0,1 до 6 ваг. %, по легуючих: від 0,1 до 50%). Попередній аналіз підтвердив доцільність розділення загальної вибірки на частини, що враховують положення легуючих елементів в Періодичній системі. Значення fC в ході досліджень зіставлялися з поєднанням інтегральних параметрів (ZY, d і tgб) структури розплавів, доповнених температурою (T, °К).

Для розрахунку активності вуглецю в багатокомпонентних складнолегованих сталях і сплавах одержана модель, в якій враховується вплив наступних елементів (Ni, Co, Mn, Cu, Cr, W, Mo, Ti, V, Nb, Zr, Ge, As, Sn, S, P):

lgfC = -10,771 + 6,047*d - 25,034*tgб - 1,941*Zу + 0,001*T (r = 0,97) (32)

Порівняльний аналіз запропонованої нами методики розрахунку lgfC з методикою розрахунку активності домішкового елементу по параметрах взаємодії 1-го і 2-го порядку (методикою Вагнера) показав, що методика Вагнера приводить до значно великих погрішностей в обчисленнях. Слід також відзначити наявність значущого зв'язку між lgfC і зарядом іонів вуглецю ZС.

Друга частина розділу присвячена вивченню фізико-хімічної природи руйнування вуглецевої футеровки горна доменних печей за рахунок "вимивання" з неї вуглецю. В результаті аналізу процесу формування складу чавуну в доменній печі встановлено, що при нормальному ходу плавки і достатньому вмісту вуглецю в чавуні відносно низька його розчинність в металевому розплаві не завдає відчутного збитку вуглецевій футеровці. В цьому випадку фактичний вміст вуглецю в чавуні [С] складає приблизно 0,95 - 1,0 від рівноважної концентрації насичення вуглецю [С]нас.

У літературі пропонується декілька моделей для прогнозування насиченої концентрації вуглецю в чавуні [С]нас. Одержана аналогічна по своїй точності залежність на основі теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в розплавах:

Снас = 1,635*d + 4,27*Zу - 5,138 (33)

Як експериментальні дані було вибрано контрольні виміри складів чавуну і шлаку доменної печі №7 BSP і доменної печі №9 ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг" (рис. 9).

А) Б)

Рис. 9. Ступінь наближення концентрації вуглецю до насиченого стану в чавуні для доменних печей: а) №7 BSP; б) №9 ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг" (лютий, березень 2003 р.)

Результати досліджень використані при розробці програмного забезпечення і впроваджені на металургійному комбінаті ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг" як складова частина системи управління процесом. При цьому критерій [C]/[C]нас виконує роль індикатора агресивності чавуну по відношенню до вуглецевої футеровки доменної печі і є технологічним параметром, що повідомляє, в якому режимі працює доменна піч з погляду теплового стану. Результатом роботи алгоритму підсистеми "Горн" ДП №8 і №9 ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг" (рис. 10) є розрахунковий вміст вуглецю [C]нас по складу чавуну за даних умов ведення доменної плавки, а також розрахований критерій [C]/[C]нас для даного випуску, діб і по місяцях.

Рис. 10. Приклад розрахунку підсистеми "Горн"

Висновки

У дисертації узагальнені результати досліджень процесів розчинності газів і вуглецю в різних металургійних розплавах.

1. Обгрунтована доцільність використання уявлень і математичного апарату теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в розплавах для аналізу на чисельному рівні процесів, що протікають в них з участю газів.

2. Встановлено тісні кореляційні зв'язки розчинності водню, кисню, азоту і вуглецю в металах і сплавах з модельними параметрами структури розплавів (хімічним (Zу), структурним (d) і електрохімічним (tgб) еквівалентами).

3. Запропоновано аналітичні залежності для прогнозування активності газів і розчинності, насиченого стану вуглецю в розплавах на основі фізико-хімічних моделей їх будови.

4. Вперше табульовані значення неполяризованого іонного радіусу Ru°H і електрохімічного параметра водню tgаH, що дозволило визначати параметри міжатомної взаємодії як для парних зв'язків, так і зв'язків в багатокомпонентних водневмісних системах.

5. Вперше результати визначення сорбційної місткості інтерметалідних сплавів і з'єднань по відношенню до водню описані як функція параметрів міжатомної взаємодії. Підтверджено визначальний зв'язок хімічного (Zу) і структурного еквівалента (d) з сорбційною місткістю основних видів сплавів-накопичувачів водню (СНВ). Одержано фізико-хімічні моделі для основних класів сплавів-накопичувачів водню (СНВ), які дозволяють розраховувати сорбційну місткість ще не досліджених складів СНВ.

6. Розроблено методику опису констант розчинності газоподібних йоду, хлора, брому в сольових розплавах, а також азоту в металевих розплавах, які рекомендуються для розрахунку констант розчинності газів в ще невивчених системах "газ-розплав", шляхом згортки відомих політерм розчинності газу в узагальнену модель.

7. Встановлено, що коефіцієнт розподілу кисню між сталлю і шлаком (Ko) тісно пов'язаний з електрохімічним параметром tgб, розрахованим по складу шлаку, що дозволяє рекомендувати його як критерій окисленості як металу, так і шлаку.

8. В ході аналізу результатів процесів сольватації газів встановлено, що коефіцієнти дифузії водню (ДНj), азоту (ДNj) і кисню (ДОj) в сплавах на основі заліза (відповідно Fe-Н-Mej, Fe-N-Mej і Fe-О-Mej) тісно пов'язані з модельними параметрами міжатомної взаємодії у відповідних розплавах. Методика отримання таких фізико-хімічних моделей рекомендується для прогнозної оцінки дифузійних параметрів газів в інших, ще не досліджених системах.

9. Розроблено методику розрахунку хімічного складу шлаку для УКП місткістю 100 т ділянки позапічної обробки сталі, яка дозволяє також визначити коефіцієнти розподілу елементів і сульфідну місткість шлаку. Рекомендації для зміни існуючої технології введення шлакоутворюючих і легуючих домішок на УКП місткістю 100 т ділянки позапічної обробки сталі дозволяють забезпечити економію домішок (?10-30%), електроенергії, а також зниження вмісту водню в кінцевій пробі колісної сталі на 0,1-0,5ppm.

10. Запропоновано критерій, що виконує роль індикатора агресивності чавуну по відношенню до вуглецевої футеровки доменної печі, який використовується в підсистемі "Горн" в складі АСУ ТП ДП №9 "АрселорМіттал Кривий Ріг".

Основні публікації за темою дисертації

1. Кукса О. В. Влияние межатомного взаимодействия в интерметаллидах на их сорбционную способность по отношению к водороду / О. В. Кукса, Э. В. Приходько // Доповiдi НАН України - 2000. -№7. -С. 96-99.

2. Кукса О. В. Методика расчета равновесных констант растворимости газа для галогенидных систем. / О. В. Кукса, Э. В. Приходько // Расплавы. - 2001. - №3. -С. 75-80.

3. Кукса О. В. Моделирование процессов распределения примесей в системе “Металл-Шлак-Газ” при выплавке чугуна и стали. / О. В. Кукса, Д. Н. Тогобицкая // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2001. -№4. -С. 251-256.

4. Приходько Э. В. Связь растворимости азота с параметрами межатомного взаимодействия в многокомпонентных расплавах. / Э. В. Приходько, В. Ф. Мороз, О. В. Кукса // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2001. -№4. - С. 228-234.

5. Приходько Э. В. Методика моделирования межатомного взаимодействия в водородсодержащих соединениях и сплавах. / Э. В. Приходько, В. Ф. Мороз, О. В. Кукса // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии" [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2002. -№5. -С. 199 - 207.

6. Кукса О. В. Особенности влияния процессов растворимости углерода в чугуне на стойкость углеродистой футеровки. / О. В. Кукса, Д. Н. Тогобицкая, Н. М. Можаренко, Г. В. Панчоха // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З. И. Некрасова. -2003. -№6. - С. 79-85.

7. Мороз В. Ф. Влияние межатомного взаимодействия на растворимость азота в аустенитных и ферритных сталях. / В. Ф. Мороз, О. В. Кукса // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2003. -№6. - С. 258-265.

8. Кукса О. В. Оптимизация процесса внепечной обработки на установке "ковш-печь" в условиях мартеновского цеха / О. В. Кукса, С. В. Бейцун // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] №10. - Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2005. - С. 109-112.

9. Приходько Э. В. Физико-химическое моделирование процессов межатомного взаимодействия в расплавах с участием водорода. / Э. В. Приходько, В. Ф. Мороз, О. В. Кукса // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2005. -№10. - С. 191-201.

10. Кукса О. В. Определение активности углерода в металлических расплавах типа С-El-Feост. методом физико-химического моделирования (МНХС) / О. В. Кукса, Э. В. Приходько // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З. И. Некрасова НАНУ, -2006. -№13. -С. 204-210.

11. Приходько Э. В. О растворимости водорода в шлаковых расплавах. / Э. В. Приходько, Ф. В. Мороз, О. В. Кукса, Н. Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2007. -№15. - С. 190-195.

12. Мороз В. Ф. Влияние параметров межатомного взаимодействия на флокеночувствительность сталей и сплавов / В. Ф. Мороз, Э. В. Приходько, О. В. Кукса // в сб. ИЧМ "Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии" [cб. науч. труд] Днепропетровск: ИЧМ им. З.И. Некрасова НАНУ, -2009. -№20. - С. 278-282.

Анотація

Кукса О.В. Розробка фізико-хімічних моделей для прогнозування розчинності газів і вуглецю в металургійних розплавах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 "Металургія чорних i кольорових металів та спеціальних сплавів". - Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів розчинності газів і вуглецю в металургійних розплавах. Для виконання цієї задачі підтверджена ефективність використання теорії фізико-хімічного моделювання процесів міжатомної взаємодії в розплавах, яка одержала свій подальший розвиток. Визначення неполяризованого іонного радіусу Ru°H і електрохімічного параметра водню tgаH дозволяє розраховувати параметри міжатомної взаємодії для зв'язків з участю водню в багатокомпонентних водневмісних системах.

Встановлено тісні кореляційні зв'язки розчинності водню, кисню, азоту в металах і сплавах з модельними параметрами структури розплавів (хімічним (ZY), структурним (d) і електрохімічним (tgб) еквівалентами).

Розроблено методику розрахунку хімічного складу шлаку для УКП ділянки позапічної обробки сталі місткістю 100 т.

Розроблено фізико-хімічні моделі для розрахунку коефіцієнтів активності вуглецю в багатокомпонентних сплавах заліза, легованих різними елементами. Запропоновано критерій, що виконує роль індикатора агресивності чавуну по відношенню до вуглецевої футеровки доменної печі в підсистемі "Горн", упровадженій в складі АСУ ТП ДП №8 і №9 ВАТ "АрселорМіттал Кривий Ріг". Ключові Слова: фізико-хімічна модель, міжатомна відстань, коефіцієнт дифузії, константа розчинності, активність елементу в розплаві, сорбційна місткість, теплота адсорбції, сольватація, хімічний еквівалент, установка ківш-піч.

Аннотация

Кукса О. В. Разработка физико-химических моделей для прогнозирования растворимости газов и углерода в металлургических расплавах - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов - Институт черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины, Днепропетровск, 2010.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов растворимости газов и углерода в металлургических расплавах. Для выполнения этой задачи подтверждена эффективность использования теории физико-химического моделирования процессов межатомного взаимодействия в расплавах, которая получила свое дальнейшее развитие. Определение значений неполяризованного ионного радиуса Ru°H и электрохимического параметра водорода tgаH позволяет рассчитывать параметры межатомного взаимодействия для связей с участием водорода в многокомпонентных водородсодержащих системах.

Разработана методика описания констант растворимости газообразных йода, хлора, брома в солевых расплавах, а также азота в металлических расплавах, которые рекомендуются для расчета констант растворимости газов в еще неизученных системах "газ-расплав", путем свертки известных политерм растворимости газа в обобщенную модель.

Установлены тесные корреляционные связи растворимости водорода, кислорода, азота в металлах и сплавах с модельными параметрами структуры расплавов (химическим (Zy) структурным (d), и электрохимическим (tgа) эквивалентами).

Разработана методика расчета химического состава шлака для установки ковш-печь (УКП) участка внепечной обработки стали. Рекомендации для изменения существующей технологии ввода добавок на УКП емкостью 100т. участка внепечной обработки стали позволяют обеспечить экономию вводимых материалов, электроэнергии, а также снижение содержания водорода в конечной пробе колесной стали на 0,1-0,5ppm.

Разработаны физико-химические модели для расчета коэффициентов активности углерода в многокомпонентных сплавах железа, легированных различными элементами. Предложен критерий, выполняющий роль индикатора агрессивности чугуна по отношению к углеродистой футеровке доменной печи, в подсистеме "Горн", внедренной в составе АСУ ТП ДП №8 и №9 ОАО “АрселорМиттал Кривой Рог”.

Ключевые Слова: физико-химическая модель, межатомное расстояние, коэффициент диффузии, константа растворимости, активность элемента в расплаве, сорбционная емкость, теплота адсорбции, сольватация, химический эквивалент, установка ковш-печь.

Summary

Kuksa O. V. Development of physical and chemical models for forecasting of solubility of gases and carbon in metallurgical melts - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of a Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.16.02 "Мetallurgy black and nonferrous metals and special alloys" - Z. I. Nekrasov Iron and Steel Institute of National Аcademy of Sciences of Ukraine, the city of Dnipropetrovs'k, 2010.

The dissertation research is devoted of processes of solubility of gases and carbon in metallurgical melts. Introduction of values of not polarised ionic radius Ru°H and electrochemical parametre of hydrogen tgаH has allowed to define parametres of internuclear interaction for internuclear communications with participation of hydrogen in multicomponent hydrogenous systems.

Close correlation communications of solubility of hydrogen, oxygen, nitrogen in metals and alloys with modelling parametres of structure melts (chemical (Zy) structural (d), and electrochemical (tgа) equivalents) are established.

Physical and chemical models are developed for calculation of factors of activity of carbon in the multicomponent alloys of iron alloyed by various elements. The criterion which is carrying out a role of the indicator of aggression of pig-iron in relation to carbonaceous lining of a blast furnace, in the subsystem "Forge" introduced in management information system of №8 and №9 blast furnace Open Societies “ArselorMittal Krivoy Rog” is offered.

Keywords: physical and chemical model, internuclear distance, diffusion factor, a solubility constant, activity of an element in melts, sorptive capacity, warmth of adsorption, a chemical equivalent, installation a ladle-furnace.

Размещено на Allbest.ru

...