автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Научные основы построения и применения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ «физико-технологический институт металлов и сплавов

' Сабирзянов Тагир Галиевич

ХЦК 669.02/09:536

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ОБЩЕЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕРМОДИНАМИКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

Специальность 05.16.02 — Металлургия чёрных металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Киев-2000

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Кировоградском государственном техническом универ ситете Министерства образования Украины.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пономаренко Александр Георгиевич, До нецкий государственный технический университет, профессор кафедрь электрометаллургии и конвертерного производства стали; доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины Приходько Эдуард Васильевич, Институт чёрной металлурги] им. 3. Некрасова HAH Украины, г. Днепропетровск, заместитель директор; по научной работе;

доктор технических наук Соколов Владислав Михайлович, Физико-техно логический институт металлов и сплавов HAH Украины, г. Киев, ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация:

Национальная металлургическая академия Украины Министерств образования Украины, кафедра теории металлургических процессоЕ г. Днепропетровск.

Р<9

Защита состоится " ОЗ 2000 г. в часов на заседании спс

циализированного учёного совета Д26.232.01 Физико-технологическог института металлов и сплавов HAH Украины по адресу: 252680, г. Киев, ГСП-141 пр. Вернадского, 34/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технолоп ческого института металлов и сплавов.

Автореферат разослан "57 " Ol. 2 ООО

Учёный секретарь

специализированного учёного совета доктор технических наук, профессор

4х

\J

Черновол А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Чёрная металлургия и литейное производство, являющиеся сферой использования результатов работы, принадлежат к наиболее важным отраслям промышленности Украины. Острый дефицит природного газа, нефти, электроэнергии и других ресурсов, а также специфические особенности топливно-сырьевой базы металлургии Украины, такие как высокое содержание серы в каменном угле Донбасса, повышенная концентрация фосфора в железной руде Керченского месторождения и другие создали в указанных отраслях ряд сложных проблем, усугубляющихся необходимостью повышения конкурентоспособности готовой продукции путём снижения её себестоимости и повышения качества металла, в том числе и за счёт уменьшения содержания в нём вредных примесей.

При разработке ресурсосберегающих технологий изготовления изделий из чугуна и стали, а также рациональных технологических процессов, обеспечивающих низкое и сверхнизкое содержание вредных примесей в металле, необходимо иметь возможность прогнозировать для заданных реальных условий направление и пределы протекания соответствующих металлургических процессов, определять их тепловые эффекты, а также рассчитывать состояние металлургических систем при равновесии. Такую возможность призвана предоставлять термодинамика металлургических расплавов, главной целью которой является определение интегральных и парциальных свойств жидких металлов и шлаков при заданных их температурах и химических составах при помощи соответствующей совокупности соотношений и правил, представляющих собой математическую модель термодинамики расплава.

Благодаря трудам отечественных и зарубежных учёных термодинамика металлургических расплавов достигла значительных успехов, превратившись в быстро развивающееся направление теории металлургических процессов. В настоящее время существуют математические модели термодинамики металлических и шлаковых расплавов, разработанные М. И. Тём-киным, В. А. Кожеуровым, И. Т. Срывалиным и О. А. Есиным, Б. П. Буры-лёвым, М. С. Петрушевским и П. В. Гельдом, Н. М. Чуйко, П. А. Герасименко, А. Г. Пономаренко, Э. В. Приходько, К. Вагнером и другими учёными. Существующие модели в ряде случаев обеспечивают удовлетворительное прогнозирование термодинамических свойств металлов и шлаков. Однако многие из них являются упрощёнными и пригодными лишь к расплавам со сравнительно невысокими концентрациями примесей при ограниченном количестве последних. Усложнённые же варианты моделей, адек-

ватные при любых возможных концентрациях компонентов, относятся, главным образом, к бинарным системам. Таким образом, построение общей математической модели, при помощи которой можно определять термодинамические свойства многокомпонентного металлургического расплава любой сложности при любых возможных значениях температуры и концентраций примесей, является актуальной научной проблемой теории и практики металлургического и литейного производства.

Цель и задачи работы. Целью работы является создание теоретических основ построения и получение общей математической модели термодинамики металлургических расплавов на базе современных представлений об их структуре, а также разработка и внедрение методов её практического использования.

Для достижения этой цели необходимо было решить такие задачи:

- разработать концепцию рассмотрения термодинамической системы "металлургический расплав" в качестве объекта математического моделирования, дать научную классификацию математических моделей технических объектов исследования и на её основе проанализировать существующие математические модели термодинамики металлургических расплавов;

- сформулировать и обосновать научные принципы и методы, которые позволили бы на основе современных представлений о микронеоднородности расплавов найти соответствующую структуру общей математической модели их термодинамических свойств;

- разработать методы идентификации общей модели, которые обеспечили бы определение её параметров;

- разработать методы практического использования общей модели, в частности, для расчёта растворимости неметаллов в многокомпонентных расплавах железа и распределения их между металлом и шлаком при любых реальных-условиях; для расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций с использованием ЭВМ; для определения оптимальных технологических и теплотехнических параметров плавки чугуна в вагранке и в индукционной тигельной печи, выплавки стали в современных сталеплавильных агрегатах и т.д.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

1. Сформулировано и обосновано принципиально новое научное положение об одновременном присутствии в многокомпонентном расплаве всевозможных перманентно существующих микрогруппировок, в которых реализуется стремление системы к образованию всех энергетически выгодных связей между её компонентами.

2. Предложен метод квазимолекул, который позволил учесть все возможные энергетические связи между частицами расплава и установить структуру общей математической модели термодинамики металлургических расплавов.

3. Разработаны методы идентификации общей модели, которые базируются на введенном в рассмотрение понятии об отклонениях свойств реального раствора от свойств раствора субрегулярного, на предложенной классификации диаграмм состояния бинарных систем, а также на выведенном правиле нахождения выражения для концентрационной зависимости парциальных свойств компонентов при помощи соответствующего выражения для интегрального свойства расплава.

4. Разработана концепция интерпретации полинома Вагнера как статистического аналога общей математической модели термодинамики расплавов. В рамках этой концепции сформулировано и обосновано положение о принципиальной возможности использования полинома Вагнера во всей области реальных состояний расплава, предложены новые методы определения параметров взаимодействия первого и более высоких порядков, проведена научная систематизация параметров взаимодействия первого порядка.

5. При использовании общей модели и фундаментальных термодинамических принципов впервые получены универсальные расчётные формулы для определения растворимости углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора в многокомпонентных железных расплавах при любых возможных их химических составах и температурах.

6. Научно обоснован, разработан и внедрён в практику научно-исследовательских работ и в учебный процесс метод компьютерного расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций для заданного температурного интервала, на котором реагенты могут претерпевать фазовые превращения или переходить из химически чистого состояния в раствор.

7. Предложена методика расчёта температуры реакционной зоны (РЗ), образующейся при продувке сталеплавильной ванны различными окислительными струями. Новизна методики состоит в том, что РЗ рассматривается как термодинамическая система, взаимодействующая с окружающей её ванной, а отдельные статьи теплового баланса РЗ определяются при помощи предложенной общей модели. Получены математические модели теплового состояния РЗ и процесса проникновения струи в жидкость для широкого диапазона условий продувки.

8. При использовании общей модели разработаны методы определения отдельных статей тепловых балансов металлургических агрегатов с учётом реальных условий протекания процессов в них.

9. Решена задача об определении химического состава и температуры продуктов неполного сгорания природного газа в кислороде при различных значениях коэффициента расхода окислителя. Установлены граничные значения этого коэффициента, ниже которых продукты горения становятся восстановителем по отношению к оксиду двухвалентного железа.

Вышеприведенные научные положения, методы и правила являются выносимыми на защиту научными основами построения и применения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием основных фундаментальных законов природы, применением установленных государственными стандартами методов измерения температуры, отбора проб и анализа химического состава металла и шлака, удовлетворительной согласованностью результатов расчётов по разработанным математическим моделям с данными лабораторных и производственных экспериментов, успешной промышленной проверкой и внедрением в практику рекомендованных способов повышения эффективности процессов металлургического и литейного производства.

Научное значение работы состоит в разработке научных основ построения и практического применения общей математической модели термодинамики многокомпонентных металлургических расплавов, которая в виде конкретных её форм может быть использована при расчётах тепловых эффектов физико-химических процессов с участием многокомпонентных металлических и шлаковых расплавов; при определении возможности, направления и предела протекания металлургических процессов; при расчётах растворимости отдельных компонентов в металлах и шлаках, а также распределения их между этими фазами; при расчётах энергии Гиббса и константы равновесия металлургических процессов; при определении технологических и теплотехнических параметров процессов, протекающих в агрегатах металлургического и литейного производства.

Практическое значение работы характеризуется тем, что в практику научно-исследовательских работ и в учебный процесс внедрены универсальные методы расчёта растворимости важных примесей металла и шлака в многокомпонентных металлургических расплавах, компьютерного расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций и других физико-химических процессов при любых возможных условиях их протекания, расчёта термодинамических свойств реальных многокомпонентных металлических и шлаковых расплавов. Кроме того,

были разработаны и прошли успешную практическую проверку методы и способы использования вышеуказанной общей модели при выполнении научно-исследовательских работ прикладного характера в чёрной металлургии и литейном производстве, результаты которых внедрены на ряде предприятий.

Согласно разработанным рекомендациям были реконструированы вагранки в цехе серого чугуна Кировоградского завода с/х машин "Красная звезда". Результаты исследования термодинамики процессов плавки чугуна в индукционных тигельных печах были использованы в руководящем техническом материале по этой плавке и в соответствующих практических рекомендациях, внедрённых на ряде заводов. Разработана, прошла промышленную проверку и внедрена на Алчевском металлургическом комбинате новая технология выплавки стали в двухванном сталеплавильном агрегате без скачивания первичного шлака.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на восьми Всесоюзных, двух Международных и шести Республиканских научных конференциях и семинарах, в том числе на VIII-ой Всесоюзной конференции по физико-химическим основам производства стали (Москва, 1978 г.), Всесоюзном научном семинаре "Продувка ванн сталеплавильных печей кислородом с газовой защитой" (Киев, 1978 г.), XXII-м Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 1980 г.), IV-ой и VI-ой Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, 1980 и 1986 г.г.), Республиканских научно-технических конференциях "Современные процессы обезуглероживания и дегазации легированных сталей и сплавов" (Днепропетровск, 1981 и 1987 г.г.), IV-ой и V-ой Республиканских научно-технических конференциях по неметаллическим включениям и газам в литейных сплавах (Запорожье, 1985 и 1988 г.г.), Всесоюзных научно-технических конференциях по металлургической технологии в машиностроении (Волгоград, 1989 и 1991 г.г.), Международной научно-технической конференции "Литейно-металлур-гические процессы. Новые технологии, материалы и оборудование" (Киев, 1998 г.), Н-ой Международной научно-практической конференции "Проблемы конструирования, производства и эксплуатации сельскохозяйственной техники" (Кировоград, 1999 г.).

Отдельные вопросы работы докладывались на научных семинарах кафедры литейного производства Кировоградского государственного технического университета, кафедры металлургии стали Донецкого государственного технического университета, а также на ежегодных научных конференциях КГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 82 научные работы, из них 50 составили основу диссертации, в их числе монография и авторское свидетельство на изобретение.

Связь темы диссертации с планами научных работ учреждения. Работа является итогом исследований, выполненных в Кировоградском государственном техническом университете в рамках госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ (номера их регистрации ' 75067580, 75067582, 79041529, 80049150, 01890031067) по планам Министерств чёрной металлургии СССР и УССР, Минтракторосельхозмаша СССР, Министерства образования Украины, НАН Украины и соответствуют приоритетному направлению Министерства науки Украины "Экологически чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии". В проведенных исследованиях автор принимал непосредственное участие как научный руководитель или ответственный исполнитель.

Тема диссертации утверждена секцией "Металлургия" научно-технического совета Министерства образования Украины, протокол № 3 от 17.06.83 г.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из вступления, восьми разделов, выводов, имеет 280 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 48 таблиц, список использованных источников из 374 наименований, семь приложений. Общий объём работы — 454 страницы.

Личный вклад автора в выполненное исследование состоит в том, что как инициатор, научный руководитель или ответственный исполнитель он непосредственно принимал участие в планировании, научно-методическом обеспечении и проведении теоретических и экспериментальных работ, обработке и анализе данных, формулировании выводов, написании научных отчётов, статей и т.д. Представленные в диссертации научные положения разработаны автором лично. Внедрение в производство результатов работы осуществлялось автором совместно с сотрудниками кафедры и соответствующих предприятий и учреждений. Среди опубликованных по теме диссертации работ около 60 % — без соавторов. Вклад соискателя в работы, опубликованные совместно с соавторами, такой (см. представленный ниже перечень публикаций):

[5, 8, 9, 10, 14, 19, 24, 48] — научное руководство, разработка методик исследования, вывод расчётных формул;

[11, 12, 16, 17] — разработка методик исследования и компьютерных программ расчётов, обработка и анализ термодинамических данных;

[21] — разработка методик компьютерного расчёта термодинамики "тигельной" реакции и энтальпии шихты для плавки чугуна, обработка и анализ полученных данных;

[22] — участие в планировании и проведении эксперимента, обработка и анализ данных, разработка математической модели объекта исследования;

[45] — разработка методики термодинамических расчётов;

[46] — теоретические расчёты, методика экспериментальных исследований, участие в проведении заводских экспериментов, обработка данных;

[50] — статистическая обработка данных заводского контроля, результаты которой положены в основу изобретения.

Автор считает своим долгом искренне поблагодарить за помощь и участие в проведении научно-исследовательских работ сотрудников кафедры литейного производства и механико-технологического факультета Кировоградского государственного технического университета, ректорат КГТУ, работников цеха серого чугуна и отдела главного металлурга Кировоградского завода с/х машин "Красная звезда", центральной заводской лаборатории и мартеновского цеха Алчевского металлургического комбината, возглавляемые академиком HAH Украины, доктором технических наук, профессором В. Л. Найдеком и доктором технических наук, профессором В. С. Шумихиным коллективы научных подразделений Физико-технологического института металлов и сплавов Национальной академии наук Украины, работников других учреждений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, освещены научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первом разделе рассмотрено состояние математического моделирования в термодинамике металлургических расплавов. При использовании предложенной в работе классификации математических моделей технических объектов исследования проведен анализ существующих математических моделей термодинамики металлургических расплавов. Показано, что ни одна из них не учитывает в полной мере современные представления о микронеоднородной структуре расплавов.

По результатам анализа полинома Вагнера выдвинуто и обосновано важное научное положение о принципиальной возможности использования его в пределах всех возможных состояний расплава. Это положение устраняет противоречие между пониманием и применением метода Вагнера и является научной основой для более широкого его использования в термодинамике многокомпонентных металлических расплавов. На ос-

новании этого положения можно сделать вывод о несоответствии действительности распространённой в литературе точки зрения, согласно которой полином Вагнера первой и более высоких степеней применим лишь к разбавленным растворам.

Второй раздел посвящен научным основам построения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов. При построении данной модели были использованы результаты известных экспериментов по рассеянию разными жидкостями у-лучей, нейтронов и электронов, согласно которым жидкости характеризуются микронеоднородной сиботаксической структурой.

В диссертации известная картина микронеоднородной сиботаксической структуры жидкости с перманентно существующими микрогруппировками разных типов дополнена положением о возможности одновременного существования в расплаве при любом его химическом составе различных микрогруппировок, соответствующих всем формам упорядочения, встречающимся в данной системе. Из них главное влияние на термодинамические свойства расплава оказывают упорядочения типа кристаллических решёток, соответствующих тем или иным химическим соединениям.

Математическая модель термодинамики металлургических расплавов, построенная на основе изложенной вербальной модели их структуры, названа квазиполикристаллической.

Переход от вербальной модели к математической осуществлён с помощью предложенного метода квазимолекул, сущность которого заключается в том, что изменение термодинамических и других свойств системы при образовании в ней, например, кристаллического соединения АВТ из чистых твёрдых веществ Ах и Вх, в соответствии с обычным изображением химического превращения в виде уравнения химической реакции (в нашем примере Ат + Вт = АВТ), относят к одному молю АВТ или к одному грамм-атому Ат или Вт. Если это изменение разделить на число Авогадро, то получится изменение свойства, приходящееся на одну молекулу АВХ или на один атом Ат или Вт. Так, несмотря на отсутствие в кристаллическом веществе АВТ каких бы то ни было молекул, можно прийти к понятию о воображаемой молекуле АВ, а указанное изменение свойств системы рассматривать как результат образования мнимых молекул, названных квазимолекулами.

Таким образом, квазимолекула — это воображаемый элементарный носитель энергии, представляющий собой наименьшее количество соответствующего вещества со своей кристаллической микроструктурой.

Для определения общего изменения термодинамического свойства системы необходимо удельную величину изменения свойства, приходящуюся на одну квазимолекулу, умножить на общее количество квазимолекул.

В идеальном кристалле АВТ, благодаря максимальной степени упорядочения, количество квазимолекул АВ наибольшее и равно количеству молей АВ, умноженному на число Авогадро N0. При плавлении АВТ, вследствие частичного разупорядочения структуры, количество квазимолекул уменьшается. Оно минимально при хаотическом распределении частиц и, в соответствии с выведенным общим правилом, в моле расплава при хаотическом распределении частиц количество квазимолекул определённого вида прямо пропорционально произведению мольных долей компонентов, присутствующих в квазимолекуле, взятых в степенях, равных количеству компонентов в молекулярной формуле соответствующего соединения. Коэффициентом пропорциональности при этом служит величина Л^.

Влияние упорядочения на число квазимолекул реального расплава учитывается с помощью известного квазихимического метода.

При определении количества всевозможных квазимолекул вышеуказанным способом для изменения, например, энтальпии при образовании одного моля расплава из чистых компонентов имеем:

= IX дих?'х"/ /=1 у=/+1

к-1 к

к-1 к 1-211 а, /=1

*у!{гкт)

(1)

где т:, nj — количество компонентов /,/' в соответствующей квазимолекуле;

!2у — коэффициент, связанный с энергией образования соответствующей квазимолекулы;

к — количество компонентов раствора; хп Х1 — мольные доли компонентов;

X — координационное число.

Следует заметить, что известные выражения для Нм, соответствующие теориям регулярных и субрегулярных растворов, а также обычной и усложнённой квазихимическим теориям растворов, являются частными случаями формулы (1).

Уравнению (1) соответствуют такие соотношения для избыточных энергии Гиббса и энтропии:

,, к~\ к _ _ = 2 I е^Г'х?

/=1 _,■=,•+1

1-1 £ Очх?>хп//{2ЯТ) (=1

8е

11 ^/=1 >=»+1

(2)

(3)

Согласно выведенному в работе правилу, выражения для относительных и избыточных парциальных мольных величин /-го компонента можно получить путём дифференцирования функций (1)...(3) по х, с последующим вычитанием из полученного результата каждого слагаемого указанных функций, умноженного на коэффициент, равный уменьшенной на единицу сумме показателей степеней при всех мольных долях компонентов этого слагаемого.

Для удобства 'математической интерпретации экспериментальных данных об Нм энтальпию без учёта упорядочения предложено выражать как для субрегулярного раствора, а эффект упорядочения учитывать с помощью множителя 1 -/(х;) х,ху:

нм = 2 I (а,*, + а, + [1 - /(*, К*,], (4)

1=1 у=(+1

где 0,щ, Qij, <2щ — коэффициенты;

/(х,) — полином некоторой степени от который зависит от химического состава и прочности соединений, образующихся в системе.

Приведенные уравнения совместно с правилом нахождения парциальных мольных величин представляют собой общую математическую модель термодинамики расплавов, которую в виде тех или иных конкретных её форм можно применять как к металлическим, так и к шлаковым расплавам. Применение этой модели к бинарным системам Ме-81 (Ме — Бе, Мп, №, Со) позволило получить уравнения, которые вполне удовлетворительно характеризуют концентрационные зависимости интегральных и парциальных мольных свойств этих систем (рисунок 1).

В третьем и четвёртом разделах излагается построение и научное использование математической модели термодинамики шлаковых расплавов как частного случая общей модели.

Анализ современного состояния термодинамики металлургических шлаков показывает, что существующие её математические модели являются неудовлетворительными, так как они не охватывают всей совокупности основных компонентов шлака, во многих случаях имеют ограниченные области применения и, главное, ни одна из них не базируется в полной мере на современных представлениях о микронеоднородной структуре жидких шлаков.

Учитывая невысокую точность имеющихся экспериментальных данных о термодинамических свойствах шлака, их теоретическое обобщение для многокомпонентного шлака можно осуществить пока что на ос-

и

нове уравнения (4) при Дху) = 0, то есть с помощью субрегулярного варианта общей модели:

oE = i i (йул +йу+а^Ь^ /=1j=i+1

(5)

кДж

пояь 120

80 т о

240 200 160 120 80

40 О

а

Ч нм

S* \

0,2 0,4 0,6 Q8 iO

0.2 0,4 0.Б 0,8 1,0

0,2 0,4 0,6 0,8 i,О

0,2 0,4 0,6 0,8 Хг

Рисунок 1 — Зависимость IIм и Нf* от химического состава расплавов Fe-Si (а), Mn-Si (б), Co-Si (в) и Ni-Si (г) (точки — экспериментальные данные, кривые — расчёт)

Компоненты шлака нумеруются согласно их расположению в ряду FeO, MnO, MgO, CaO, Si02, Р205, А1203, Fe203, FeS (FeO — первый компонент, МпО — второй и т.д.)-

В диссертации предложена классификация бинарных оксидных и ок-сисульфидных систем, которая значительно упрощает определение коэф-

фициентов уравнения (5). С учётом особенностей бинарных систем, образуемых вышеуказанными компонентами шлака, уравнение (5) приобретает вид:

вЕ = -5х,х4 -20,1x^5 -2,9х,2*5 + 58,1х,х52 -150*,*6 -20*^ --52,6x^8 -110,9х2х:5 -4,2x2*5 +133,9х2х52 -150х2Х6 -50х2Х7 --53,2х2х9 -177,9х3х5 -6,Зх|х5 +190,5хзх2 -З90х3*6 -80х3х7 --284,7x4*5-8,4*2*3+255,4*4*1 -390х4х6 -127*4х7 -151,6*4х8 --63,7*4*9 -28х5х6 - 18х5х7 + 33,5х5*8 +66,2х5*9 -20*6*7 -57х6*8 (6)

Многочисленные расчёты с использованием уравнения (6) указывают на адекватность полученной математической модели. Её можно расширить путём охвата ею новых компонентов (СаР2, Сг203, ТЮ2, У203 и др.) по разработанной методике.

Активности компонентов шлака рассчитывались по формуле (6) при использовании вышеуказанного правила нахождения парциальных мольных величин.

Расчёты распределения элементов между металлом и шлаком представлены в работе на примерах распределения серы, марганца и фосфора. Теоретически обоснованный метод расчёта распределения базируется на использовании выражения и численного значения константы равновесия реакции, характеризующей распределение элемента между металлом и шлаком, и предложенной квазиполикристаллической теории шлака. Расчётные и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются между собой (рисунки 2 и 3).

СаО

0,1 0,4 0,6 О,В

Рисунок 2 — Зависимость коэффициента активности У Ж от химического состава системы РеО-СаО-ЗЮ2 при 1873 К (цифры над кривыми — значения уРе5; а — расчёт, б — экспериментальные данные)

Раз пел пятый посвящен методам определения энергий смешения и параметров взаимодействия, необходимых для идентификации упрощённых вариантов общей модели и её статистического аналога — полинома Вагнера. Методы предусматривают использование разнообразной научной информации, имеющейся в литературе по термодинамике металлических и шлаковых расплавов. Проведены анализ и систематизация литературных и собственных данных о параметрах взаимодействия ряда важных примесей железа с другими элементами, растворёнными в металлическом расплаве.

В шестом разделе рассмотрен важный аспект научного применения общей математической модели термодинамики расплавов и её статистического аналога — полинома Вагнера при построении универсальных математических моделей растворимости углерода, водорода, азота и кислорода в многокомпонентных расплавах на основе железа. Необходимость постановки этой задачи продиктована тем, что существующие в данной области расчётные формулы являются либо сугубо эмпирическими, либо основываются на допущениях, не соответствующих современным представлениям о структуре расплавов, вследствие чего все они характеризуются ограниченными областями их применения.

Согласно предложенной в диссертации методике построения математической модели растворимости того или иного элемента в металле сначала записывается уравнение процесса распределения элемента между контактирующими фазами и составляется выражение константы равновесия этого процесса. Далее активности компонентов, фигурирующие в выражении константы равновесия, записываются как произведения их концентраций и коэффициентов активности, причём зависимости последних от температуры и химического состава фаз определяются согласно разделам 3, 4 и 5. Температурные зависимости стандартных изобар-но-изотермических потенциалов процессов определяются согласно разг делу 7. Из совокупности указанных соотношений получается выражение для растворимости элемента в металле.

о,№0,08 ал 0,ШГ%

Рисунок 3 — Сопоставление расчётных и опытных данных о распределении марганца (•) и фосфора (+) между металлом и шлаком

Этим способом получены следующие формулы:

[С] = ехр {-2717 / Т + 5,09 - 2,3 /с}, (7)

^([С]0 /[С]) + е£ ([С]0 - [С]) = /с, (8)

[Н] = ехр {-4025 / Т - 3,8571 - 2,3/н}, (9)

[К] = ехр{-433 / Т - 2,87 - 2,31Е /н}, (10)

[О] = а0 ехр {-2,3/0}, (П)

где [С] [н],... — растворимость соответствующего элемента в металле, % по массе;

[с^ — растворимость углерода в бинарной системе Ре-С при температуре Г;

ао — активность кислорода в металле; Рн2 > Рщ — равновесные парциальные давления водорода и азота в газовой фазе над металлом.

Коэффициенты активности растворённых в металле элементов определяются по общей формуле:

1§/Е = ¿[^М' I ] + •••' (12)

1=1 1=17=1+1

где [кД — концентрации компонентов К» в металле, % по массе; Л/ Ri.ii/

еЕ , еЕ ,... — параметры взаимодеиствия;

к — число примесных компонентов.

Результаты расчётов по выведенным формулам хорошо согласуются с экспериментальными данными, в чём можно убедиться на примере оп-. ределения растворимости азота в высоколегированных расплавах железа с примесями С, Мп, N1 и Сг (рисунок 4).

Седьмой раздел посвящён использованию общей модели при определении термодинамических характеристик сложных химических реакций на температурном интервале 298...Г с применением ЭВМ. Проблема заключается в том, что при значительном количестве веществ, участвующих в химической реакции, и большом количестве фазовых превраще-

ний реагентов на заданном температурном интервале объём вычислительной работы резко возрастает, и без применения ЭВМ расчёты становятся практически невозможными.

Рисунок 4 — Сопоставление расчётных и экспериментальных данных о растворимости азота в многокомпонентных расплавах железа (• — 1723 К, о - 1773 К, + — 1873 К, А — 1923 К, а — 1973 К)

Метод компьютерного расчёта основывается на полученном в диссертации правиле, согласно которому изменение некоторой функции состояния g вследствие химической реакции при температуре Г равно Ag при температуре 298 К плюс Лg в результате реакции на участках 298 — Ть Т\ — Т}.} — Т минус Ag вследствие фазовых превращений или растворения исходных веществ и плюс Ag в результате фазовых превращений или растворения продуктов реакции. При этом значения Ag при растворении определяются согласно предыдущим разделам.

В соответствии с указанным правилом расчёты осуществляются по формулам:

щ**>г

т

AH°T=AHlXJ:i±L,_l+ ¡A C^dT,

(13)

т

Щт ~ ±¿/-,/7";-, + ¡&CpidT/T,

(14)

AG,°r = АН?т - TAS°r,

i,T

(15)

lnKPii = -AG°T/RT,

(16)

где A#,°_i T. fn ДS°_l Ti j — энтальпия и энтропия реакции на участке / - 1 при температуре фазового превращения 7^;

¿/-1 — энтальпия фазового превращения при температуре 7м (знак "плюс" относится к продуктам реакции, а "минус" — к начальным веществам);

ДСр, — изменение теплоёмкости системы вследствие протекания в ней химической реакции для ¿-го температурного участка.

Программа расчётов составлена на языках ЯАП "Наири", FORTRAN и BASIC. Метод внедрён в учебный процесс и в практику научно-исследовательских работ.

При использовании термодинамических данных, полученных расчётом на ЭВМ, а также результатов термодинамического анализа процессов растворения, изложенного в предыдущих разделах, определены термодинамические характеристики реакций окисления железа, марганца, кремния, углерода, а также процесса десульфурации, которые хорошо согласуются с соответствующими экспериментальными данными. Это позволяет считать, что результаты расчётов по разработанной методике можно использовать для проверки имеющихся и нахождения отсутствующих термодинамических характеристик металлургических реакций.

Восьмой раздел посвящен прикладному применению общей модели в металлургии и литейном производстве, а именно при определении температуры реакционной зоны и глубины проникновения окислительной струи в металл в процессе продувки его различными окислителями, а также при исследовании тепло- и массообменных процессов в вагранке, индукционной тигельной печи и в двухванном сталеплавильном агрегате с целью усовершенствования их работы. Разработанные по результатам прикладных исследований практические рекомендации внедрены на ряде предприятий металлургической и машиностроительной отраслей промышленности со значительным экономическим эффектом.

ВЫВОДЫ

1. Выдвинута концепция рассмотрения термодинамической системы "металлургический расплав" в качестве объекта математического моделирования и введено понятие о математической модели термодинамики металлургических расплавов как о совокупности математических соот-

ношений, устанавливающих количественную взаимосвязь между входными (температура, давление, концентрации компонентов) и выходными (функции состояния) термодинамическими параметрами расплава.

2. Предложена классификация математических моделей технических объектов исследования по трём основным признакам — способ построения модели, свойства объекта математического моделирования и свойства самой математической модели. По первому признаку математические модели термодинамики расплавов делятся на теоретические, смешанные и статистические, по второму признаку они являются детерминированными и статическими, по третьему признаку эти модели являются нелинейными и могут быть сложными и упрощёнными.

3. На основании анализа существующих математических моделей термодинамики металлургических расплавов установлено, что теоретической является модель совершенного раствора; к смешанным относятся модели растворов бесконечно разбавленного, регулярного, субрегулярного и квазирегулярного, а также модели, соответствующие квазихимической, усложнённой квазихимической и квазикристаллической теориям растворов; статистическими являются модели Маргулеса, Гугген-гейма, Вагнера, Меня и др. Главным недостатком существующих смешанных моделей является чрезмерная идеализация структуры расплава и характера взаимодействия между его частицами.

4. При использовании современных представлений о микронеоднородной сиботаксической структуре расплавов сформулировано и обосновано положение об одновременном присутствии в расплаве различных перманентно существующих динамических микрогруппировок со структурой, соответствующей всем возможным в системе формам упорядочения, причём относительная роль различных микрогруппировок зависит от химического состава и температуры расплава. Это положение в сочетании с предложенным методом квазимолекул позволило установить структуру общей математической модели термодинамики многокомпонентных металлургических расплавов, которая предоставляет практически неограниченные возможности для адекватной математической интерпретации термодинамических свойств расплавов с любым характером взаимодействия между компонентами.

5. С целью определения возможных взаимодействий между компонентами расплава и решения задачи об идентификации общей модели предложена классификация диаграмм состояния бинарных систем, образованных компонентами расплава. Эта классификация наиболее полно отображает характерные особенности взаимодействия между компонентами. Упорядочение в распределении частиц учитывается с помощью введенного в рассмотрение понятия об отклонении от свойств субрегу-

лярного раствора. Разработаны методы идентификации квазиполикрис-таллической математической модели термодинамики расплавов, которые обеспечивают определение её параметров и получение для конкретных случаев адекватных моделей. Это продемонстрировано на примере моделей, построенных для всего диапазона химического состава систем Fe-Si, Mn-Si, Co-Si и Ni-Si, которые отличаются очень сильным межчастичным взаимодействием.

6. Построена математическая модель термодинамики многокомпонентных металлургических шлаков в виде субрегулярного варианта общей модели. Разработана методика определения её параметров по экспериментальным данным об активности компонентов в бинарных системах с учётом особенностей соответствующих диаграмм состояния. Определены все необходимые параметры модели для девятикомпонентного шлака, который состоит из FeO, MnO, MgO, CaO, Si02, Р2О5, А120з, Fe203 и FeS. Разработана методика расширения круга компонентов, охватываемых моделью. На многочисленных примерах применения модели показано, что она с удовлетворительной точностью отображает термодинамические свойства реальных многокомпонентных шлаковых расплавов.

7. Разработана концепция интерпретации и применения полинома Вагнера как статистического аналога общей математической модели термодинамики расплавов, в рамках которой сформулировано и обосновано положение о возможности использования указанного полинома для математического описания термодинамических свойств многокомпонентного расплава при любом возможном его химическом составе и температуре. Обращено внимание на некорректность распространённой в литературе точки зрения, согласно которой полином Вагнера первой и более высоких степеней применим лишь к разбавленным растворам.

8. Разработаны методы определения энергий смешения, предусматривающие использование данных о коэффициентах активности и растворимости компонентов в расплавах. Выведены формулы, позволяющие рассчитывать параметры взаимодействия типа Eg по данным о влиянии [R] на растворимость компонента Е в расплаве. Раскрыта взаимосвязь между энергиями смешения и параметрами взаимодействия. Предложены

R R,R R,R,R

методы определения параметров взаимодеиствия типа <%, еЕ ,еЕ и R>,R,

^в по данным о растворимости элемента Е в расплавах Fe-E, Fe-E-R¡ и Fe-E-Rj-R,-. Применение этих методов и использование многочисленных литературных данных о влиянии элементов R на растворимость и активность в жидком железе водорода, углерода, азота, кислорода, алю-

миния, кремния, фосфора и серы позволило определить параметры взаимодействия типа и eg R, (Е — указанные элементы); для 16 элементов R получены температурные зависимости е^ и .

9. При использовании полученных в этой работе, а также взятых из литературы данных о параметрах взаимодействия Н, С, N; О, Al, Si, Р и S с различными элементами R в жидком железе построены графики пе-

о р

риодической зависимости 8Е i873K и eR 1873К от порядкового номера ZR элемента R, которые охватывают практически всю Периодическую систему элементов (ZR = 1...90) и позволяют уточнять значения параметров взаимодействия, выявлять ошибочные и сомнительные данные о них, а также прогнозировать отсутствующие значения этих величин. Надёжность данных, по которым построены указанные графики, подтверждается соблюдением в них принципа взаимности (е/= ej).

10. При использовании общей модели получены соотношения, которые обеспечивают возможность расчёта растворимости углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора в многокомпонентных расплавах железа при любых реальных условиях. Приведены примеры, подтверждающие адекватность полученных математических моделей растворимости.

11. Заложены научные основы расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций для широкого температурного интервала, на котором реагенты могут претерпевать фазовые превращения или переходить в растворённое состояние. Разработана и внедрена в практику научно-исследовательских работ и в учебный процесс методика расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций с использованием ЭВМ. Программа расчёта составлена на языках ЯАП "Наири", FORTRAN и BASIC. С помощью данных, полученных расчётом на ЭВМ, а также результатов выполненного термодинамического анализа процессов растворения реагентов в жидком железе определены надёжные термодинамические характеристики ряда важных металлургических реакций.

12. При использовании общей модели выполнены прикладные научно-исследовательские работы, в которых

- получены математические модели теплового состояния реакционной зоны и процесса проникновения струи газа или жидкости в жидкость с большей плотностью для широкого диапазона условий продувки;

- проведено теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена в зоне подогрева вагранки и количественно оценено влияние технологических, теплотехнических и конструкционных параметров на основные показатели работы вагранки;

- установлена температурная зависимость стандартной энергии Гиб-бса "тигельной" реакции 2[С] + (Si02) = [Si] + 2СО (AG° = 474,5 -

- 0,256 Г кДж/моль) и разработана методика определения равновесной температуры, по которой выполнены расчёты для различных условий плавки чугуна в индукционной тигельной печи;

- разработаны методы расчёта тепловых балансов вторичной плавки чугуна и выплавки стали в современных металлургических агрегатах, которые учитывают реальные условия протекания в них металлургических процессов;

- решена задача об определении химического состава и температуры продуктов неполного сгорания топлива в кислороде при различных значениях коэффициента расхода окислителя, а также установлены предельные значения этого коэффициента, ниже которых продукты сгорания становятся восстановителем по отношению к (БеО) при различных значениях активности этого оксида.

13. Результаты исследований были использованы при разработке практических рекомендаций, внедрённых на ряде предприятий машиностроительной и металлургической отраслей промышленности. Общий годовой экономический эффект, подтверждённый актами о внедрении, составляет 412,2 тыс., а ожидаемый — 2,56 млн. руб. по ценам 1990 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика металлургических реакций. — К.:УМКВО, 1990. —56 с.

2. Сабирзянов Т. Г. Расчет давления пара Рез04, РеО и Бе по термохимическим данным // Журнал физической химии АН СССР. — 1970. — Т. Х1ЛУ, вып. 5. — С. 1313-1314.

3. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика реакции [С] + [О] = СОг // Известия высших учебных заведений.Чёрн. металлургия. — 1971.— № 7. — С. 37-40.

4. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика реакции окисления кремния, растворённого в металле // Известия АН СССР. Металлы. — 1973. — № 6. — С. 64-66.

5. Гаврюшин В. Н., Сабирзянов Т. Г. К вопросу управления кислородно-конвертерной плавкой // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1974. — № 3. — С. 32-35.

6. Сабирзянов Т. Г. Расчёт равновесного распределения кислорода между металлом и шлаком // Известия АН СССР. Металлы. — 1975. — №3.— С. 53-55.

7. Сабирзянов Т. Г. Анализ теплообмена в зоне подогрева вагранки Н

Сонструирование и технология производства с.-х. машин: Респ. межвед. туч.-техн. сб. — 1975. — Вып. 5. — С. 77-80.

8. Сабирзянов Т. Г., Комедев М. И. Зависимость тепловой работы ваг->анки от соотношения расходов шихтовых материалов и газов // Сонструирование и технология производства с.-х. машин: Респ. межвед. туч.-техн. сб. — 1976. — Вып. 6. — С. 81-86.

9. Сабирзянов Т. Г., Козинец Л. А. Влияние подогрева дутья и содер-кания в нём кислорода на теплообмен в вагранке // Конструирование и ехнология пр-ва с.-х. машин: Респ. межвед. научн.-техн. сб. — 1976. — }ып. 6. — С. 87-90.

10. Сабирзянов Т. Г., Люльчак В. А. Математическое описание вагра-ючного процесса // Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: 'есп. межвед. научн.-техн. сб. — 1977. — Вып. 7. — С. 62-64.

11. Найдек В. Л., Перелома В. А., Сабирзянов Т. Г. Расчёт термодинамических характеристик металлургических реакций на ЭВМ // Журнал фикладной химии АН СССР. — 1978. — Т.51. — № 2. — С. 475.

12. Найдек В. Л., Перелома В. А., Сабирзянов Т. Г. К определению емпературы реакционной зоны при продувке металла кислородом : топливной защитой // Продувка ванн сталеплавильных печей кислоро-дем с газовой защитой: Сборник научных трудов ин-та газа АН УССР. — Сиев: Наукова думка, 1978. — С. 37-40.

13. Сабирзянов Т. Г. Исследование продувки жидких металлов газами / Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: Респ. межвед. на-^чн.-техн. сб.— 1978. — Вып. 8. — С. 73-75.

14. Сабирзянов Т. Г., Покивайлов А. Я., Крупка А. И. О выборе футе->овки сталеплавильной дуговой электропечи // Конструирование и тех-шлогия пр-ва с/х машин: Республ. межвед. н/т сборник. — 1978. — В. 8. - С. 76-77.

15. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика растворения углерода в жидком келезе // Процессы плавки литейных сплавов: Сборник научн. трудов ШЛ АН УССР. — Киев, 1979. — С. 52-60.

16. Найдек В. Л., Перелома В. А., Сабирзянов Т. Г. Исследование термо-щнамики процесса дефосфорации стали // Процессы плавки литейных ¡плавов: Сборник научн. трудов. ИПЛ АН УССР. — Киев, 1979. — С. 74-84.

17. Сабирзянов Т. Г., Шумихин В. С. Термодинамика процессов плав-си чугуна в индукционных тигельных печах // Процессы плавки литей-шх сплавов: Сборник научн. трудов ИПЛ АН УССР. — Киев, 1979. — 1 84-93.

18. Сабирзянов Т. Г. Влияние различных факторов на производитель-юсть вагранки // Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: 5есп. межвед. научн.-техн. сб. — 1979. — Вып. 9. — С. 62-66.

19. Сабирзянов Т. Г., Покивайлов А. Я., Крупка А. И. Влияние технологических факторов на качество стального литья //Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин. — 1979. — В.9. — С. 68-69.

20. Сабирзянов Т. Г. К расчёту параметров взаимодействия компонентов в расплавах на основе железа // Известия АН СССР. Металлы. — 1980, —№ 1. _с. 181-186.

21. Шумихин В. С., Витусевич В. Т., Сабирзянов Т. Г. Некоторые факторы снижения энергоёмкости плавки в электропечах // Литейное производство. — 1981.— № 7. — С. 3-4.

22. В. М. Мовчан, В. Л. Найдек, Т. Г. Сабирзянов. Физическое моделирование продувки жидкого металла подвижными средами // Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: Респ. межвед. научн.-техн. сб.

— 1981. — Вып. 11. — С. 59-62,

23. Сабирзянов Т. Г. Определение параметров взаимодействия по растворимости компонентов // Процессы плавки литейных сплавов: Сборник научн. трудов. ИПЛ АН УССР. — Киев, 1982. — С. 9-12.

24. Исследование причин брака по газовым раковинам на отливках из серого чугуна / Сабирзянов Т. Г., Покивайлов А. Я., Крупка А. И. и др. // Конструирование и технология пр-ва с/х машин. — 1982. — В. 12. — С. 85-87.

25. Сабирзянов Т. Г. Метод определения параметров взаимодействия Вагнера первого и второго порядков // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1984. — № 11. — С. 8-11.

26. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика расплавов "металл-кремний" // Материалосберегающие технологии литейного производства: Сб. научных трудов ИПЛ АН УССР. — Киев, 1984. — С. 154-162.

27. Сабирзянов Т. Г. К расчёту растворимости азота в многокомпонентных железных расплавах // Известия АН СССР. Металлы. — 1985.

— № 4. — С. 46-48.

28. Сабирзянов Т. Г. О влиянии некоторых элементов на активность кислорода в жидком железе // Известия АН СССР. Металлы. — 1985. — №5.— С. 40-43.

29. Сабирзянов Т. Г. К расчёту активности серы в многокомпонентных расплавах железа // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1986. — № 1. — С. 9-12.

30. Сабирзянов Т. Г. Активность фосфора в жидком железе // Известия АН СССР. Металлы. — 1986. — № 1. — С. 63-65.

31. Сабирзянов Т. Г. О понятии "раскислительная способность элемента" // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1986. —№ 3. —С. 138-139.

32. Сабирзянов Т. Г. К термодинамике расплавов РеО-СаО-8Ю2 // Журнал физической химии АН СССР. — 1986. — Т. 40, вып. 10. — С. 2574-2577.

33. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика десульфурации расплавов желе-5а шлаками // Термодинамика процессов формирования структуры литых сплавов: Сб. научных трудов ИПЛ АН СССР. — Киев, 1986. — 3. 19-24.

34. Сабирзянов Т. Г. К расчёту растворимости водорода в расплавах «елеза // Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: Респ. меж-зед. научн.-техн. сб. — 1986. — Вып.16. — С. 98-101.

35. Сабирзянов Т. Г. Активность компонентов жидких металлурги-яеских шлаков // Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: Респ. межвед. научн.-техн. сб. — 1987. — Вып. 17. — С. 87-90.

36. Сабирзянов Т. Г. О раскислении железа кремнием в присутствии некоторых ¿-переходных металлов // Известия АН СССР. Металлы. —

1988. — № 2. — С. 31-33.

37. Сабирзянов Т. Г. К расчёту активности компонентов металлурги-¡еских шлаков // Конструирование и технология пр-ва с.-х. машин: Респ. нежвед. научн.-техн. сб. — 1988. — Вып.18. — С. 97-100.

38. Сабирзянов Т. Г. Термодинамика расплавов МпО-8Ю2-СаО // Из-зестия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1988. — № 7. —

156-157.

39. Сабирзянов Т. Г. Активность и растворимость углерода в распла-зах железа // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. —

1989. — № 1. — С. 1-4.

40. Сабирзянов Т. Г. К расчёту равновесного распределения серы лежду металлом и шлаком // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1989. — № 5. — С. 1-4.

41. Сабирзянов Т. Г. К расчёту активности 8Ю2 и MgO в шлаковых эасплавах // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1989. — № 7.— С. 4-6.

42. Сабирзянов Т. Г. К термодинамике расплавов СаО-8Ю2-А12Оз // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1989. — № 9. -С. 1-3.

43. Сабирзянов Т. Г. К термодинамике распределения серы между металлом и шлаком // Процессы литья. — К.: Наукова думка, 1990. — В.2. -С. 11-14.

44. Сабирзянов Т. Г. Новая технология выплавки стали в двухванном ;талеплавильном агрегате // Инф. листок Кировоградского МТЦНТИ /КРНИИНТИ Госплана УССР, г. Кировоград, 1991г. — С. 1-3.

45. Формирование структуры композиционных электролитических юкрытий на никелевой основе при термической обработке/ В. Н. Янен-:кий, Ю. А. Гуслиенко, И. М. Федорченко, Т. Г. Сабирзянов // Порошко->ая металлургия. — 1991.— № 7. — С. 49-53..

46. Термодинамический анализ процессов, протекающих при продувке сталеплавильной ванны газокислородной струей / Сабирзянов Т. Г., Глоба Н. Й., Дворядкин Б. А., Петров А. В. // Известия высших учебн. заведений. Чёрн. металлургия. — 1992. — № 1. — С. 4-6.

47. Сабирзянов Т. Г. Расчёт распределения марганца и фосфора между металлом и шлаком // Процессы литья. — 1993. — 2. — С. 3-7.

48. Босий М. В., Саб1рзянов Т. Г., Бшяченко В. С. Термодинам1чний анал!з розкислювально'1 здатност1 неодима в розплавах зал!за //Пщви-щення техшчного р1вня с/г виробництва та машинобудування: Зб1рник нукових праць Клровоградського iH-ту с/г машинобудування. — KipoBo-град: KICM, 1996. — С. 51-54.

49. Сабирзянов Т. Г. Сучасний стан термодинамши металургшних розплав1в та и практичне використання // HayKOBi пращ Клровоградсько-го державного техшчного ушверситету. — 1999. — В. 5. — С. 221-224.

50. A.c. СССР № 190923. Заявка №1002214 от 9.04.65. Зарегистр. 15.11.66. Опубликовано 14.01.67., бюлл. №3. Способ интенсификации мартеновской плавки // Ю. С. Вильский, М. Я. Меджибожский , Т. Г. Сабирзянов и др.

АНОТАЦ1Я

Саб1рзянов Т. Г. HayKOBi основи побудови та застосування загально'1 математичноТ модел1 термодинамки металурпйних розплав1в. — Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук за спещальшстю 05.16.02 — Металурпя чорних метал ¡в.— Ф1зико-техно-лопчний шститут метал ¡в та сплавав НацюнальноТ академп наук Ук-ра'ши, Кшв, 2000.

В дисертаца представлено новий науковий напрямок у термодинампп металургшних розплав1в, який грунтуеться на концепцп одночасноТ при-сутност! у розплавг р 13них перманентно ¡снуючих мкроугруповань, що вщповщають BciM можливим в систем! формам упорядкування. Ця кон-цепщя разом ¡з запропонованим методом квазмолекул надала мож-ливкть одержати загальну математичну модель термодинамки металурпйних розплав1в. Сформульовано i обгрунтовано положения про принципову можлившть використання полшома Вагнера в межах ycie'i област1 можливих значень параметр 1в металурпйного розплаву, що дозволило розглядати вказаний пoлiнoм як статистичний аналог загальноТ моделi. Розроблено методи щентифжаца, а також методн наукового та прикладного застосування загально!' модел1 та и статистичного аналога для розрахунку розчиннос™ елемент^в в багатокомпонентних розплавах

5ашза, визначення термодиналпчних характеристик металурпйних реак-Ц1Й з використанням ЕОМ, розрахунку технолопчних параметр1в та оп-гим!заци процеав вторинно! плавки чавуну 1 виплавки стал1 в сучасних металурпйних агрегатах. За наслщками доапджень складен! \ впровад-жет у виробництво рекомендацп по шдвшценню ефективност1 IX робота.

Ключов1 слова: металургшш розплави, термодинамика, математична модель, чавун, сталь.

АННОТАЦИЯ

Сабирзянов Т. Г. Научные основы построения и применения общей математической модели термодинамики металлургических расплавов. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.02 — Металлургия чёрных металлов. — Физико-технологический институт металлов и сплавов Национальной академии наук Украины, Киев, 2000.

В диссертации представлено новое научное направление в термодинамике металлургических расплавов, базирующееся на концепции одновременного присутствия в расплаве различных перманентно существующих микрогруппировок, соответствующих всем возможным в системе формам упорядочения. Эта концепция, а также предложенный метод квазимолекул дали возможность получить общую математическую модель термодинамики металлургических расплавов, предоставляющую практически неограниченные возможности для адекватного отображения взаимосвязи термодинамических свойств расплавов с произвольным числом компонентов и любым характером взаимодействия между ними.

С целью определения возможных взаимодействий между компонентами расплава и решения задачи об идентификации общей модели пред-пожена классификация диаграмм состояния бинарных систем, наиболее полно отображающая характерные особенности взаимодействия между компонентами.

Построена математическая модель термодинамики металлургических шлаков как субрегулярный вариант общей модели. Определены все не-эбходимые параметры модели для девятикомпонентного шлака, состоящего из РеО, МпО, МдО, СаО, БЮ2, Р205, А12Оэ, Ре203 и РеБ. Указаны пути расширения круга компонентов, охватываемых моделью.

Разработана концепция интерпретации и применения полинома Вагнера как статистического аналога общей математической модели термодинамики расплавов, в рамках которой сформулировано и обосновано

положение о возможности использования этого полинома для математического описания термодинамических свойств многокомпонентного расплава при любом возможном его химическом составе и температуре. Разработаны методы определения энергий смешения и параметров взаимодействия, раскрыта их внутренняя взаимосвязь. Построены графики периодической зависимости параметров взаимодействия водорода, углерода, азота, кислорода, алюминия, кремния, фосфора и серы с различными элементами от порядкового номера последних. Графики охватывают практически всю Периодическую систему элементов и позволяют уточнять имеющиеся значения параметров взаимодействия, выявлять ошибочные и сомнительные данные о них, а также прогнозировать отсутствующие значения этих величин.

При использовании общей модели получены соотношения, позволяющие с удовлетворительной точностью производить расчёты по термодинамике растворения углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора в многокомпонентных расплавах железа при любых реальных условиях. Разработана общая схема расчёта равновесного распределения различных элементов между металлом и шлаком при любых возможных составах этих фаз и температурах. Проанализированы существующие трактовки понятия о раскислительной способности элемента и предложена строгая формулировка этого понятия. На примере влияния хрома на раскисление железа кремнием показано, что оксидная фаза может оказывать решающее влияние на равновесную активность кислорода в металле при его раскислении.

Заложены научные основы компьютерного расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций для широкого температурного интервала, на котором реагенты претерпевают фазовые превращения или переходят в растворённое состояние. Разработана и внедрена в практику научно-исследовательских работ и в учебный процесс методика расчёта термодинамических характеристик металлургических реакций с использованием ЭВМ. Программа расчётов составлена на машинных языках ЯАП "Наири", FORTRAN и BASIC. При помощи данных, полученных расчётом на ЭВМ, а также результатов выполненного анализа процессов растворения реагентов в жидком железе определены надёжные термодинамические характеристики для ряда важных металлургических реакций.

При использовании общей модели выполнены прикладные научно-исследовательские работы, в которых составлено и решено дифференциальное уравнение теплообмена в зоне подогрева вагранки, с помощью которого произведена количественная оценка влияния различных факторов на основные показатели ваграночного процесса, что позволило значи-

гельно улучшить работу вагранки; установлена температурная зависимость стандартной энергии Гиббса "тигельной" реакции, использованная при составлении рекомендаций по рациональному температурному режиму плавки чугуна в индукционной тигельной печи; разработаны методы расчёта тепловых балансов вторичной плавки чугуна и выплавки стали в современных металлургических агрегатах, учитывающие реальные условия протекания в них металлургических процессов, а также решена задача об определении химического состава, температуры и окислительно-восстановительной способности продуктов сгорания метана в кислороде при разных коэффициентах избытка окислителя, что позволило усовершенствовать технологию выплавки стали в двухванном сталеплавильном агрегате. Результаты прикладных исследований внедрены на ряде предприятий машиностроительной и металлургической отраслей промышленного производства со значительным экономическим эффектом.

Ключевые слова: металлургические расплавы, термодинамика, математическая модель, чугун, сталь.

ANNOTATION

Sabirjanov T.G. Scientific fundamentals of construction and application of the general mathematical model for the metallurgical melts thermodynamics. — Manuscript.

The dissertation for defending the degree of Doctor of Technical Science on the speciality 05.16.02 — Ferrous metallurgy. — Physico-Technologycal Institute of Metals and Alloys of NAS Ukraine, Kiev, 2000.

The work represents a new scientific trend in the thermodynamics of metallurgical melts, based on the conception of the simultaneous presence in the melt of different permanently existing microgroupings that correspond to all regulating forms possible in a system. This conception and the suggested method of quasimolecules made it possible to get a common mathematical model for the thermodynamics of metallurgical melts. The statement of the principle possibility to use the Vagner's polynom inside the range of all possible metallurgical melt parameters is formulated and grounded that allowed to consider this polynom to be a statistical analog of the common model. Identification methods, methods of scientific and practical application of the common model and it's statistical analog to calculate the element solubility in multicomponent iron melts, computer methods to determine thermodynamics characteristics of metallurgical reactions, and methods to calculate technological parameters and to optimize cast iron second melting and steel-making processes in modern metallurgical aggregates are worked out. The

recommendations on increasing the operation efficiency of metallurgical aggregates have been developed and applied in industry.

Key words: metallurgical melts, thermodynamics, mathematical model, cast iron, steel.

Подписано в печать 27.01.2000. Формат 60x841/16. Бумага-тнпогр.

Напечатано на ризографе. Услов. печ. лист. 1,75. Зак. № Ъ/ 920/2000. Тираж 150 шт.

© РИЛ. КГГУ. г. Кировоград, пр. Правды, 70-А, тел. 597-541, 559-245, 597-551.