автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка физико-химических и математических моделей окислительно-восстановительных процессов черной металлургии на основе неравновесной термодинамики

од

ЛШПСТЕРСТВО ОСВ1ТИ УКРАГНИ ДЕРЖАВНА Л1ЕТАЛУРПЙНА АКАДЕМ1Я УКРАТНИ

На правах рукопису

КАМК1НА Людмила Володимир1вна

РОЗРОБКА Ф13ИКО-Х1М1ЧНИХ ТА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ОКИСЛЮВАЛЬНО-ВЩНОВНИХ ПРОЦЕС1В ЧОРНОТ МЕТАЛУРГП НА ОСНОВ1 Н Е РIВ Н О В АЖ Н О! ТЕРМОДИНАМ1КИ

СпецЬльшсть 05.16.02 — «Металурпя чорних метал1в»

Л и т о р е ф с р а т

дисертацп па здобуття паукового ступени доктора техшчлих наук

Дшпропетропа.к, НШВ

Дисерташя подана у форм! рукопису

Роботу виконано на кафедр 1 теорп металург 1йних процес1в Державно! металург1йяоI Академ 11 Укра1ни Науковий консультант, доктор техн1чних наук, професор Яковлев Ю.М.

Сф1ц1йн1 опоненти: Академ ik HAH Укра1ни,

Доктор техн1чних наук, професор M.I. ГАСИК

Член.-корр, HAH Украгни,

Доктор технгаих наук, професор В,0. ПЕРЕЛОМА

За служений д1яч науки Украгаи,

Доктор Т8хн1чних наук, професор е.О. КАЗАЧКОВ

ПровШа орган 1зац1я - Запор 1зька державна шкенерна Академ 1я

Ззхист в1дЗудеться " ot " jCCC/CiCS 1996 р. о ¡Ж годин 1 на зас1данн1 сшц1ал1зовано1 ради Д 03.11.02 - "МеталурПя чорних мета-л1в" по захисту дисертащй на здобутгя вченого стушня доктора техя1чних наук при Дэржавн1Й металург1Ян 1й Академ 11 Укра1ни за адресом: 320S35, Дн1пропетровськ, пр. Гагар1на,4.

3 дисертац1ею могао ознайомотись у б1блютец1 Дэржавно! металург Ш-но! Академ! 1 Украйи.

Автореферат розослано

Вчений секретар сшц1ал1зовано! ради, доктор техн 1чних наук, про«

.К. ЦАПКО

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальнють проблеми. Забездачення передового р1вня рсзвитку ме-тадурпйного виробницгва в Украш1 грунтуеться на суттевШ реконструк-цп, техншному дареоснащеннI 1 оновленн! основних фондт та структурой перебудов1 чорно1 металургп. Це потребуе розробки та використання налов 1дходаих та еколопчно чистих технолог ших'продаст для комплексного та биыа повного видобування корисних компонент 1в з вих1дво1 сировини. В цьому ж ряд1 сто1ть задачапошуку шлях1в стабшзацп ходу процесу при непост1йному складу шихтових матер !ал!в та нер!тм1чност1 1х поставок, як1 склалися останнм часом.

Вдосконалення Д1ючих та -створення нових технолог 1чних продаст повинно супроводауватась розробкою в1дпов1дних 1нформац!йних технолог¡й, систем автоматизованного контролю та управлшня процесами, що здШснв-еться шляхом створення детерм шованих математичних моделей, адекватних реальному процесу. Створення таких моделей можливо на основ! комплексних ф!зико-х1м!чних дос.идаень з залученням фундаментальних положень нергв-новажно! термодинам 1ки, кшетики, Ндродинам1ки тепло- I масообмшу та лопчного 1 математичного опису основних законом 1рностей.

Таким чином одним з найваждивших та актуальных завдань теор! металурпйних продаст, рнлення яккх мае важливэ науковэ та народно-•господарське значения б створення адекватних ф!зико-х1м1чних та метема-тичних моделей металурпйних продаст на основ! нертноважно 1 термодана-м!ки, кшетики, г1дродинам!ки, тепломасообшну, глибокий анал1з процес!в 1 розробка рекомедацШ по огггш1зацп та шдвишэння !х ефективност 1. Работу виконано на кафедр: теор! металурпйних процес1в Державно! мэта-лурпйно! Академ II Укрэши.

Мета роботе, Теоретична обгруитуваняя 1 синтез детермШованих моделей металурпйних,продаст на основ! анал1зу нэртноважностI основних реакц!й, досл1даення к!нетшш сун1сного окисления та в1дновлення елемен-Т1в, тепломасообм шу при взаемодп тверда та рщких фаз з метою досл1д-жэння, управлшня 1 оптом 1заци техйолоПчних режим!в.

Для досягнення поставленно! мети виршувалисъ так! основн1 задач!:

- на основ 1 узагальнення наявних експзритггальних та виробничих даних про склад металу I шлаку, як! утворюються в р1зних окислювалыго-вшовних металурпйних процэсэх, р!зноман!тн!сть яких в багатьох випад-ках мох-е бути описана системою Мп-21-о-с, вибрати метод оцкпеи та провести анал1з нертнозажност1 основних реакцШ, як! регулюють розпод1л елементш м!ж реагуючими фазами та побудувати статичну детерм шовану модель виплавки маргандавокрекн1евих сплав!в;

- ексдариментально визначити величини поток1в вуглецю при сум!сному

в1дновлвнн I кремн1ю 1 марганцю та розрахувати на основ 1 ф!зико-хшчно1 под1бност1 потоки кисню при сум юному окисленн! кремнш та .марганцю.

- оцщити завершешисть продаст тепломасообмту при рюних видах взаемодп м1ж твердями та р1дкши фазами, що мають м!сде при вуглецево-терм!чних в 1ДНОВНШС процесах;

- розробити методику побудови динам гаих моделей стащонарних не-ртноважних продаст та синтезувати дэторм шовану данам 1чну модель про-цвсу одержання маргандевокремнтвих сплав1в на основ! одержаних даних про нертноважнють основних реакцш процесу розподод поток1в речовин, внеску р1зних видт тепломасообм 1ну;

- досл1дити методами математичного моделювання нертноважнгстъ, виробнидгво ентропп та умови саморегулювання металлург 1йних продаст.

Наукова новизна. Розвияуп основн! положения'термодинам!ки нертно-важних необоротних ф 1зико-х 1м 1чних продаст для аналту реальних окислю-вально-в!дновних процест чорно! металургп.

Експеримбнтально встановлено, що нестацюнарний стан оксидного роз плаву Мпо-2т2при в1дновленн1 тверди« вуглецем • реал!зуеться таким чином, що розглядаемий термодинам 1чний продес утворювання металу набли-жаеться до ршноважного.

Втрша визначен1 величши киснових по'юнц1ал1в в систем! метал-шлак при р1зних металург 1йних процесах. При виплавщ сшкомаргандю в ванн1 ферросплавно 1 тач1 мшмальнйй кисновий потенц1ал мае 5Ю2, в зв'зку с чим кремнш визначае розпод 1л елементю м1ж шлаком та металом.

Розроблена методика вдоначення складу металу, р1вноважного 31 шлаком в1домого складу 1 складу шлаку, ршноважного з металом в1домого складу для стацюнарного стану пронесу у В1дкрит1й систем!, що дало можлив 1сть розрахувати стешнь в!дхилення в1д ртноваги реакщй вуглеце-терм1чного в 1дновлення мпо I бю2 1 с 1л 1котерм 1чного вцщовлення Мпо. За величинами степ!Н1 Ыдхилання в1д р!вноваги одержан! вирази для визна-чення нершноважних реальних коеф1Ц1ент1в розпод 1лу елемешчв мш шлаком 1 металом.

На основ1 нершноважних реальних коефщтнтт розпод1лу елемент 1в м1ж шлаком 1 металом створена дзтермшована статична модель одержання сшкомаргандю, яка адекватна виробничим умовам по параметру стедан1 в1дхилення В1д р 1Бноваги реакц 1й, матер 1 альним та тепловим балансам.

Вперше проведено з1ставлення повноти завершения р!зних вид1в масо-обмод мин твердимй та рщшми фазами 1 показано, що лров1дну роль в масообмш1 в!д!грае спкання р1дких пяток металевих та щлакових розпла-в1в по кускам твердо! шихти, для яких повнота завершения,на 1-2 десятич-них порядка вща, н'ш в крзплях I в шаров !й взаемодп металу та шлаку, а

пл1вки металу, як! ст1кають по грудкам коксу, насичуються вуглецем.

Для побудови динам 1чно1 модел I зроблена замша координата часу координатою висоти, при цьому стацюнарний стан по часу для вибраних точок розглядався як нвстацюнарний стан по висоть

Вперше на основ 1 одержаних даних го термоданам :ц1, кшетиц!, г!д-родинамЩ1 та тепломасообм1ну синтезована детермшована динам1чна модель процесу одернання сШкомарганщо. Математичне моделювання показало, що нетал р!зних точок по висот1 печи в р!вноважним з шлаком в тих же точках. При перем 1шуванн1 р!зних порц1й металу утворюетьсл нергвноважяиЯ метал, в якому bmict Мп вице ргановажного, a si нижче р шноважпого. В ванн1 печ! за рахунок знихення температури металу bmict si стае вида р!вноважного з! шлаком ванни печ г.

Виконано знал!з процесу зневуглецьовування t показано, що вс! лая-цоги процесу далек! в!д р1вноваги 1 знаходяться в нел!н1йн1й облаетt. При,цьому виникае саморегулювання процесу зневуглецьовування, суттю яко-го s пэрерозпод1л потенц!ал!в кисню в середин 1 системи при змшенн! опору одного з ланцюпв, таким чином щоб максимальна тх р!зн1сть залишалась пост 1йною, а сума поток1в кисню дор!внювала загальному потоку, який над-ходить до системи.

Впершэ показана кожливють використання ф1зико-х!м1чно! шд!бност1 для створення динам 1чних моделей 1 досл!дазння моталурпйних' процесЗ.' Визначальним кртггергем ф 5зиКо-х 1м 1чно t под1бност1 е число Дамкалера, а розпод 1л поток 1в кисню Н1ж элементами, що окислиться, пропоршйно величинам в1дпо81дних чисел Дамкелера по кисню.

■ Практична значимость 1 реал1защя робота. На основ! досл1даеннь вшилення систейи кетал-шлак В1д plBHCBani та анал1зу процессу одеркан-пя марганцэвих сплав 1в на дзтерм шован !й -динам 1чн 1й модел 1, розроблэн! та ввдан1 рекейепдацп -по orrr/л 1зац 11 pesan 1в процесш одерааяня марганцевих сплав ib, як 1 забезпзчують стабшзацгю ходу процесу та Шдвищеяня видобуття елекепПв з сихги. Розроблен! програмн! засоби по управлшнга проц&сом виплавки марганцевих сплав1в в режим 1 "Радник майстра* передан 1 BÁI НЗФ, що дозволяе в виробничих умовах при нестаб1льност1 склад 1в ппга-тових матер1ал1в та нерitm!чност1 поставок оперативно корогувата склад шпти на плавку. Час л1чення складае 10-15 сек.

На Дншровському металурпйному комб1нат! використовуеться прбграма для ПЕОМ " Прогнозуюча динам 1чна модель киснево-конвертернэ-l плавки", в основу яко! закладэн! прияципи ф ¡зико-x 1М 1чно I лод1бност1 та саморегулювання сталеплавнльних процес!в.

Ряд теоротичних узагальнень досл1дних даних по кинетиц!, термодинам Щ1, пдродинамЩ! та тепломасообм 1ну при окислювальних та в!дновних

. 6

процесах використовуеться в учбовому процес1 в ДержавнШ металург1йн1й АкадемП Укра1ни при п1дготовц1 студенпв за спац1алън1стю 7.090404 "Ф1зико-х1м1чн1 досл1даення металург1йних процес1в" при чиганн1 лекщй та проведенн! практичних занять по курсам "Теор1я металургйяих процесс", "Нов1 металург 1йн1 прошей", "Моделювання 1 оптиШзащя металур-Пйних процесШ", "1еор1я окислювальноI плавки", "Теоретичн! основи одержання метал 18 1 сплав1в".

Теоретичн1 розробки та практичн! результата дисертаЩйно! робота реал!зован1 в в1дпов1дност1 з задачами, як1 поставлен! Всесоюзною м1ж-вузйською комплексною шльовою програмою "Метал", яка затвердаена наказами МШвуза СРСР Л 452 В1д 12.04.1982 р., № 599 В1д 18.07.1986 р. Шифр завдання 05.1у7.01; региональною комплексною щльовою програмою "Сталь" (розди 2 "Марганець") на перюд 1980-1985 р. ; державними науково-техн1чними програмами по ПрЮритетним напрямкам розвотку науки 1 техн!-ки, наказ № 15 в1д 10.03.1993 р. та наказ 1в М1н1стерства осв1ти Украши Я 68 в !д 31.03.1992 р., Л 39 в!д 05.03.1994, № 64 в1д 30.05.1995.

АггробаЩя робота. Основн1 науков1 положения 1 практичн! результата робота були юв 1домлен I 1 обговорен 1 на 24 мшнародних та всесоюзних конференциях, в тому числ1 Всесоюзна. конференц!я "1ердадинам1ка, к1-нетика т1 механ1зм газовуглецетерм 1чногр вЩновлення метал 1в та сплав 1в 1 технолог 1чнI основи цих процес 1в. (Дн1проютровськ<лигонь, 1975 р.), Перш1й та трет1й нарад! "Металург1я марганцю" (Москва, лютий.1975 р.; Москва , березеиъ,1331), науковий сем Шар "Отруктури фаз та процеси ВЩ-новлення елементШ в твердих та рщеих системах" (Москва, листопад, 1976), на 2-1й - 6-1й конференщях феросплавщик ш Украйи (Дн1пропет-ровськ, 1975, 1978, 1981, 1982, 1985), конференцп "Дифуз1я, сорбщя та фазов! перетворення в процесах в1дновлення металт" (Москва, листопад, 1978), симпоз1ум "К!нетика, термодинам 1ка 1 механ!зм процесШ в 1дновлеЯ-ня" (Москва, жовтень, 1986), 2-е нарада " Бази ф1зико-х1м!чних та технолог 1чних даних для оптим1зац11 металург1йних технологШ (Курган, жовтень, 1990), X конференщя "Ф!зико-х 1м 1чн! основи металург 1йних проце-с1в" (Москва, червень, 1991), 5-а конференщя "Тепло та масообм1нн! процеси в ваннах сталеплавильних агрегат1в" (Мар1уполь, вересень,1991), нарада "Моделювання ф1зико-х1м!чних систем 1 технолог 1чних процес 1в в ме-талург! I" (Новокузнецьк, жовтень, 1991 ^);М 1янародн I: конференщя "Сучасний стан та перспективи розвитку елеетротерм1чного виробницгва" (ДнШропет-ровськ, травень, 1994), МИ конференЩя " 1еор1я та практика киснево-конверггерних процес 1в" (Дн1пропетровськ, жовтень, 1994), конференщя "Сучасний стан та перспективи розвитку електротерм!чного виробництвэ кольорових металл 1в феросгцавШ та шших неорган 1чних матер 1алш" (Дй1-

пропетровськ, травень, 1994), конференщя "Теор1я 1 технолог1я аглодоме-ного виробництва" (Дп 1пропотровськ, травень, 1995 ), конференщя "Чорна моталург 1я Pocll 1 крат СНД в 21 стол1ттГ (Москва, червень, 1994), 1-3 конгрес сталеплавильщик 1в (Москва, жовтень, 1992; Липецьк, жовтень, 1993; Москва, кв1тень, 1995), конференщя "Теор1я та практика елоктро-термп феросплав1в" (Шкоголь, кв1тэнь, 1996).

Основа! положения, як! винесенI автором на захкст:

- методика визначення реальних (нер!вноважних) коефЩ1ент1в розпо-д!лу элемент1в мш взаемод летами вщкритими системам! метал, шлак та газ при 1х стацю.нарному стан1 на основ! величин стешн! В1дхилення в1д р!в-новаги реакцМ, rati можлив! мт системами; .

- детерм!нована статична модель процесу одержання с шкомарганцю при стащонарному стан1 процесу, яка побудована на основ 1 нер1вноважних реальних коефЩ1ент!в розпод!лу елементш м1и реагуючими системами метал, шлак та газ;

- анал1з основних вид!в тепломасообм1ну мм реагуючими системами у зонах плавл 1ння та вютовлення руднофлюсово I шихти, ошнка повноти ix завершения та визначальна роль процест тепломасообм 1ну у гшвках перед пше.я Кого видами;

- ф!зико-х!М1чна под1бн!сть окислювалыю-в 1дновних металург !йних процесив та його використання при опису розтешлу потоку вугледа мш элементами, що вщновлшгься, та потоку кисню М!ж дом Никами, що окислю-ються при побудов! дэтерм тованих динам1чних моделей;

- детермшована динам1чна модель процэса одершання шликомарганцо, яка синтезована на основ 1 даних про шр!вноважн!сть головних рэанцш, к шеищ 1 вуглецетерм!чного в!дновлення оксидних розплав!в та тепломасообм 1ну мш реагуючими системами;

- результата обчислювального- эксперименту з використанвям розроблэ-но! динам 1чно1 модэл1 по визначенню зв*язк1в температурних пол!в, жвид-костей шавл1ння. та вщювлання оксид 1в . вуглецем, товщини коксового шару, складу шлаку 1 металу» як! утворшгься по переб1гу процесу, та змшення ф!зико-х1м1чних.характеристик стану системи метал-шлак у ванн1 пэч1 з головними факторами процесу.

публтацп. Основний змют дисертацп опубл1ковано в II стаггях " в журналах, в 15 науково-тематшших зб!рниках 1 13 статтях в працях йонфэ-рэнцп, всього 39 наукових роботах, а такоа 27 тезах доповвдей на конфе-ренщях, як! не ввшшли в список праць, що додаеться.

- Структура та обсяг робота. Дисертащйна робота складаеться з всту-пу, 6 глав, заключения та прикладепь. Викладена на 2G2 стор!нках машинописного тексту, 109 рисункт, список використано! Л1тератури з 209 най-

'менувань.

Конкретний особистий внесок дисертанта в наукову розробку.

Ексдариментальн1 та теоротичн1 досл1даення, як1 увШшли в дисерта-ц1йну роботу, виконан 1 автором сум юно з спшробтшками №тАУ, ВАТ НЗФ, 1ЧМ АН Украпщта 1нщих орган1зац1й при актива м участ! автора або шд його кер1вницгвом. Результата опублпсоваш в сшвавторств! з ними. Узагальнення результат 1в роб1т проведено автором самостШно. Основы I , 1дэ1 робота та методика IX здШснення належать автору,

Особистий вклад автора полягае у розробц! теоретичних основ, синтезу детерм 1нованих матсматичних моделей металург1йних процэс1в на 'баз I використання комплексу основних положень нерШюважно! термодинам 1ки ф!зико-хш1чних процас1в, г!дродинам 1ки, тепло- 1 масообмшу; ртвореян1 статич-них та динам 1чних моделей окислювально-в1дновних металург1йних прочес1в та використання 1х для досл1даення та аналшу з метою оппвд1зацп технолог 1чних параметр1в, як! забездачують стаб!льний Х1д процесу та його висок 1 технолог 1чн1 показнйки.

Вважаю свош обов'язком.з глибокою вдячнютю визнати» - що р1шення дано! проблеми було'начато п!д кершницгвом Заслуженого д!яча науки та технпш Укра!ни, доктора техн1чних наук професора Ростовцева Серпя Тихоновича.

Автор щиро дякуе професору, доктору техн 1чних наук Яковлеву - Юр1ю Миколайовту, свош колегам по робот 1, сп!вроб1таикам Никопольского заводу феросплавт, Запор 1зького заводу феросплав 1в за допомогу в прове-дэнн! досл1дюнь, яки узагальнен? в дисертацп,

' ОСНОБНИЙ ЗМ1СТ Р060ТИ ,

В встуш дэеться загальна, характеристика робрти, визначааться И актуалыпстъ, мета та основн1 положения, як} .виносяться на захист.

У перш!й глав! "Використання • термодинам1ки необоротних ф1зико-х1М1чних процэст для анал!зу, моделювання та доыидаення продаст чор-. но! металургп" обгрунтовуеться необх1дн1сть термодивам1ки необоротних ' (нер 1вноважних> процэсШ при ьивченЕ1, металург Шних процасЪ. Визначбно, що ф 1зико-х1м1чн! процэси в промйслових агрегатах можуть . прот 1кати в стад юнарному стан 1 (доманн 1 та деякГферосплавн! процэси) або в неста- . товарному стан1 (дарюдачн? сталеплавильн 1 та феросплавн 1 процэси). В тому та 1ншому випадку ш процэси можуть бути описан1 анал1тично на. шдстав! р!внянь переносу речовини, тепдообмшу: 1 пдроданамики, з ура-хуванням нер1вноважност1 реакцШ, як1 прот1кахш> в реагуючих системах.

Наводятъся основн 1 поняття та уявлення нерщноважно! термодинам1ки, в як!й розргзнюють лш1йну нер1вноважяу термодинам 1ку, використання яко1 можливе 'при дотримуванн 1 умови м/«т|<< 1, (л - х!м!чне спорцдаення)

н0л1н1йву, для яксн \a/rti l>i. Остання, по визначенню I.P. Пригожина, е по сут1 термодинам тою х 1м 1чних реакцШ. Далек! в!д р!вноваги в!дкрит1 ф1зико-х1М1чн! системи мають здатнють до самоорган 1зацII (саморегулю-вання). '

Для розрахунку х1м!чного спор1днення Zvtat=2VjB| використано вираэ 1зотерми х1И1чно! реакцп

ДО

Г- rt In К + rt In npVt / |-|pVi 1 М. , (I)

I. P в' a' J

B'i

де Mn/v=l - х1м1чна перем1нна ado степшь повноти- реакцп. В свою чергу, -AG, дэ л^ - х!М1чне спордаоння. 8а вираз спордаення реакцп прийнято лг= • ДО - х !м 1чний потенщал ц°+кппсм/с°, - стандартнэ значения х1м!чного потенщалу; с° - стандарггна концент-ращя, cfe - мольна концентращя частинок вида k.

Для розрахунку балансу ентропи використано р1вняння ds/di=das/dn-d^s/di, дэ d^s/di швидк!сть приросту ентроп! I ВНЭСЛ1Д0К массообм 1ну з навколшзнм середовкщем <пот1к ентропи hdjSVdt - швид-кють прирощення ентропи за рахунок процэст, що прот!каюь у середин! системи (виробницгво ентропи). .

В основу синтезу матеглатичних моделей метэлург 1йних процэст покла-дено комплекснкй иатематичний та лопчний ошс якюних та к1льк!сниз зв'язк1в м1и об'ектами систеш на основ 1 закон !в чи уявлень газопдроди-нампш, тепломасообм!ну, хтгчногкшетики та тераодшамики нершноваж-них (необоротшя) ф!зкко-хш1чния продаст. Зэ ф1зико-х!м1чну модель процэст, що вивчаоться, прийнятий як1сний та к!льк1сний опис ф1зичних та ям 1ЧНЩ продаст, що проттають у взаёмодиочих вщсритих системах.

У другШ глав! "Анал1з нертновзжност! системи штал-шлак у ванн1 печ1 та розробка статично! модэл! виплавки стшкомарганщо" наведен! дап1 з анализу нер1вновгкност1 системи кетал-шлак у ванн! шч!, зв!Д1с1ля над-ходить наЙ01льш регулярна Шформащя про х1д процесу. Дан! по вЩилэнню ще! систеш в1д р1вноваги були наведен! у вйгляд! рэальних (нер!вноваж-них) коеф1ц1ент!В розпод!лу елекентт ми шлаком та металом в функцю-нальному зв'язку з складом мзталу та шлаку. Для розрахунку ртноважних та рэальних склад IB кеталу та шлаку при стаШонарному процес! в!дом! дан1 по активностям компонент!в металево! та шлаково1 фаз були наведей1 виражзннями, аналог 1чними залэжностям коеф!Ц1ент!в активност! через параметра взаемодш, як1 для систеш Kn-si-c мають вигляд: <■

т. p. q.

gbt+"t»s^si^Хн^Р^еХс+я^т. або ltb=bxsxMn *с *

Аналог 1чно виражались коеф1Щенти активност 1 компонент 1в шлаково!

фази

Tí» = bi*SiO„*HnOB

Л К

(3)

tMtü + CSÍ02)

(a).

Дв В = (%CaO + %MgO)/(%SlOi)~ OCHOBHlCTb ЮЛЭКу.

За основы! прийнято сумарн! реакцп (МпО) + с CSi02)+ 2С = tSil + 2С0(б), (МпО) + tsil = tMnl + (SiOa)(B).

Р1вноважний стану систем! si-Mn-o-c на меж! метал-шлак досягаеться при визначених значениях п'яти величин; мольних часток компонент1в у

метал! та шлаку х-

и

-»и- *1СЛ„о> И *,а1о стащонарному

npoupc 1 для 1х обчислення е тиьки 4 р1вняння: два р!вняння констант

р1вновагй, р1вняння балансу компонент 1в у метал! хШп] + X(Si)+ xtc) = I

та р1внення балансу компонент !в у шлакуt x,Mnm+xtsio ,=1. При наявносп

" г

у шлаку Cao, р !вняння балансу компонент!в у шлаку мае виг ляд

(4)

де ви= x(Cao/xlsío >■ в з'язку з цим вирвдвались дв! задач!: визначен-2

ня складу металу, р1вноважного з шлаком в!домого складу та склад шлаку, р1вноважного з металом в1домого складу. .

Результата розрахункш фактичних кисневйх лотенц1ал!в, визначених по виразу ф (=ррг-ро°=кт1пРог для системи шлак-метал у ванн 1 печ I наведен i на рис. I. Кйснев1 Потенц1али зростакяь в напр ямку si0z,Mn0, со. А1го3, p2o5,Feo, найб!льшу Ъкислювальну здатнютъ мае Feo, а наймен-шу sio2. Haití !льш1 в1дновн1 можливост1маекремн1й, вш фактивно визна-чае склад металу та шлаку в ванн 1 шч1 1 прийнятйй як аргумент.

—----------—_______—-------.J- Рис.1. Значения величин кисневих

потенц1ал1в в ванн1 феросплавно! печ1 при виплавц! сшкомарганцо.

к §

-300

-500

-600

г-400'1 "" : г Встановлено, що фактичний вмют вуг-

леця значно нижчий р1вноважного з шлаком, але в. той же час шревицуе розрахунков! значения вуглеця наси-чення. Металу при темшратурних умовах ванни. В1даошнвя фактичних до ртно-0.5 важних концзнтрац1й кремнйо з ростом його вм!сту в метал 1 зростае,. для марганцю зменшуеться, нав1ть для малого, вмюту кремнш; де в1дхклення близъке до I. .' • .

СтепШ! вщилення реакцШ в1д р1вноваги (íg/rt) для реакцШ (а) -(в) наведен! на рис.2, з якого виходить, що реакцп (а) та . (б) зсунут?

0.2

праворуч в!д piBHOBará, а реакц!я (в) - л1воруч в!д р!вноваги.

к

I

<3

о

-6

а ^ ÍSn* -v.

«а«-«

Рис.г. Задежн1сть розрахункових (пунктир) та досл1дних (сущльна лпш) значонь в 1дхил0ння вш р1вно-ваги реакцШ (Si02)+ 2 С = tsi) + 2СО (MnO) + [Sil = [мы

(Mn0)+c=tMni+(Si02J (а),

(б).

cSio2>

(в).

В умовах ванни теч1 реакцп (а) I (б) е необоротними. Для реакцп (в) величина Ag& в1д'емна, bmict кремн!ю в метал! виде р1вноважного з1 шлаком, а марганцю нижщэ ршноважного 1 склад сплаву визначасться т1льки прот1канням mel реакцп, Фактичн! концентрат I МпО у шлаку вмвэ р1вноважних и цэ в!дцалення В1д ртноваж-них bmictIb мпо там б1льше, чим б1льше x[sij у сплав!. Для Si02 шлаку це в!дношення близьке до I, але нижче I 1 не мае тенденцп до зб!льшення з

0.3

0.4

0.5 0.6

Прогнозування реального складу шлаку, що контактуs з металом в!до-мого складу, проводили по величин! степ!н1 вдаилення В1д р1вноваги реакцп (в)

Agb/rt<„, <*,su>„>„ iS в к • <5>

прогнозуеться.

гг г

де !ндекс г вказуе на розрахункову або корцентращю, що

Зм!нення Ag„/rt=íw />, як функцих . надасться залежнютю, що одер-

u St (S13 4

жана статастичною обробкою дослгдних даних

1-0.867 expl 7.269 х )) 1^= -(10 Sl ), r=0,923 (6)

3 урахуванням одержано! залежност! (6) ртняння (5) шретворюеться

на р!вняння

ИХ >

°IMnl Q(SiO ) aíMr.O> кв

2 Г Г

(7)

Сум1сне виршення р!внянь (7) та (4) дае змогу прогнозувати реа'ль-ний BMicT Mno, sm2 та Cao у шлаку, в1ддов1дний металу вдамого складу. Одержан i дан! дозволили визначити нер1вноважн1 коефЩ1ентарозпод!лу si 1 мп М1ж шлаком та металом. Аналогично були розрахованг нер[вноважн1 коефЩ1енти розпод!лу для Fe. ai. р. s mis шлаком та металом, а також Mn, sí р. s мш металом i газовой фазою.

На шдстав! о держаних результат ib визначення нер !вноважного розпо-

д!лу еломант1в М1ж мотэлом, шлаком та газовою.фазою була побудована статична доторм1нована модель, яка являе собою систему'л1Н1йних та нел!Я1й-них р!внянь матер1ального та теплового баланс1в. В основ! модел! закла-ден! р!вняння баланс1в елеменПв через нер!вноважн1 коеф1ц1енти розпод1-лу , < в Б!. Мл, Ге. Р, Б. Л1, где ь{ -.

кооф 1ц 1 снт парорзхунку, , ~ крата 1сть шлака. .'

Для чисельноI.реал1зац11 модел! була складена програма для ПЕОИ 1ВМ '• рс/хт на алгор1тм1чн1й мов1 оуск-вазгк. Час лмення не пере вершу с 15 с. Перев1рка адекватносп розроблено! статично! модел 1 виробничим умовам зроблена по параметру вшилоння в1д р1вноваги (Ас/кг» реэкЩй (а), (б) та (в). Результата розрахуик1в за даними промиславих плавок 1 моделювання наведен 1 на рис. 2. Близкють розрахункових та промислових даних ■ величин Лс/кт для позначених реакЩй св!дчить про достатньо високу на'д!й-Шсть розроблой! модел! для розрахунку основних показшшв процэоу по вих1дним даним.

У трет!й глав! "Доел 1дтення кшотики сум 1сцого в!днрвлення кремн1ю 1 мзргавдо з окисних розплав!в" описан 1 лабораторн! досл1даення по к!не-Пг!Ц1 сум Юного вЮТовлення 1 Мп вуглешм. Досл1даувався вплив складу шихт, к!лькост 1 1 типу в!дновника, грану'лометричного складу вих1дёих оксид 1в та вЮТовника та IX брикетування. Як в!дновник використовували граф 1т, деревне вугшя та вуглець граф1тового тиглю. Продукта . в!днов-ления шддавались Х1м1чному, петрограф ¡чн'ому 1 м 1крорентгеноспектрально-му анал!зу. За результатами .досл1даення була запропонована ф!зико-Х1м1чна модель сум юного вщновления кремн1я 1 маргащя вуглецем з ви-х 1дних шихт мп-51 -о. в основу 1! покладен1 наступи! уявлення: взаемод1я труднов 1дновних оксид 1В з твердим вуглецем при ваяв1 в вих1дя!й . шихт1 кремнезему в!дЗуваеться з сШкатних розплав!в, в яких швидкост1 с1л!ка-тоутворення значно вигоредаукггь швидкють в!дновлення. Головнз роль на-' лежигь б1льш легков1дновлюваному Мп, який полегшуе в!дновлення на-В1ть в умовах утворення с1Л1катного шлаку та збагачення його кремнеземом по ходу вщювлення.

Даними петрограф1чного та металограф1много вивчення продукт1в част-ково в 1дновлених шихт мольного складу (Мп(Нбю2) 1 (2Мпо+зюг) показано: двохфаэ.нють утворено! металево1 фази, в склад 1 яко1 визнэчен! силщид Мп та карб!Досил1циди типа (Мп с ) та (мп с ,51 ); з'яв-лення кристобал!ту при ступенях.в.даовленяя, як! Б1дпов!дать переходу складу шлаково1 системи через межу розчишюсп у ход1 в1дновлення;-заявления карбиду кремн1я в значних к!лькостях в умовах накопичення кристо-бал1та в систем 1;вид!лення надаирного вуглеця у вигляд! 1раф 1ту, при тве-рд1НН1 металу.

Мохан 1чне роз'еднання основних оксидт марганця та кислого оксиду кремнпо в шихт 1 дозволяе знизити швидкють сил 1катоутворення та иггенси-ф!кувати.в1дновлення марганцз, який в цих умовах в!дновлоетъся в значнШ м1рI з в!льного МпО. Накопичення високомаргандавого розплаву, насичоного вуглецэм, мае 1нтесиф!куючий вплив на в1дновлення кремн!я.

К1н9тичними доел 1даннями пЮТьордаоно, що в гетерогеному процес! взаемоди вуглеця з оксидним розплавом на зр1ст сумарно! швидкост! в1д-новлення д1е зрют поверхн1 вдаовлювача як за рахунок зб!лылення його К1лькост1 та здрЮнення , так зм1неняя виду в!дновника. В умовах в!д-новлення оксидного розплаву вуглецэм тигля нестац!онарний процэс в 1днов-лення наближаеться до ртноважного (рис.3).

во

во

к

¿40

20

ОН-1-----I ■

О 50 100 150 200 вреия, пин.

Рис . 3. Експериментальн 1 (суц!льн 1 1 розрахунков! ртноважн! (пунктир) степШ1 вШювлення Мп 1 51 вуглецэм при нестацюнарному стан1 процэсу вщювлення.

За даними про склад неталу та шлаку та Тх к1лькостях та в!дом1й площ1 поверхн Г взаемоди вуглеця тигля з шихтою були розраховаш степт I вщ-новлення марганщо та кремнно при 1х сум юному в 1даовл0нн1 та потоки вуглеця на 1х в 1дновлення.

«7 1 ч //

Г

У четверг 1й глав! "Г!дродинам 1ка та масообмш при взаемодиI тверди та ргдаих фаз в процес 1 у творения с Шкомарганця" зройлено анал 1з тепломасообм!ну в зонах алавл тня та в¡дновлення. твердим вуглацем рудно-флюсово! шихти, зокрема: крапель металу ! шлаку з газовим штоком; кра-пэлъ металу, як! осаджуюгься в шар1 шлаку; пл!вок металу та шлаку при ст1каня1 IX по грудкам твердо! шихти та вуглецевого в!дновника; взаемо-д1я на меж! розд!лу шлак-метал в ванн1 печ1, тобто при стацюнарному стан! процэсу можна визначити шють в1дкритих систем, як1 взаемодшть м1ж собою.

Зпдно розрахунк!в на грудках, шихти утворюються крапл! металу диметром 4-9 мм, як! при опускзнн1 у шар! шлаку рухаоться у Йам тарному чи у перех1дному режим!. Швидкють осадження крапель металу складае 0,06 -0,03 м/с, Яе = 0,45 1 3,5. Час осадження крагаП метала через шар шлака складае 2,5 - 4 с. При середн1й питомм годиннШ продуктивност1 феро-сплавно! печ! 80 - 85 кг/год за I м* площ! пода секундне зн1мання металу складае 0,023 - 0,025 кг/(м2 с> чи 3,8 • 10"®- 4 • КГ*5. м3/(м2с)._ При

цьому частота утворення крашль металу буде знаходиться у межах 10 - 120 1/(м2с). Для крапелъ шлаку д1аметром 4 - 7 мм 50 - 250 1/(м2-с).

При осадженн1 крапель.металу в mapl шлаку процеси несташонарного тепло- 1 масообмшу. можуть бути описан 1 ртняннями теплопров!дност1 Фурье та молекулярно! дифузп Ф1ка для кул! при межових умовах 3 роду. За дифундуючу частинку вибрано юн sí"4, що забезпечуе найбиьше дифуз1йне гэльмування (о -- 1,2 19_11мг/с). Для середн1х температур I концентрац1й елемент!в в крагш, ршення ршняннь Фурье 1 Ф1ка в загальному вид1 бу-

дуть в = /(Fo,Bi>, e,=/CFo Bi i да Q-(T-T)/Íт -т->;

Т ^ Д Д Т О ШЛ О

Gc-( с-со)/( C(sn-co) ; 9т и ёс -безрозм1рн1 середн! температури 1 концен-траци, що харакггеризуклъ степ!нь завершения тепломасообм 1нних процес1в чи наближення ix до р!вноваги, ти i срв - температура 1 концентаршя еломента, р1вноважна з! шлаком; то I со- початков¡температура 1 концен-. тратя елемента , Fo=ot/R2 i Fo д=от/к2 - те плове та дифуз1йне числа Фурье , Bi =aR/\ i В1д = pR/D - - теплове та дифузШне число Б1о, де р -коефапент масов1ддач1, а - коеф1Ц1Ент теплов1ддач1, R - рад!ус крапл!» - теплопровда 1сть металу.

Bel розрахунки тепломасообм 1ну виконан1 за в1домими в .л1тератур1 риюннями в1дпов1дних-задач. Для крашль металу, як1 осадауються у шлаку, а=4500-5000, значения Bi=8-I2, яке в1дгюв1дае змшаному л1М1туванню зовн 1шн 1м та внутр 11лн 1м теплообм1ном; Fo=4-20, бт I, що св1дчить про повне завершения процесу теплообмшу м 1т краплями метала та шлаком.

Для теплообм1ну м1ж висячою краплею щлаку 1 газовим штоком, який. омивае краплю, Fo=0,4-0,8, =0,945-0,995, що показуб практично повне завершения пронесу теплообм1ну м1ж краплями шлаку та газовим потоком, який IX омивае. Так! ж дан1 отриман1 I для металу.

Для. крапл! металу; що осадауеться у шлаку, значения числа Шм!дга Se = 2I07-5-I07 И Шервуда sh = 100-450, р= 3-Ю"7 - б'Ю^м/с, в1д=0,25-1,2, тобто е ÎCT0TH6 л1М1тування процэса масообм1на зовншньою дифуз!ею. Для крапл! металу, що осадауеться у шлаку, Род=0,0003-0,00Sk е.» О, тобто процеси масообм1ну м1ж краплями металу прийнятих розм!р1в. 1 шлаком практично не розвиваються. Розрахунок повноти масообм1них проце-с1в показав, що для крашль металу д1аметром до I мм В1д < 0,1, яке св1-дчить про чисто зовн1шне л1м1тування процесу масообмшу. Для крашль метала дтаметром до 0,5 мм процес мас0обм!на практично завершуеться, а для крашль д1аметром биьше 2,5 мм практично не починаеться.

На меж1 метал-шлак прийнят! межов! умови третьего роду, а на меж1 мётал-Шд - умова .непроникност 1, на верхн 1й поверхн1 тару шлаку - межов 1 умови 1-го роду (сталють концентрацШ компонент 1в). Розрахунками показано, що для масообм 1ну 8 по абсолютному значению мала <0,01-0,02)..

Для шару значения В1д= 0,004-0,012, . що -св!дчить про лШтування процесу масов1дцачою на меж! шлак-метал. При зм!ненн1 товщтвд шару шлаку (6=0,004-0,012), тобто виртнювання концентрата елеменпв то товши-н1 шлаку м Ш випусками в!дносне мале.

Встановлено, що иайбиыл важливим видом масообм1ну при одержанн! метал ¡в та сплавгв вуглецевотерм1чнда вШовленням е взаемод!я р!дких пл1вок металу та шлаку з грудками шихтових матер 1алт, по яккм вони стекать.

Для розрахунк1в використан! сл1дуючи модельн1 уявлення: поверхня, по як1й рухаеться пл1вка, е поверхнею каналш мм грудками шихти; внас.я1-док швидкого оплавления вершин та ребер, форма грудок шихтових матер 1а-л1в иаближаеться до кулеобразноI; частка об'ему, яка зайнята твердими грудками, прийнята р1вною р1зниц1 повного об'ему зони плавлшня 1 В1д-новлення 1 порозност1 шихти. 3 урахуванням злипання грудок шихтоеих матерели, тх можливого руйнування, деформацп та оплавления встановлеш меж1 можливих величин периметра 45-75 м/м2 гор1зонтального по ретину печь На частку металу приходиться 5-10 м/м2, а на частку шлаку - 40-65 м/м2 периметра поверхн1 шихти, по якому тече розплав.

Для шлаку значения л1И1йно! масово! густини зрошення - Г=1,8- Ю~4-3-10-4кг/(м-с), йе = 2-Ю"3- 4,510"4. Теч1я р1дких пл1вок шлака В1д5у-ваеться в ламшарному режим!. Середн1 значения швидкостей руху шпвок шлаку та IX розм1ри складактгь 0,4' мм/с 1 0,21 мм. Для металевих шпвок ШВИДКЮТЬ бЛЙЗЬКЭ ДО-0,0075 М/с При II ТОВЩИН1 б =0,045 мм. Теч1я р1дких шлакових пл1вок по грудкам твердих шихтових матер 1ал!в супроводауеться розчиненням оксидних складових шихти та взаемод!ею з вуглецем коксу. Загальн! повери! грудок коксу складають 28- 60 м2 на 1м2 площини поду. Металевий розплав при ст1канн1 розчиняе твердий вуглець коксу, потпс речовини в1д поверхн! твердого т!ла, що розчиняеться, в рдае середови-ще описуеться р1внянням 14«рсс -с>, де для випадку розчииення вуглец^ в металевому розплав1 Сн~ концентратя насичення вуглецем моталевого роз-плаву, с - фактична конце нтраця вуглеця в розплав 1. Пот!к речовини все-редину 1ШВК1Г г2=-о(<»с/дх).

На мэж 1,пл 1вки з твердом т1лом -0(эс/ах)=р<сн-с), що е вираженням межових умов третього роду. Час контакту пл1вки металу з грудкою койсу д!аметром 0,02 м складае 2-3 с-. При цьому Год =8-60. Для розрахЬваних значень В1ди Год, 6" близьке до I, що св1дчить про швидке нясичення металу вуглецем при його ст1канн1 по грудках твердого коксу. При цьему активнють вуглеця в пл1вках металу близъка до единиц1.

В доменн1й печ! мають м1сце т! ж види взавмодШ 1 форми масообм!-ну, що 1 в феросплавн!й печ1. Розрахунки показали, що при д!аметрах кра-

цель 4-9 мм частота тх виникнення складае 1000-2000 1/(м2с), що не за-базпвчуе сущльно! фШлрацп розплав1в через шар коксу. Перемщення розплавт Суде здШснюватись у. вигляд1 пл1вок, що ст1каклъ по грудкам коксу. Пор 1внхшалън 1 дан1 розрахунк1в г1дродинам1чних характеристик течи пл1вок розплавт в феросплавнШ та доменнШ печах наведен 1 в табл.1. Таблица I. Г 1дроданам 1чн 1 характеристики плину плшок разплавт.

Агрегат Фаза Йе 0,мм v ,мм/с пл'

Феросплавна П1Ч шлак 0,004 0,2 0,3'

метал I 0.05 8

Доменна П1Ч шлак 0,004 I 3

метал 8 0,1 20

Ефекгивн 1сть масообмшу при гетерогенних взаемод!ях визначаеться, головним чином, гатгомою поверхнею взаемод1ючих фаз I часом 1х контакту. Питома поверхня при р!зних видах взаемодп та часу 1х контакту наведен1 в табл.2. Повнота завершения процас!в масообмшу в шар} м!ж металом та шлаком, та краплями, що проходять через розплав, мала I близька м1ж собою. В той же час для плшок на тверд 1й поверхн1 повнота завершения пронес 1в масообм шу практично дор1внюе I.

Таблица 2. Портняння характеристик р1эних форм масообмод

Вида взаемо- ДИ Фазы 5п„т,М2/К а сек е

Плоска поверхня шлак- 0,001-0,01 10000-16000 0,02-0,05 0,05-0,15

Крашп в розплав1 шлак в метал 1 0,3-0,4 3-10 0,002 0,01-0,03

метал у шлаку 0,12-0,16 3-10 0,002 0,02-0,05

ПЛ1ВКИ шлак 1,3-1,5 1000-4000 30-600 I

метал. 2,5-3,5 100-1000 2000-100000 I

В п'ят1й глав! "Розробка детерм ¡новано 1 динам 1чно1 модел1 вшхлавки сшкомарганцю та анализ впливу дэяких технолог 1чних фактор 1В на показ-ники пронесу" приведена розроблена методика побудови динам1чно1 модел! процесу виплавки сшкомарганцю як стацюнарного 1 нер Шноважного пронесу и виконано моделювання впливу основних технолог гашг фактор 1в на па-рамотри процесу.

Час процесу замшено координатою висоти 1 нестацюнарнють стану пронес:в в шч! розглядаюгься як функц!я висоти. При цьому змшення па-

раметр 1в по координат 1 може бути записано як у=и/ъ?=асМ-к, до <и=ас/с{'1 -швидк1сть(ы) зм 1 не ни я параметр 1в стану системи(с), у - швидк1стъ опускания шихти, м/с,

Обробкою методом множинно! регресп л!тературних даних та даних автора по кинетиц! в1дновлення кремнно та марганвд) Вуглецем одержан 1 сл1-дуюч! залежност!. для поток 1в вуглеця:

2

ге - 7,Ю-Ю-5(х1Мпо) + 30*,.^, кв1). кг с/(м2с), (8)

да / = (*,м„о, 30 .

2

при 0,7 < / < 5

Г0 - 3.625- 10-'(х(Мг)О> Кмп+ 30 *|я10а>Кв1)+ 0,000025; (9)

при / > 5

Г - 3,86- Ю-5 (х К„ + ЗОООХ „ , К, /И- 1400)1, (10)

С I < МпО > МП > 51 I

^ 2 '

до г - температура вщювлэння,-"с.

" 31ставлення розрахункових I досл1дних Л1тературних даних та даних автора по кшетиц! в (дновлення вуглецем р1зних шлакових розплав1в св!дчить про достатню дня подалыних разрахунк!в достовГрность одержано! залежност!. Так, швидкють в!Дновлення маргандю, кг/(мгс), для випадку взаемодп на меж1 вуглецэвий в1дновлювач - шлаковий розплав

^мпЧК'р^Н' (П>

да к2 - константа швидкост! вютовлення маргашдо, м/с. При цьому йСМп]/с*'с=й2/о{[Мп]р(П-Шп^, де О - товщинэ плтки в !дновлювального мета-лу. Для в' =([Мп)-[Мп]0 )/([Мп]рш-[Мп10) р1шення мае вид в-1-ехр(-м2а/б). Пот1к дифуз11 Мп на меж 1 розпод!лу пузир со-шлак-кокс описуетьсявиразом 1Мп= омп ¡¡та/лх. На меж! розпод1лу фаз попк дифузп дор!внюе швидкост! в!дновлення марганщо, 1 онгс(Мп/е1х = к'2Шп. 3 цього р1вняння можна одаржати критер!й *20/0МП, який по сво 1й структур! аналог 1чний В1д и може бути названий числом "Бю - к!нетичний" - В1к. Найб1льш вирог!дя 1 деяк1 показники ходу процэсу в!дновлення Мп и 51 з оксидйих розплав!в наведен! в табл.3. Значения В1к як для кремню, так 1 для марганвд складакггь I- КГ'-Б-Ю"8, що шдгвердауо думку про л!м1ту-ваяня процесу В!дновлення вуглецем Мп 1 И! з р1дких оксидах розплав1в Х1М1ЧИ0И стад!ею процесу.

Вм!ст 31 I Кп в ш1вках металу, розрахованих по виведеним р!внян-ням ктетики в!дновлевня 1 по р!вноваз1 металу з1 шлаком, показали високий зб!г, в зв'язку з чим за модельне наближення прийнято, що в

тшвках металу в момент його вшювлення концентрат I 31 1 Мп р 1вноваж-Н1 з1 шлаком, а вуглеця - з твердим вуглецем.

Таблиця 3. Деяк! показники кшетики процесу вуглецетерм 1чного в ]дновлення кремнно та марганцю з оксидних розплав!в

Величина Одиниця вим1ру Значения при температур!, °С

1400 1500 1600 1650

0,453 0,437 0,406 0,351

Х.иог 0,425 0,436 0,458 0,490

К Мп # 1Д06 3,222 9,74 15,18

0,0014 0,018 0,256 0,745

'с кгС/(мгс 1,7-Ю"6 2,9-Ю"6 7,7-ИГ6 1,3-КГ5

Пк мг/мг 17,9 20,4 28,6 47,1

м/с 6-10"10 3,8-Ю-9 3,1-10"® 7-4.10"®

*„п м/с 6,8-Ю"8 1,1-.ИГ7 2,2-Ю-7 3-Ю"7

[Б 1 3 % 0,78 2,4 7,9 12,3 ■

1 %. 1.9 3,7 7,4 10,4

1Мп1 % 93,5 92,2 87,6 83,8

1Мп1 % - 92,4 90,8 87,8 85,6

Р 1,7-Ю"8 9,0-КГ8 6,1'Ю-7 1,5-ПГ6

В1мп 9,2-ПГ7 1,6-Ю-6 3,0-Ю"6 3,8-Ю"6

1311/131] , р 1ВН 0,41 0,650 1,073 1,18

СМп1/1Мп1 , р!вн 1,01 1,02 1,00 . 0.98

По вертикальному перер1зу ураховувалась довжина трох д1лянок: плав-Л1ння рудно-флюсових матер1ал№ г.^, коксового шару 1*кок та загальна I. * г. .

РФ кок

Змшення температур по высот 1 локальних зон в безрозм1рному вид1 в форм! пол 1ному четверто! степ 1нг

да - початкова температура плавления шихта, «и]н - температура на нижн1й меж 1 коксового шару, максимально можлива в данШ локальн!й область I - в1дстань в1д початку координат.

Статистичною обробкою даних одержан! значения коефЩ1БНт1в ^=0,0388, аа=-0,849, о3=7,377,: а,=2,394.

•Для урахування неоднор1дяост1 температурного поля по об'ему печ1, останн1й був розбитий на окрем! локальн1 вврггикальн! д!лянки. Питона продуктивн1сть печ1,

N = -Í-J" Nlo¡t dS , КГ/(МС), (13)

3

да N - продуктивн 1сть локально! д!лянки, s - площина поверхн1 поду печь Початкова температура шпвок р1дкого розплаву, прийнята ршною серэдпШ 'температур! плавл!ння, а тепловий пот1к в пропорц1йним р1зниц1 температура навколилнього середовища та температура плавл1ння. ШвидкЮть плавл1ння

^ -Alt-t^, (14)

Через вирази dl = v di та di=disw ,

dm/dl=A/W (t - t ) • (15)

пл

Коефишнт швидкостl плавл!ння л найдено 1нтегруванням при 1=0, т=0, при 1=1.^, m = дэ «ш - к1льк!сть проплавлено! шихта у даному

локальному (вертикальному) об'ем! печ!

Мшх =J Р £tf - (16)

Maca розплавлених шихтових матер1ал!в на в!дстан! г г

%х = l$rlt - <17>

Середньостатистичний склад оксидного розплаву, що формуеться в момент плавл1ння, близький до середнього складу рудно-флюсово I шихта. Шви-дк1сть зм!нення маси csio2> в рудному розплав1, що формуеться

dmlSlO) /dl- 0,01 (S10 ) dm/dl. (18)

¿ ф 'P« Z 1QX

Змтення маси оксид 1в шлакового розплаву по висот! dm(S10 )-'dl=0,OI (SiO > dm/dl-dmtSIO ) , sdl, (19)

2 2 IBX 2 В 1Д

да misio2>Blfl . маса в 1дновленного sio2. Масса sio2 в шлаковому розплав! MtSlO2)=0.0I(SiO2)J^(t-tiui)dl-JmtSiO2)Blj( dl. (20)

о о

Аналогичний вид мае вираз для визначення ж МпО); для жсао) i м (1нш) (1нш1 оксИди) в виразах в!дсутн! члени, що ураховуктгь масу в1дновлених оксид1в.

При визначенн1 площини поверхн1 грудок шихти ураховувалось зм!нення IX об'ему в ход1 плавления та в!дновлення. Для коксу ^х.пЯ-^х.пЛ' да Кк.п.=мк.п/Рк' Кк.п." початковий об'ем коксу в шихт1, мк - початкова маса коксу в шихт1, рк - його насипна маса , мс - маса коксу, витраченого на в!дновлення та навуглепьовування металу.

Сумзрний (активний) периметр твердо I шихта, по якому ст1кае розплав оксид 1в

II = Кв Е Sv М/М2 '.(21)

де кв<- - коеф1щент, що ураховуе величину в1льно1 поверхн 1 грудок шихто-вих матер1ал1в, що не контактуютъ з 1ншими грудками.

Maca витраченого вуглецо визначаеться швидк1стю витрачання вуглецю I активним периметром коксу dMc/di=rcnK. При склад1 металу, ршноважного з1 шлаком, прирют маси в!дновлених елемент1з

<1Мэл= Гс Пк di/C 0.002I8tMnJp+ 0,00857íSi]p), . (22)

а маса в1дновлених елементш i

М = Гг П dl/C 0,002I8[Mn] +0,00857£S1) ). (23)

эл ^ с к р р .

Загальна маса металу с урахуванням розчиненного в ньому вуглецо м = Г fm„ tt>+jn .ct>"ldl/(l-0f01i:ci ), (24)

Нет J I. Мп Si ) шах * х '

де чп(П 1 ms.(i) е сумюними функщями вираз1в приросту маси Si та Мп

по довжин1 шляху в1дновлення 1 виразу (22). Тод1,

i i Ммп= Г»пМпЧ> di, (25) 1 MS.= /nts.(l) di, (26)

О о *

3 р1внянь (24)-(26) виходигь, що маса металу на даному горизонт1 печ! е сумою (сум1шком) мае (порцШ) металу,- в!дновленного як ртноваж-ний 31 шлаком на в1дпов1дних вищерозташованних горизонтах 1 як1 прийшли до даного горизонту. 1нтегральний склад металу в К1нц1 дано! вертикально! локально! д1лянки по вмЮту Si нижчий, а по вмюту Мп ВИЩИЙ, Н1Ж plBHO-важний з! шлаком метал на горизонт!, що розглядаеться.

Товщина коксового шару визначалась як р1зниця довжини зони р1дко-фазного вщновлення та плавлтня рудно-флюсово I частини шихта, де tt 1 t2 - температуря в К1нц1 в1дпов1дних зон:

l =l-l ж-м /(i 1 t ,Dlkfc. .Ljl-M fl С t ,L ,)ПСt -)1. (27)

KOX rt a l^c 1' 1' J C2l_C2'p$ 2' Pф J 4 '

3 цього виходить, що для випадку стацюнарного стану процесу (пост 1йн 1 - склад та виграти шихта, коксу, продуктивнють), коли tt и t2 по часу не змШюються, довжина коксово! зони зостаеться величиною пост 1йною. Нестацюндрн1сть процесу перед усього пов'язана з змшенням температурного поля печ1, а, в!дпов!дно, 1 локально! продуктавност 1, яка можс мати м1сце при роз1гр1в1 печ! або порушеннях и нормального ходу.

На данам1чн1й модел! було досл1джено вплив як рукупност1, так I скремих фактор!в, що визначатъ деяк! основн! показники процесу.' Змен-иення розм!р1в грудок в1дновлювача при 1нших р1вних уиовах приводить до скорочення довжини коксового шару. Для збереження товщини коксового шару

повинна бути шдвицена продуктивн ють за рахунок шдвищення теплового навантаження, при цьому зростахтгь маси оксидного розплаву 1 металу 1 збер!гаеться пост1йною товщина коксового шару. 1нформац1я про середа 1 склада металу та шлаку, сере дню температуру та продуктивнють одержана шляхом р1шення системи р!внянь, для створення яко! на фрагмент 1 площ! поду В1д електроду до ос1 м 1желектродного простору вид!лен! три площадки з сторонами, що паралельн1 довгим осям електрод1в, як1 е основами для трьох вертикальн!х локально об'БМ1в (зон). Загальна площина фрагменту Б =51+5а+33, В безрозм 1РНОМУ ВИД1 при Х^З/З. Х2=5г/5, Х^З^/З. Ход!

X, + Х2 + I. (28)

Друге ршняння визначае середню продуктивн 1сть як середньовагове продуктивностей окремих локальних зон - N...

"р^Л^Л^Л- (29)

Трете ргеняння в вираз середньовагового в1д площини 1 локально! продуктивност1 вм!сту кремн1ю в метал1 у вийраних зонах

31ср=31ЛХ,+31ЛХг+31з«зХз- <30>

За результатами моделювання визначались площини та продуктивнють

локальних зон вмют 51 в локальних зонах (табл.4).

Таблица 4. Зведен! дан! по формуванню металу та шлаку

Показ-ник Вар1анти розрахунку

I 2 3 4 5 6 7 8

[Эиср 15 15 15 17 17. 17 19 19

N р 0.145 0.017 0.0174 0.023 0.025 0.022 0.025 0.024

7 I 1700 1700 1650 1700 1700 1750 1750 1750

Т 2 1600 1600 1550 1650 1650 1700 1700 1700

Т 3 1450 1500 1500 1500 1600 1600 1600 1550

М I 0.0818 0.0818 0.038 0.0748 0.0748 0.174 0.168 0.168

N 2 0.0183 0.0183 0.0124 0.0338 0.0338 0.0748 0.075 0.075

N 3 0.0033 0.0084 0.0083 0.0117 0.0173 0.0173 0.0184 0.0110

СБ» I 17.5 17.5 16.3 18.7 18.7 20.1 21.8 21.8

гбп 2 15.1 15.1 14 17.3 17.3 18.7 20.3 20.3

[бп 3 13.1 13.3 13.4 14.9 16.1 16.1 17.6 16.3

X I 0.0013 0.0028 0.2012 0.1231 0.0688 0.0244 0.0290 0.0217

x 2 0.7397 0.8473 0.7613 0.1587 0.2245 0.0141 0.0715 0.1489

X 3 0.2589 0.д.97 0.0373 0.7181 0.7065 0.9613 0.8993 0.8293

т ср 1592 1594 1593 1633 1636 1634 1651 1650

Краплх вшовлэнного металу з нижньо! меж1 коксового шару ос!даклъ через шлак I змшуються з металом ванни юч1. В ванну дач! крапл! металу надходять практично того ж складу. Ш£> 1 з нижньоI меж! коксового шару. В вэннмюч! здШснюбться даремшування I охолодаення металу. В зв'язку з тим, що маса металу, що надШшов до ванни, мш випусками в 10-20 раз1в мэнше маси металу, що постШно знаходиться в ванн1, то ршення задач! зводагься до вир!шення р1вняння Ф1ка для одном !рного простору з миттевим даерюлом речовини. Розрахунком одержано 8с=с/ск=0,94, тобто здШснюеть-ся практично повне осереднення металу в ванн!.

На основ 1 вищесказанного запропонована ф1зико-х!м1чна модель формування складу р!дкого сшкомарганцо. Метал, в!дновленний на даному горизонт! е р1вноважним з1 складом шлаку даного горизонту. При ст!канн1 пл1вок в!даовленого металу з даного горизонту здШснюеться його зм шування з портями металу; що утворився на других горизонтах дано1 локально 1 зони. Сум1ш порцШ металу, р1вноважних 31 шлаком на горизонтах 1х утворення, формуе на нижн1й меж1 коксового шару металавий розплав, в якому вм1ст 31 нижче ртноважного з! шлаком. Охолодаення металу, пов'я-зане з втратами теплоти в ванн! на 190-230 к призводить до того, що при практично незмшному хшчному склад!, вмют в ньому вищий р!вноваж-ного з! шлаком даного складу в ванн! дач!.

В шостШ глав! "Ф 1зико-х 1м 1чна под1бн1сть 1 термодинам!чний анал1з необоротност 1 металург 1йних процес1в" показан! можливост1 теорп под1б-ност1 для вивчення сп1вв1дношення швидкостей Шдводу та 'витрачання речо-вин, що беруть участь-в реакц!ях, 1 використання IX для побудови матема-тичних моделей, а також виконано анал1з нер1вноважност1 деяких' процес1в, умови виникнення саморегулювання реакцп зневуглецьовування та виробниц-тво ентропII.

За вих1дн1 прийнят 1 р!вняння переносу вуглвцо и кисню в метал 1 в безрозм 1рному виг ляд 1, як! виражен1 через ефекггивний коефЩ1ент дифузп-оэ, з даереловими членами, що описуюггь витрачання кисню на реакц1ю зневуглецьовування , 0 Р„ <э2р^ К Н2 ггсз -{с1 ]

го _ "О __ С I поч pJ

a Fo в xf

д 1 -3

а а2 р ь к L a „ Н2

ГС "С С О FeO

а Род а Tf »3

Ро Рс. (31)

Ро Рс <32)

до ь - стех юметричний коефщюнт, кс - ефективна константа швидкосп. На меж1 шлак-метал для кисню прийнята гранична умова третьего роду.

: де Lo- константа розпод!лу кисню М1ж металом 1 шлаком, огво - активнЮть Feo у шлаку, Po=í01yLoaF.o>

pc=(tcbtcip)x[tcino4-tc)pj. T]=x/H - безрозм!рна координата, ро 1 рс-безрозм 1рнI концентрацп roi и ta, Fo -d^/и1 -дифуз!йне число Фурье,

^"2[[с]Поч^с,р]/0э=[)а.о,с- ь KLo<W'2/iVDa.c, числа Дамколера 'для вуглецю та кисню, як1 е м!рою в1дношеняя швид!гост1 виграчання або утво-рення речовини при х1м!чн!й реакцп до пшидкост1 п переносу. Виведене з (31) р1вн'яння розпод1лу кисню на окисления дом мок може бути записано як р1вняння з зосередаенними параметрами. Надходаення кисню на окисления дом Шок задане його потоком го6]ц, моль/(кг-с). В зв'язку з там, що практично в yclx сталеплавильних процесах при вмюту вуглеця вще за 0,2-Х),3%, bmict кисню в метал 1 зм1нюеться незначно 1 потпс кисня io витра-чаеться т1льки на окислеиня домйюк

(р!вняння 33)

С [tsu-tsilp] + ^n[cMn]-IMnlp) ^ftPMPlJ ^

([CHap) [[C14Cîp] ([C1-tC1p)J

Wct01(tCÎ-tCip)

де м .а К <<к \ к = * ук; » = к/к - в 1дносн! ефективн! константа

3 1 С М П МП С г ™ с

швидкостей (в1дн0сн1. К1тотичн1 коеф1Ц1ента) в!дпов!дних реакшй. Число Дамкелера по кисню дат вуглеця буде 0а;о1 с=мснг (гсыс^ /оэрс, звщ-к!ль безрозм!рний ПОТ1К кисню, що витрачаеться на окисления домигок до-р1внюе сум 1 добутку чисел Дамкелера по кисню для кожно! домшки на и безрозм!рну концеитращю.. Ч'Ьбщ^оа РЛКоаРг) - . « 6 (С.51.Мп,Р>. (34)

Для оц1нки величин в1дхилення в1д р!вноваги та експериментального виэначення к1нетичних коефЩ1евт1в був шдготовлений масив даних по кь нетиц1 окисления домнвок, що складаеться з плавок пудл1нгового (I), то-мас!вського (2), основного рудного мартенШського (3), мартен!вського передму високофосфористих чавун1в на комб!нат! *'Азовсталь"(4), киснево-конверггерного типу 1о-процесу (5), перед1ду фосфористих чавун!в процесом 01Р (6), бесемертвського (7), кислого мартен 1вського пронес!в (8). В робот! запропонована методика розробки динам1чних моделей сталеплавильних процест, що достатньо точно описуе Х1д окисления дом!шок. В основу И покладано ртияння (34). Факшчн1 та розрахунков1 вцщосн! потоки кисню, що витрачаеться на окисления, наприклад 51, для р!зних сталеплэ-вильних процес1в показано на рис.4.

При в1дновних процесах в!дпов1дну роль мае пот1к вуглеця. В умовах в1дновлення елементш з р1дких оксидних гшвок з утворенням р1дких мета-левих пл!вок ртияння, що описуе гетерогенн! процеси в метзлевШ фаз! для 4-го элемента (£) с концентрац1ею кг/м3 . <?е./<п =-а(г{- »^(^е /в*2), (35)

1.00

¡^0.75

о

о

^0.50

л

о.оо

, 1 о

— л ' НуЪ о *

о+ 1 -О 2

- п 3 - .

4 -А 5 -

7 - - 8 - .

.25 0.00

0.25 0.50 Ра'

0.75 1.00

Рис.4. Залежи1сть безрозм1рного потоку кисня на окисления в!д сп1вв1д-ношення в 1дпов 1дних чисел- Дамкелера для р1зних продаст, (1-8) - позна-чення в текст!)

раГ Ра.оМ ■рЛКо.лР«)'

де'с^- стех юметричний коефгщент, - твида1сть утворення 1-го елемента, кг/м3с, коефщюнт його дифуз11 в маталов 1й фаз! (м2/с). Р1вняння (35) в безрозм1рному вигляд1 э2р

9

да

О, Е, X 4Р

94

(36)

I т} = х/5, да - максимальна концэнтрац1я елемента.

да р = е./еь

Еи р1вноважна з1 шлаком. Одержано два критерп: число Фурье дифуз 1йне го^-вл/б2 та друге число Дамкелера 0а2=агг462/о4Е1р, яке е м1рою В1д-ношення змшення числа молей в1д х1м1чно1 реакцп до зм тения числа молей в1д молекулярного переносу. Швидкють утворення г-го елемента в об'ем! металево! тшвки

г. = а.1 ./б

'г г

да ^ - константа

або г

швидкост1

а, к. х, ,„.< * /о I г <ео>1 р1

1оГ ПОТ1К вуглеця, що

(37)

в1дновлення 4-того еламента, кг/(м2-с), витрачаеться на в1дновлення

1-го елементу

у

' (со > г

мольна доля оксиду в разплав.1, к

- константа

р1вноваги в Iдпов 1дно I реакцП. При цьому *>а21=а1к1хЕо1ЬКр1/01 Е{. При сум юному в1даовленн1 Мп та 51 з оксидного розплаву на грудках вуглеце-вого в1даовника максимальн1 со макггь порядок Ю"7, що шдтверджуе л1-м1тування процэсу в1дновлення швидкютю х1м1чно! реакцп 1 да® Мале гальмування дифуз1йним переносом. Р1вняння потоку вуглеця в безрозм 1рно-

му вигляд1

г «г „ ь ,

р1

1„бг а, л,, к,, х ег агр

с ог

шах С

■= Е

(38)

дэ шд зиаком Е - число Дамкелера, тобто безрозм 1рний пот!к вуглеця в1дновлення дортнюе сум! чисел Дамкелера по вуглеци.

на

Для стацюнарного процэсу змшэння град!енту концентрат 1 <»2р/<П)2=0

1 рйняння (38) приймэ вид

с г рг (жь) г

(39)

Длр випадку в1дновлення, наприклад,, 21. мп 1 ре р!вняння (39) можа

бути'записано I

= «ЛЛп

»«^"»Лю «УгЛЛ.о»

(40)

да к„п

кг/(м2с), к

1.

0.75

0.5Г , 0.25 [С]. %

о

, в 1дносн 1 константа швидкостей реакцШ- вщговлення,

константа р!вноваги.

Динамика виробншхгва ентропи для р!зних вар!ант1в орган 1зацп про-десу зневуглецьовування наведена на рис.5. МППмальне виробницгво ентро-пП мае мюце при звичайному мартен 1вському процес1 (I), максимально -

для конвертерного (5). ___

Рис.5. Зм1нення виробницгва ентропи для зневуглецьовування в р!зних ста-леплавильних агрегатах.

Зневуглецьовування в мартен гвськкх (3) та двухванних печах (4) в пер юл продувки ванни киснем характерязус-ться величинами, близькими до конвертерного процессу, а Шелл припи-нення продувки (пюлялродувочний по-рюд) спостер1гаеться р1зке зни-ження виробницгва ентропи. 1нтенси-ф1кащя процесу продувкою ванни киснем приводить до збиьшення виробництва ентропи там б1льшому, чим вида, швидкють зневуглецьовування. Цой показник, що визначае термодинам1чну недосконалють процесу, зб!льшуеть-ся при переход 1 в1д мартен1вських печей до печей з продувкою ванни киснем 1 до кисневого конвертеру, тобто зрют термодинам1чно! недосконалос-т! процесу знавуглецьовування в розглянутих випадках в платою за його 1нтенсиф1кацию. ' '

- Основною силою, що визначав х!д процесу зневуглецьовування в рюни-ця х1М1чних потенц1ал!в кисню в газов!й фаз1 (ц ) 1 кисню,ртноважного з в1ДП0в!дними кон'центрац1ями кисню у шлаку метал 1 (ца) I вуглецю в метал 1 (ц3). Змтення'умов масопередач1 м1ж шлаком та металом спричи-няс до перерозподиу величин потенц[ал 1в кисню м!ж металом та шлаком.

Сзморегулювання в умовах сталеплавильно! ванни полягае в тому, що зм1нення х1м1чного потеншалу кисню на одн1й стали спричиняе до таких його зм тень'на пших, щоб максимальна IX р!знтя при даному .вмюту вуглецю зоставэлэсь-стало», а сума потокШ кисню на окрем! лашдоги- пронесу дор1внювала загалыюму потоку, що надходить до системи.

Ст!кання та перем шування р!дких пл1вок метаду приводить до пору-шення р!вновэги та виникненн» поток!в мп з металу в шпвку, з в1днов-лено! пл!вки в метал. Виробнжггво ентропи при вщювленш 31 виде, н!ж мп 1 мало золежить в!д вмюту 21, з збиьшенням кпшево! теператур! ви-

робницгво ентропп зменшуеться. Цв виходить з того, що шрехщ в раз-плав вщбуваеться при б1льш1й р1знЩ1 х1м!чних потенц1ал!в, а з зб1ль-шонням темгоратури ця р!знщя зменшуеться и термтаий ККД зростае. Су-марна-виробницгво ентропп на I моль сплаву також з зростанням темпера-тури знижуеться 1 практично не зале жить в1д середнього вмюту Бх в сплавь Б1ЛЫИ корисне використання х 1м 1чно I енергп при в1дновленн1 1 Мп мае Щ1сце при б!льш високих температурах к!нЦя процесу.

ОСНОВЫ I ВИСНОВКИ I ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1. У систем 1 метал-шлак в ванн! с!Л1комарганцево1 печ! мшшальний ¡сисневий потенщал мае зю2, в зв'язку з чим кремнШ мае вЩювлювальну зд1бн1сть по в1дношенню до МпО, А12оз, рго5 1 Рео I фактичво визначае склад металу та шлаку в ванн! печ 1. Стад1онарн!сть процэсу виплавки с!-лшомарганцо визначае нер 1вноважн 1сть та сталють у час? складу металу I шлаку в ванн!. ' •

2. Розроблена методика розрахунку складу металу, ршноважного з1 шлаком В1домого складу 1 складу шлаку, ршноважного з. металом в!домого складу. Встановлено, що фактична концентрацш вуглеця в мотал 1 нижча за ршноважну 31 шлаком-и вища його разчинност1 в сшкомарганц!. Факгичний Бмют марганцю нижчий ршноважного-31 шлаком, але близький до нього, а кремн1ю - вищий ршноважного з шлаком. Фактичний вм!ст мпо .вищий ршноважного з металом 1 це вIдцалення в1д ршноважного вмюту тим б1льше, чим вища концентрацш кремнцо в метал1. Вм1ст 2Юг нижчий р!вноважного з металом и не мае тенденцп до збмынення з ростом малыш дол! х131).

3. Запропоновано-метод прогнозування реального складу шлаку, кон-такгуючого з металом ведомого складу, по степшям вадхилення в1д р1вно-ваги в 1дпов!дних реакцш. Показано, що в ванн 1 печ 1 може прот!кати т!ль-ки реактя с1л!котерм!чного в!дновлення. Встановленн! залежност! з высокою степ шню достов 1рност I дозволили розрахувати реальн1 нершноважн1 коеф!Ц!енти розпод1лу Мп. 51, ре. р, А1, 5 мт шлаком та металом.

4. Розроблено статичну модель одержання ешкомарганцю, яка адекватна виробничим умова по"параметру в.!дхилення вщ ршноваги реакцШ в1дновлоння (Лс/кт). Виконаио чисельне модолювання .впливу деяких факто-р1в процесу одержання с 1л1комарганцю на стабшзацно кратност! к1нцэвого шлаку та його основност1 1, одержання оптимальних показникш видобування мп 1 в сплав. Показана можливють огггтизацп технолог1чних ■ показникш процесу.

5. Кшотичнйми доел!даеннями взаемодШ в систем! мп-ино-с визиаче-но, що швидкост 1 с1л!катоутворення значно видаредаають швидаост1 в?днов-лвння. При в1дновленн ! оксидного розллаву вуглецем тиглю нэстацюварний процос ввдювлення близький до р!вноваги. Розрахован! стеши! вщновлен-

ня Мп 1 при IX сум юному видобуванн! I потоки вуглеця на IX в1днов-лення. Швидкють витрачання вуглеця на вщювлення оксидних розплав1в е функцюю складу шлаку та параметр 1в р1вноважного стану. Одержан! зэлеж-ност1 використан1 для розрзхунк1в к1нетики в!дновлення марганецьмютячга оксидних розплав1в в широкому д1апазон1 IX складу.

6. Визначено, що гшвкова теч1я рщшх розплавт по грудках шихто-вих матер 1ал1в здШснюеться в ламшарному режим 1. При ст1канн1 шивок металу по грудках коксу зд!йснюсться насичення металу вуглецем до активности вуглеця, близько! до I, що не гальмуе реакщю вуглецетерм 1чного Ыдновлення оксидних пл1вок при наяв1 шпвки металу м1ж шивками оксидного розплаву та коксом.

7.' Сшвставлення повноти завершения р1зних форм масробм1ну м1ж р1д-кими та твердими фазами в зон1.плэвл1ння та в1дновлення твердим вуглецем на меж! розпод!лу шлак-металл для металурпйних агрегат 1в в широкому диапазон! продуктивност1 показало, що пров1дну роль в масооб1н1 М1Ж твердими та р1дкими фазами мае ст1кання р!дких шивок метал 1чного та шлакового розплав1в по грудках твердо! шихти, для яких повнота завершения процес"!в масообм1ну в пл!вках на 1-2 десяткових порядка вища, Н1ж в краалях та в шаров 1й взаемодп металу 1 шлаку.

8. В шахтних печах при зам1н1 координата часу координатою висоти стацюнарний стан по часу для втаЗраних точок можна розглядата як неста-цЮнарний стан по висот!. На основ! цого розроблена динам!чна модель процэсш плавл!ння та вадовлення при взаемодп рщшх розплав!в з грудками твердо I шихти, що являе собою систему в1дгов1дних диференщйних та !нтегральних р1внянь.

9. Теоретично Шдгверджено, що гетерогенная реакщя вцщовлення оксидного розплаву вуглецем прот!кае в к!нетачному режим 1. Портя мета-левого розплаву, що утворюсться.в данШ точц! робочого простору печ1 по складу близькэ до ртаюважногоз оксидним розплавом в т1й же точщ. Цей метал при ст!канн1 на.нижче розташован! горизонта. печ1, зм!шубться з порщями металлу, р!вноважного з! шлаком в 1нших точках робочого простору пвчг, утворюв нер1вноважний метал, вмют в якому Мп вищий р1вноважяо-го, а - нижчий р!вноважного.з1 шлаком в данШ локэльн1й точщ. При надходаенн1в ванну шч1 1 наступному охолодаенн 1 металу, вмют 51 в ван-н1 печ! стае вида р1вноважного 31 шлаком.

10. Результатами моделювання показано, що пом!тне в1дновлення окси-д1в кремн1ю 1 Марганцю починаеться ще до к!нця повного розплавлення руд-но-флюс0во1 частани шихти. Для стацюнарного стану процесу довжина зони коксового шару не зм¡иметься, а II зм1на' в!д5уваеться при нестащрнарно-му стан!, що.виникае перед усього при змшенн! температурного поля печ!

1, в Шов t дно, локально! продуктивност 1, а також при зм1ненн1 крупноси грудок в!дновника, складу 1 витрат шихти та коксу.Довжина коксового шару зростае з ростом температури, продуктивност! 1 розмipm грудок коксу.

vil. Математичним моделюванням встановлено, що змшення температурного поля м1ж електродами мае парабол1чний характер. Локальна продуктив-нють поблизу електродш в 6-20 раз!в вища, Н1ж продуктивнсть то ocl м1желектродного простору. При одних 1 тих же витратах вуглецю на в!днов-лення, bmict кремнш в метал 1, який одержали при в1дновленн1 поблизу електрод1в, на 1,7-2,8% вищий фактичного (середныпнтегрального) його вм[сту в ванн! печ1, а по ocl м1желектродного простору - нижчий на I-2,7%.

12. Визнзчаючим критер1ем ф1зико-х1м!чно1 под1бност1 е число Дамке-лера, що являе Mlpy в!дношення швидкост1 виграчання чи утворення речовин при х1м1чн1й реакцп до швидкост! його переносу. Розпод1л безрозм1рних поток !в кисню та вуглецю м1ж элементами пропорщйне величиним в!дпов1д-них чисел'Дамкелера.

13. Обробкою бази даних для восьми вид1в сталеплавильних процесш одержан i вираження для вщюсних К1нетичних коефц1ент1в, що входять в р1вняннй в1дносних потокib кисню, що витрачаеться на окисления в1дпов1д-них дом1шок. Анал1зом природа водюсних к1нетичних коеф1Щент1в встановлено, що вони пов'язан! як з кшетичними, так. I з термодинам 1чними параметрами. Диференц1альн1 ршняння змшення витрат кисшо та вуглепю при окисленн! i в 1дновлэнн 1 елекенпв в безрозм!рному вид1 йожуть бути вико-ристан! при побудов! динам 1чних моделей металург 1йних процзсш.

14. В процес1 зневуглецьовування вс1 ланцюги процэсу далек 1 в!д ртноваги та знаходяться в нелшшпй облает 1. Суть саморегулювання процессу зневуглецьовування полягае в тому, що при зм1ненн1 опору одного з ланцогт процэсу в1д5уваеться такий шрерозпод1л готенц!ал1в кисню в середин! системи, щоб максимальна ix р1зн1ця при даному bmicti вуглещо залишалась сталою, а сума поток1в кисню на окрем1 ланцюги процэсу дор1в-нювала загальному потоку, що надходить до системи.

15. В зв'язку з необоротн1стю реальних, в тому числ1 1 металург1й-них, процес!в неминучим е виробницгво ентропП. Будь-як! Х1м!чн1 процеси зд1йснюються при р1зниц1 х1м1чних потенц1ал1в 1 зростання швидкост! процесу потребуе зростання ц1е! р1зниц1, а, в1дпов1дно, приводить до зрос-тання виробнищва ентропп. Зростання виробництва ентропП е неминучею платою за 1нтенсиф 1кащю процес 1в. 3 ростом температури процэсу вадюв-лення терм1чний ККД зростае.'а виробницгво ентропП знижуеться.

. 16. Таким чином, сучасн! ,математичн1 модел! металургйних продаст п0винн1 бути синтезован! на основ! ф1зико-х!м!чних даних про процэс,

часткових моделей переносу ¡мпульсу, теплота, речовши з використанням термодинам 1ки необоротних ф!зико-х1м!чних процес!в. Так1 модел! довго живуть 1 потребують для свое! настройки мшмально! к!лькост1 даних про властивост! реагуючих фаз i величинах, що характеризуюсь явица переносу. Анал1з пронес îb з використанням таких моделей надае можливост! оцпгати незалежний вшшв окремих фактор 1в або ix сокупност! на пром!жн1 та кш-цев1 результата процесу, як1 часто не можуть бути визначен! звичайними методами експериментальних дослЮТень. При цьому можливо завдання веж-чин цих фактор 1в в межах, недосяжних на практицЬ' Ц1 модел! дозволяють не Т1льки анал!зувати юнуюч! процэси, але мг^уть 1 використовуватися при розробц! нових, як1 суттево в1др1зняються в1д д1ючих процес1в, що дозволить дуже зменшити час та витрата на проведения передуючих експериментальних досл1даень на лабораторних та досл!дно-промислових установках,а також на проектування технологи та агрегат1в 1 освоения IX робота. ОСВОЕНИИ ВМ1СТ ДИСЕРТАЦП 0ПУБЛ1К0ВАН0 В РОБОТАХ:

1. Фазовые равновесия и некоторые кинетические особенности взаимодействий в системе si-o-c. //Ростовцев С.Т.,Ашин А. К. .Анкудинов Р. В., Костелов 0.Л..Камкина Л.В./Изв.АН СССР.Металлы.№ 6.1972.С.34-41.

2. Камкина Л.В., Ростовцев C.B., Анкудинов Р.В. Исследование кинетики восстановления элементов в шихтах tino - sío„ - с. //Изв. АН СССР. Металлы. » I. 1977. С.26 - 32. 2

3. Влияние особенностей подготовки шихты на совместное восстановление окислов марганца и кремния. //Ашин А.К., Мураховский В.В., Ростовцев СЛ., Хитоик С.И., Камкина Л.В. и др. /В сб. Металлургия марганца. Москва: Имет. A.A. Байкова. 1975. С. 14 - 15.

4. Кинетика восстановления элементов в шихтах мпо - sío2- с. //Камкина

Л.В., Ростовцев О.Т., Ашин А.К;, и др. /В сб. Восстановительные процессы в производстве ферросплавов. Москва: Наука. 1977. С. 93 -97.

5. Ашин А.К., Камкина Л.В., Ростовцев С.Т. Некоторые особенности кинетики восстановления в системах Fe - Мп - о'- с и Fe - sí - о - с. //В сб. Восстановительные процессы в производстве ферросплавов. Москва: Наука. 1977. С. 100-103.

6. Ростовцев С.Т., Камкина Л,В., Анкудинов Р.В. Исследование совместного ■ углетермического восстановления металлов в шихтах Feo - sío2 и Мпо -

. Si02.//B сб.Структуры фаз и процессы восстановления элементов в твердых и жидких системах. Москва: Наука. 1978. С.94-107.

7. Рогачев И.П., Камкина Л.В., Грищенко С.Г. Влияние основности шлака на кинетику восстановления марганцевых руд Ушкатынского месторождения. /В сб. Физико-химические процессы в электротермии ферросплавов. Москва: Наука; 1981. С.116 - 119.

8. Металлургические свойства,брикетов, изготовленных на основе марганцевых концентратов с различным содержанием кремнезема.//Мазмишвили D.M., Симонгулов 3,А., Ломсадзе Г.И., камкина л.В. /В сб. Марганец. Добыча, обогащение и переработка. Тбилиси: ГрузНИИНТИ. 1981. Вып. 1(73). С. 21 - 26.

9. Восстановимость силикомарганцевых шихт.•//Мазмишвили С.М., Симонгу-лов 3.А., Ломсадзе Г.И., Камкина Л.В. /В сб. Повышение эффективности производства и качества металлургической продукции. Тбилиси: ГрузНИИНТИ. 1981. С.76 - 78.

10

ii

12

13

14

15

16

17.

18

19

20.

21

22

24

Исследование кинетики восстановления закиси марганца из передельного шлака при выплавке низкофосфористого углеродистого ферромарганца. //Гаврилов В.А., Кучер А.Г., Камкина Л.В., мироненко П.Ф.. /В сб. Металлургия и коксохимия. Киев: Технта. 1981. & 74. С. 48 - 51. Кучер А.Г., Камкина Л.В., Анкудинов Р.В. Особенности востановления • фосфора применительно к получению железомарганцевых сплавов./В сб. Физико-химические исследования процессов восстановления окисных систем. Москва: Металлургия. 1983 (МИСиС. Науч.тр.* 149). С. 77-82. Кучер А.Г., Камкина Л.В., Рожков А.Д.,. Анкудинов Р.В. Кинетические особенности газового восстановления минеральных разностей марганцевых руд. /В сб. Металлургия и коксохимия. Киев: Техн1ка, 1984. JS 85. С. 35 - 40.

Рожков А.Д., Камкина Л.В., Костелов О.Л., Лемберский В.А. йсследо- • вание процессов диссоциации и восстановления оксидных марганцэвых концентратов. /В сб. Металлургия и коксохимия. Киев: Технпса. 1984. , % 85. С. 35 - 40.

Кучер А.Г., Камкина Л.В., Анкудинов р.В., Черезов С.Г. Восстановление силикомарганцевых шихт в присутствии добавок оксидов щелочных металлов. /В сб. Интенсификация электроферросплавных процессов и повышение качества продукции, Днепропетровск: даетИ. 1985. С.II. Кучер И.Г., Ткач Г.Д,, Камкина Л.В. Сравнительные исследования влияния оксидов щелочноземельных металлов на кинетику совместного восстановления силикомарганцевых шихт. /В сб. Интенсификация электроферросплавных процессов и повышение качества продукции. Днепропетровск: ДМетИ. 1985. С.12 - 13.

Рожков А.Д., Костелов О.Л., Камкина Л.В. Поведение марганцевых концентратов при тепловой обработке в различных газовых фазах. /В сб. Физико-химические исследования малоотходных процессов в электротермии. Москва: Наука. 1985., С. 195 - 197,

Симонгулов З.А., Мчедлидзе Т.Н., Камкина Л.В., Шмелев Ю.С. Влияние способов шихтоподготовки на процесс восстановления марганца и кремния. /В сб. Марганец. Добыча, обогащение и переработка. Тбилиси: ГрузНИИНТИ. 1986. » 4 (106). С. 21 - 25;

Гончаренко В.Д., Камкина Л.В., Анкудинов Р.В. Технологические особенности выплавки ферросплавов с частичной заменой кокса промышленными отходами растительного происхождения, /В сб. Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования. Днепропетровск: , ДМетИ. 1986. с. 68 - 69.

Гизенко Н.В., Венцковский A.B., Камкина Л.В., Анкудинов Р.В. Термо-граьиметрическое исследование процессов восстановления глиноземкро-мнеземистой шихты углеродом в присутствии отработанного катализатора. /В сб. Проблемы металлургического производства. Киев: ТехнШ, 1989. JS 99. С. 74 - 79.

Яковлев Ю. Н., Рыдванская Т.В., Камкина Л.В. Математическая, модель процесса газовыделения в слитке, /В сб. Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических . технологий. Курган: КМИ. 1990. С. 127-128."

Яковлев Ю.Н., Л.В,Камкина. Влияние интенсивности подвода ' кислорода на величину неравновесности реакции обезуглероживания; /В сб. Физико-химические основы металлургических процессов, Москва: Черметин-формация. 1991. 4-2. С.161-162. -

Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н. Саморегулирование процесса обезуглероживания в мартеновских печах. /В сб. Моделирование физико-химических систем и процессов в металлургии.Новокузнецк:СМИ. IS9I.С.II8-II9.23. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н. Саморегулирование реакции обезуглероживания в мартеновских печах. //Изв. вузов. Черная • металлургия.1992. Ji 4. С. 89 - 91. .

Яковлев Ю.Н., Камкина Л.В., Рыдванская Т.В., Сигарев E.H. Анализ различных динамических моделей процесса обезулероживания и их ис--

пользование при исследовании сталеплавильных процессов. //Изв. вуз-' ов. Черная металлургия. 1992. № 6. С.65-68.

25. Анализ необратимости процессов в сталеплавильных агрегатах как в открытых металлургических системах и разработка динамической прогнозирующей модели Процесса обезуглероживания. //Яковлев Ю.Н., Камкина Л.13., Рыдванская Т.В., Сигарев E.H. /Труда первого конгресса стало-плавильщиков. Москва: АО Черметинформация. 1993. С. 89 - 93.

26. Яковлев Ю.Н., Камкина Л.В. Перспективы физико-химического и математического обеспечения систем управления металлургическими процессами. /В сб. Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Москва: Металлургия. 1994. С. 213-216.

27. Яковлев Ю.Н..Камкина Л.В..Сигарев E.H..Рыдванская I.В.Динамическая прогнозирующая модель конвертерного процесса¡основанная на принципах неравновесности металлургических реакций. / Труда второго конгресса сталеплавильщиков. Москва: АО Черматинфоркация.1994, C.II8-I20.

28. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н. Отклонение от равновесия реакций в систе-г.о металл-шлак при выплавке силикомарганца. /В материалах международной конференции "Современное состояние и перспективы развития электротермического производства цветных металлов. Ферросплавов и других неорганических материалов.Днепропетровск.ГМетАУ.19Э4.С.80-81.

29. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н. О некоторых причинах неустойчивого хода сталеплавильных процессов. /В материалах VII Международной научно-технической конференции"Теория и практика кислородно-конвертерных процессов".Днепропетровск.. ГМетАУ 1994. С.125-126.

30. Гидродинамика жидких капель металла при движении в слое шлака. // Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н., Анкудинов Р.В., Стовба Я.В. /В тр.Международной научно-технической конференций;' " Теория и технология аглодоменного производства". Днепропетровск. ГМетАУ. 1995. С. 8 - 10.

31. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н., Анкудинов Р.В. Особенности взаимодействия твердых и жидких фаз при восстановительных процессах в шахтных печах. /В тр. Международной научно-технической конференции."Теория И технология аглодоменного производства". Днепропетровск. ГМотАУ. 1995. С. 13 - 14.

32. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н. Формирование газожидкостных пленок при прямом восстановлении оксидов. / В тр. Международной научно-технической конференции. "Теория и технология аглодоменного производства". Днепропетровск. ГМетАУ. 1995. С. 15 - 16.

33. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н.-, Стовба Я.В.Гидродинамика течения жидких пленок расплавов по шихтовым материалам. /В тр. Международной научно-технической конференций. " Теория и технология аглодоменного производства". Днепропетровск. ГМетАУ. 1995. С. 16 - 17.

34. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н. Физико-химическое подобие конвертерных и других сталеплавильных процессов. //Металлы. JE I. 1995. С. 9 - 13.

35. Камкина Л.В., Яковлев Ю.Н., Колбин H.A., Стовба Я.В. Перенос в бар-ботируемом металлическом расплаве при наличии в нем гетерогенной зоны. //Изв. вузов. Черная металлургия. № 2. 1995. С. 8 - 10.

36. Яковлев Ю.Н., Камкина Л.В. Исследование газовыделения в слитке кипящей стали на математической модели. //Металл и лигье Украины. № I.I995. 0.105 - 106.

37. Яковлев Ю.Н., Камкина Л.В. Использование методов термодинамики необратимых процессов для исследования металлургических процессов. //Металл и литье Украины, л 5. 1995. С. 9 - ГЗ.

38. Камкина Л.В, Формирование конечного состава металла и шлака при получении силикомартаяца. //В тр. Международной научно-практической конференции "Теория и практика электротермии ферросплавов". Никополь. ОАО НЗФ.19Э6. С. 43 - 45.

39. Камкина Л.В. Расчет температурных полей в объеме печи и их взаимосвязь с,процессами плавления и восстановления при плавке силикомарганца. //В тр. Международной научно-практической конференции "Теория и практика электротермии ферросплавов'. Никополь. ОАО НЗФ.1996. С.

В рюботах, написаних в сшвавторств 1, особитий внесок здобувача полагай:

/1,2,4,5,6,14/ - розробка методики I екперимвнтальн 1 досл1даення к1не-тики сум юного вуглецетерм 1чного вщновлення оксид!в марганцю та крем-нш з р 1дких розгыав!в та ix узагальнення; /3,8,17/ - розробка методики 1 проЧюдення експерименлв по моделюванню впливу способу шдготовки шихти на степ1нь сум юного вшовлення кремнпймютячих шихт та ix уза-гальнення: /9,15,19/ - проведения експериментальних досл1даень, обробка 1 анал1з одержаних результат 1в по впливу !нтенсиф 1куючих дом шок на к1-нетику в1дновл9ння с!л1комарганцевих шихт: /10,11,12,13,16/ - проведения експериментальних дослщжень по в!дновленню оксид Ш в - р!зних газових середовищах 1 ix узагальнення: /7,18/ - лаборатории дослщкення I анал1з показникш технолог 1чного процесу: /21,22,23,25,29/ - проведения обчис-лювальних експериментш, ix аналш та узагальнення, вив!д нових резуль-тат1в: /20,24, 26,27,36/ - проведения математичиого моделювання, анал1з результат 1в та узагальнення, розробка нових вар1ант1в математичшх моделей: /28,34,37/ - розробка математичних моделей, проведения моделювання, узагальнення результат1в; /30,31,32,33,38,39/ - виВ1р методу, проведения розрзхушив, узагальнення результат 1в, ix анал!з та висновки: /35/ -екперимвнтальн1 досл1даення, 1х обробка, узагальнення результат1в.

Kamklna L. V. A DEVELOPMENT OF PHYSICAL-CHEMIKAL AND MATHEMATICAL MODELS OF A REDUCING-OXYDIZING PROCESSES OF FERROUS METALLURGY ON A BASIS OF NONEQU1L1BRIUM THERMODYNAMICS

Thesis for a technical doctor's degree. Speciality 05.1Б. 02 "ferrous metallurgy". State metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk.

Thesis is devoted to theoretical substantiation and synthesis of adequate physikal-chemical and determined- mathematical models of metallurgical processes on the basis of a basic reaction nonequilibrity analysis, research of a joint element - oxydizlng and reduction kinetics, thermodynamics and mass exchange at Interactioh of solid and liquid phases . A separate carbon fluxes on Si and Mn reduction In non-stationary processes are determined. The analysis of some reaction nonequilibrity at slllcomanganese production was perfomad and nonoquillb-rium real distubution ratios of elements between slag and, metal was determined . A completion fulness of different mass exchange modes between solid and liquid phases was compared. A determined static and dynamic models of slllcomanganese production process was syntheslsed. This models allow to treat analytically an basic factors efects on technological indicators of process. An examination of decarburlsation process was perfomed and condition of self-control arising In this process was shown. A possibility of a physical and chemical similarity application for dynamic model and researching of metallurgical processes was shown in this work.

Камкша Л.В. Розробка ф!зико-х1м1чних та математичних моделей окис-лювзлыю-в1дновних процесш.чорно! металургп на ochobi нер1вноважно1 термодинам Пси.

Дисерташя на здобуття вченого ступеню доктора техн1чних наук по спец!эльност1 05.16.02 - "Металурпя чорних металШ", Державна металур-г!йна Академ 1я Укрз1ни, Дн шропетровськ, 1996.

Работа присвячена теоретичному обгрунтованню та синтезу адзкватних ф!зико-хш1чних I детерм 1н ¡рованих математичних моделей мэталург 1йних пронес1в на основ! анал!зу нершноважност1 основних реакц1й, досл1дження кпютеки сум юного окисления та в1дновленння, термодинам пси- та мосоэбмшу при взаемодп твердих та р!дких фаз. Визначен! реальн1 потоки вуглеп» на вщювлення кремн1ю та марганцю в нестацюнарному процэс!. Проянзл1зована кер!вноважнють окремих реакд!й про . одержанн!

с Шкомарганцю та визначеш нер1вноважн1 реалып коефпиенти розпод1лу одеменпв м!ж шшкот та металом. СШвставлена повнота завершения р1зиих вид1в масообмшу М1ж твердими та р!дкими фазами. Синтезован! статична та данам 1чна мод8Л1 пронесу одержання с шкомарганцю, як! дають можливипъ аналшувати вплив основних фоктор!в процесу на його технолог 1чнт показники. Виконано анал1з процесу зневуглецьовування, показан! умоьи вшшкнення його саморегулювання. В робот 1 показана можливппь використання ф1зико-х1м1чно! подю'ност! для побудови динам 1чних моделей та дослздження металург шних процесс.

КЛЮЧОВI СЛОВА: нершноважна термодинам 1ка, математичн! кодел!, масообмш, сишомарганець, зневуглецьовування, ф 1зико-х 1м гчна под 16-Н1СТЬ.