Фізико-хімічний аналіз нерівноважних взаємодій фаз при одержанні високовуглецевого феромарганцю з метою інтенсифікації процесу

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів. Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена аналізу нерівноважності основних реакцій, що протікають при виплавці вуглецевого феромарганцю та визначення на цій основі величин нерівноважних реальних коефіцієнтів розподілу елементів між шлаком та металом. Для побудови динамічної моделі розроблена модель фізико-хімічних взаємодій при формуванні кінцевого складу феромарганцю, визначені кінетичні показники витрати вуглецевого відновника.

Експериментально визначені кількісні характеристики швидкості витрати вуглецю на відновлення елементів у системі Fe-Mn-Si-O-C в умовах флюсової плавки високовуглецевого феромарганцю. Обробкою літературних і власних експериментальних даних по кінетиці відновлення елементів з рідких шлаків отримано вираз для визначення швидкості витрати вуглецю на процес, який є функцією складу шлаків і параметрів рівноважного стану. Проведено дослідження впливу складу шлаків і температури на склад рівноважного металу. Розроблена якісна модель фізико-хімічних взаємодій при формуванні розплаву Mn-Fe-C у рудовідновлювальній печі та показано, що процес формування складу високовуглецевого феромарганцю починається з утворення карбіду заліза, продовжується з утворенням карбіду марганцю та комплексного залізомарганцевого карбіду. Система метал-шлак у ванні печі має відхилення від рівноваги по окремих елементах. При стаціонарному плині процесу величина нерівноважності системи метал-шлак по елементах зберігається. Це дає можливість використовувати фактичні (нерівноважні) коефіцієнти розподілу елементів між шлаком і металом для складання балансових рівнянь, що є основними при побудові математичної моделі процесу.

Зроблено оцінку можливості протікання реакції окислювання вуглецю у ванні печі при виробництві високовуглецевого феромарганцю. При нормальних умовах об'єм СО, що виділяється, склав 0,09 - 0,01 кг/(м³•с). Це прискорює перемішування металу, збільшуючи перенос елементів в об'ємі й масообмін на межах фаз. Методами фізичного моделювання проведені дослідження переносу в металевому розплаві, що барботується, при наявності в ньому гетерогенної зони. Показано, що при цьому має місце істотний турбулентний перенос у порівнянні з металом, що не перемішується. При тривалому періоді між випусками 3-4 години забезпечується практично повне усереднення складу металевого розплаву у ванні печі при виплавці високовуглецевого феромарганцю.

Розроблена динамічна модель одержання феромарганцю у вигляді системи часткових моделей для кожної зони печі по вертикальному перерізі робочого простору. Часткова модель описується системою рівнянь матеріального балансу й залежностей, що визначають величину відхилення системи від рівноваги. Розроблені алгоритми розрахунку рівноважних складів металу та шлаку по статичній моделі одержання вуглецевого феромарганцю з урахуванням нерівноважності основних реакцій, реалізовані у вигляді програмного засобу та передано для проведення відповідних досліджень до Нікопольського заводу феросплавів.

Ключові слова: нерівноважність реакцій, розподіл елементів, високовуглецевий феромарганець, модель фізико-хімічних взаємодій, моделювання, програмний засіб.

Стовба Я. В. Физико-химический анализ неравновесных взаимодействий фаз при получении високоуглеродистого ферромарганца с целью интенсификации процесса. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - Металлургия чёрных и цветных металлов и специальных сплавов. Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск, 2009.

Диссертационная работа посвящена анализу неравновесности основных реакций, которые протекают при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца и определение на этой основе величин неравновесных реальных коэффициентов распределения элементов между шлаком и металлом. Для построения динамической модели разработана модель физико-химических взаимодействий при формировании конечного состава ферромарганца, определены кинетические показатели расхода углеродистого восстановителя на восстановление элементов в системе Fe-Mn-Si-O-C в условиях флюсовой плавки высокоуглеродистого ферромарганца. Обработкой литературных и собственных экспериментальных данных по кинетике восстановления элементов из жидких шлаков получены выражение для определения скорости расхода углерода на процесс, зависимый от состава шлаков.

Разработана модель физико-химических взаимодействий при формировании расплава Mn-Fe-C в рудовосстановительной печи. Фактические (неравновесные) коэффициенты распределения элементов между шлаком и металлом использованы для составления балансовых уравнений, которые являются основными при построении математической модели процесса. Разработана методика расчёта состава металла, равновесного со шлаком. Проведены исследования влияния состава шлака и температуры на состав равновесного металла.

Сделана оценка возможности протекания реакции окисления углерода в ванне печи при производстве углеродистого ферромарганца. Методами физического моделирования проведены исследования переноса в барботируемом металлическом расплаве при наличии в нём гетерогенной зоны.

Разработана динамическая модель получения ферромарганца в виде системы частных моделей для каждой отдельной зоны печи по вертикальному разрезу рабочего пространства. Показано, что для локальных зон с разными конечными параметрами поток металлического расплава резко возрастает после достижения коксового слоя.

Разработанные алгоритмы расчёта равновесных составов металла и шлака по статической модели получения углеродистого ферромарганца с учётом неравновесности основных реакций, реализованные в виде программного средства, переданы для проведения соответствующих исследований на ОАО НЗФ.

Ключевые слова: неравновесность реакций, распределение элементов, углеродистый ферромарганец, качественная модель физико-химических взаимодействий, моделирование, программное средство.

Stovba Ya. V. Physic-chemical analysis of phase's nonequilibrium interactions at high carbonaceous ferromanganese manufacture for the purpose of process intensification. Manuscript.

Dissertation for the Degree of Candidate of Engineering Science on Speciality 05.16.02 - Metallurgy of Ferrous and Nonferrous Metals and Special Alloys. National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2009.

Dissertation is devoted to the analysis of nonequilibrium state of main reaction occur at a high carbonaceous ferromanganese melting as well as to the determination on this base of values of actual nonequilibrium coefficients of elements distribution between slag and metal. In order to develop of process dynamic model the pattern of physic-chemical interaction between slag and metal at formation of ferromanganese final chemistry as well as the kinetic factors of consumption of carbonaceous reduction agent for elements reduction in the system Fe-Mn-Si-O-C were done with regard to flux and non-flux techniques of ferromanganese melting.

By processing of literature and own experimental data on kinetic of elements reduction from liquid slag the formula for the carbon consumption determination for dependent on slag chemistry process was found.

The model of physic-chemical interaction at Mn-Fe-C melt formation into ore-smelting furnace was developed.

The actual (nonequilibrium) coefficients of elements distribution between slag and metal were used for the draw up of the balance equations that are the basis for construction of the process mathematic model.

There were methodic developed for the calculation of the metal chemistry is equilibrium with a slag. The investigation of a slag chemistry and temperature effect on the equilibrium compound of the metal were made.

The estimation of possibility of carbon oxidation reaction running into the furnace bath at ferromanganese manufacture was done. By the physical simulation methods the researches have been carried out in order to investigate of the transfer into bubbled metal melt at presence in them of heterogeneous zone.

The dynamic model of ferromanganese manufacture has been developed in the form of the system of particular models for separate zones of the furnace along the vertical section of working space. It was shown that for the local zones with different final parameters the flow of metal melts drastically grows after reaching of coke layer.

Developed algorithms of calculation an equilibrium compound of metal and slag by static model of carbonaceous ferromanganese manufacture subject to the nonequilibrium state of main reaction were delivered as software to OJSC NZF for proper researches.

Key words: non equilibrium state of reactions, elements distribution, carbonaceous ferromanganese, qualitative model of physic-chemical interactions, simulation, software.

Размещено на Allbest.ru