blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-5-391-397blackmet-1065Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАЗ ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА В УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ФЛУКТУАЦИЙTHERMODYNAMIC CHARACTERISTICS OF PHASE INTERACTION DURING MELTING OF CAST IRON UNDER CONDITIONS OF TEMPERATURE FLUCTUATIONSГрачевВ. А.GrachevV. A.

член-корр. РАН, д.т.н., профессор, зав. кафедрой системной экологии, главный научный сотрудник

Corresponding Member of Russian Academy of Sciences (RAS), Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair of Systems Ecology, Chief Researcher

vagrachev@gmail.comРоссийский университет дружбы народов Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАНРоссияRUDN University, Moscow Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of RAS (IPCE RAS), MoscowRussian Federation201727052017605391397Copyright © Грачев В.А., 20172017Грачев В.А.Grachev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1065

Приведен термодинамический анализ взаимодействия фаз при плавке чугуна в литейном производстве в вагранках и электропечах. Автором проведены исследования влияния активностей компонентов на процессы плавки чугуна при различных составах взаимодействующих фаз, соответствующих условиям плавки в вагранках, индукционных и дуговых печах. Влияние каждого из факторов на взаимодействие фаз было изучено в условиях наличия температурных флуктуаций. Установлено влияние активностей компонентов на значение свободной энергии Гиббса как в равновесных условиях, так и при наличии температурных флуктуаций. Это имеет особенно существенное значение при контактировании жидкого металла, шлака и углерода. Показана роль температурных флуктуаций на взаимодействие металла с газовой фазой, шлаком и углеродистыми твердыми материалами. Условия плавки чугуна характеризуются наличием температурных флуктуаций, которые нарушают всю равновесную картину процесса. Макрофлуктуации температуры со значительным временем релаксации наблюдаются в дуговых печах. Такие макрофлуктуации можно рассматривать как пространственно-временную неоднородность температурного поля. В газовом пламени также имеют место флуктуации температуры. Флуктуации температуры возникают при контакте капель металла с раскаленной поверхностью кусков кокса. На основе исследований разработана, запатентована и внедрена в производство принципиально новая конструкция газовой вагранки с гетерогенной холостой огнеупорной колошей.

 

The article represents a thermodynamic analysis of phase interaction during cast iron melting in cupola and electric furnaces at foundry. The author has studied the influence of the components’ activities on the cast iron melting in various compositions of the interacting phases corresponding to the melting conditions in cupola, induction and arc furnaces. The influence of each factor on the phase interaction has been studied in the presence of temperature fluctuations. The effect of the components’ activities on the Gibbs free energy in both the equilibrium conditions and the presence of temperature fluctuations have been determined. This is particularly essential when contacting with the molten metal, slag and carbon. The influence of temperature fluctuation on the interaction of the metal with the gas phase, slag and carbonic solid materials has been revealed. The conditions of cast iron melting can be characterized by the presence of temperature fluctuations disturbing the equilibrium of the process. Temperature macrofluctuations with a significant relaxation time can be observed in arc furnaces. Such macrofluctuations can be considered as the spatial temporal heterogeneity of the temperature field. There are also temperature fluctuations in gas flame. Temperature fluctuations occur upon contact of metal drops with hot surface of coke lumps. Based on the research, a fundamentally new design of gas cupola furnace with heterogeneous fire-resistant bed charge has been developed, patented and introduced. 

 

чугунплавкатермодинамика взаимодействия фазтемпературные флуктуацииокислительно-восстановительные реакциигазовые вагранкинеравновесная термодинамикаcast ironmeltingthermodynamics of phase interactiontemperature fluctuationredox reactionsgas cupolanonequilibrium thermodynamicsReferencesПригожин И.Р., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – М.: Изд-во УРСС, 2014. – 304 с.Prigozhin I., Stengers I. Order out of chaos. Bantam: 1984, 290 p.  (Russ.ed.: Prigozhin I.R., Stengers I. Poryadok iz khaosa. Moscow:  Editorial URSS, 2014, 304 p.).Еремин E.Н. Основы химической термодинамики. – М.: Высшая школа, 1978. – 391 с.Eremin E.N. Osnovy khimicheskoi termodinamiki [Basic principles  of  chemical  thermodynamics].  Moscow:  Vysshaya  shkola,  1978,  391 p. (In Russ.).Пригожин И.Р. Введение в термодинамику необратимых процессов. – М.: ИЛ, 1960. –127 с.Prigozhin  I.  Introduction to thermodynamics of irreversible processes. (Second ed.). New York: Interscience, 1961. (Russ.ed.: Prigozhin  I.R.  Vvedenie v termodinamiku neobratimykh protsessov.  Moscow: IL, 1960, 127 p.).Де Гроот С.Р., Мазур П. Неравновесная термодинамика. – М.: Мир, 1964. – 456 с.De Groot S.R., Mazur P. Non¬equilibrium thermodynamics. Amster-dam: North-Holland Publishing Company; New York: Wiley, 1962,  510 p. (Russ.ed.: De Groot S.R., Mazur P. Neravnovesnaya termodinamika. Moscow: Mir, 1964, 456 p.).Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика. – М.: Наука, 1971. – 415 с.Zubarev  D.N.  Neravnovesnaya statisticheskaya termodinamika [Nonequilibrium  statistical  thermodynamics].  Moscow:  Nauka,  1971, 415 p. (In Russ.).Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. – М.: Мир, 1974. – 304 с.Dyarmati  I.  Non¬equilibrium thermodynamics. Field, theory and variational principles. Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Ver-lag, 1970. (Russ.ed.: Dyarmati I. Neravnovesnaya termodinamika.  Moscow: Mir, 1974, 304 p.).Николис Г, Пригожин И.Р. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: Мир, 1979. – 512 с.Nicolis G., Prigogine I. Self¬Organization in Non¬Equilibrium Systems. London: Wiley, 1977, 512 p (Russ.ed.: Nicolis G., Prigogine  I.  Samoorganizatsiya v neravnovesnykh sistemakh.  Moscow:  Mir,  1979, 512 p.).Пригожин И.Р., Дэфей Р. Химическая термодинамика: Пер. с англ. / Под ред. В.А. Михайлова. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 533 с.Prigogine I., Defay R. Chemical Thermodynamics. London: Prentice Hall Press, 1954. (Russ.ed.: Prigogine I., Defay R. Khimicheskaya termodinamika. Novosibirsk: SO Nauka, 1966, 512 p.).Глендсдорф П., Пригожин И.Р. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. – 2-е изд. – М.: Изд-во УРСС, 2003. –282 с.Glansdorff  P.  Prigogine  I.  Thermodynamics Theory of Structure, Stability and Fluctuations.  London:  Wiley-Interscience,  1971.  (Russ.ed.: Glansdorff P. Prigogine I. Termodinamicheskaya teoriya struktury, ustoichivosti i fluktuatsii. Moscow: Mir, 1973, 280 p.).Пат. 2194932 RU. Огнеупорная насадка газовой вагранки / В.А. Грачев, Е.А. Вестфальский, В.В. Вилисов и др.; заявл. 28.05.2001; опубл.20.12.2002.Grachev  V.A.,  Vestfal’skii  E.A.,  Vilisov  V.V.,  Gus’kov  V.P.,  Ignatov  V.D.,  Kirin  E.M.,  Krest’yanov  V.I.,  Meshcheryakov V.A.,  Mkrtchyan S.R., Chernyi A.A., Shchetinin L.V. Ogneupornaya nasadka gazovoi vagranki [Refractory nozzle of gas cupola]. Patent  RF no.  2194932. MPK F27B 1/00. (In Russ.). Пат. 2219450 RU. Холостая огнеупорная колоша газовой вагранки для плавки чугуна / В.А. Грачев, С.С. Бакума, В.В. Валисов и др.; заявл. 29.05.2002; опубл. 20.12.2003.Grachev  V.A.,  Bakuma  S.S.,  Valisov  V.V.,  Vestfal’skii  E.A., Krest’yanov V.I., Morgunov V.N., Pirogov V.I., Chernyi A.A. Kholostaya ogneupornaya kolosha gazovoi vagranki dlya plavkichuguna [Refractory bed charge of gas cupola for cast iron smelting].  Patent RF no. 2219450. MPK F27B 1/00. (In Russ.).Варшавский А.Е., Келле В.Ж., Мотова М.А. и др. Матер. науч.-практич. конф. «Инновации РАН – 2007» // Биржа интеллектуальной собственности. 2008. Т. 7. № 2. С. 1 – 28.Varshavskii  A.E.,  Kelle  V.Zh.,  Motova  M.A.,  Chinaeva  T.I.,  Allakhverlyan  A.G.,  Agamova  N.S.,  Mirskaya  E.Z.,  Zadumkin  K.A., Glazyrin M.V., Polyak Yu.E., Kirillov A.G., Klenin S.A.,  Kul’chin  Yu.N.,  Ovsyannikov  V.V.,  Uryvaev  K.P., Paderin I.M., Leont’ev L.I., Selivanov E.N., Demikhov E.I. Materials of the Research-to-Practice Conference “Innovations of the Academy of Sciences – 2007”. Birzha intellektual’noi sobstvennosti. 2008, vol. 7,  no. 2, pp. 1–28. (In Russ.).Леонтьев Л.И., Бейлин Е.Л., Селиванов Е.Н., Падерин И.М. Союз Институтов УРО РАН и ФСР МФП НТС как основа для продвижения инноваций // Инновации. 2009. Спец. выпуск (II). С. 33 – 36.Leont’ev L.I., Beilin E.L., Selivanov E.N., Paderin I.M. Union of the Ural Division of the Russian Academy of Sciences and the Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology as a basis for the promotion of innovation. Innovatsii.  2009, Special issue (II), pp. 33–36. (In Russ.).Леонтьев Л.И., Ватолин Н.А., Селиванов Е.Н. Развитие инно-вационной деятельности в Институте металлургии УРО РАН // Инновации. 2005. № 3. С. 30 – 32.Leont’ev L.I., Vatolin N.A., Selivanov E.N. Development of innovative activities at the Institute of Metallurgy of the Ural Division  RAS. Innovatsii. 2005, no. 3, pp. 30–32. (In Russ.).Леонтьев Л.И., Юсфин Ю.С., Малышева Т.Я. и др. Сырьевая и топливная база черной металлургии: Учеб. пособие. – М.: Академкнига, 2007. – 304 с.Leont’ev L.I., Yusfin Yu.S., Malysheva T.Ya., Shumakov N.S., Travyanov A.Ya., Garaeva O.G. Syr’evaya i toplivnaya baza chernoi metallurgii: ucheb. Posobie [Raw material and fuel base of ferrous  metallurgy: Manual for graduate students in Metallurgy]. Moscow:  Akademkniga, 2007, 304 p. (In Russ.).Fundamentals of Metallurgy / H.Y. Sohn, S. Sridhar, R.E. Aune etc. – Cambridge, England, Boca Raton, Boston, New York, Washington, DC: Woodhead Publishing Limited, CRC Press, 2005. – 589 p.Sohn H.Y., Sridhar S., Aune R.E., Morita K., Sano N., Mills K.C.,  Lahiri A.K.,  Mukai  K.,  Mohanty  O.N.,  Sichen  D.,  Crumb A.W., Engberg G., Karlsson L., Lemoisson F., Froyen L, Emi T. Fundamentals of Metallurgy. Cambridge, England, Boca Raton, Boston,  New York, Washington, DC: Woodhead Publishing Limited, CRC  Press, 2005, 589 p.Grachev V.A. Production of high strength spheroidal graphite cast iron during cast iron smelting in gas cupola furnaces // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 18. Р. 9515 – 9519.Grachev V.A. Production of high strength spheroidal graphite cast iron during cast iron smelting in gas cupola furnaces. International Journal of Applied Engineering Research. 2016, 11 (18), pp. 9515–9519.Grachev V.A. Production of high quality cast iron in a gas cupola furnace // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 22. Р. 10849 – 10856.Grachev V.A. Production of high quality cast iron in a gas cupola  furnace.  International Journal of Applied Engineering Research.  2016, vol. 11, no. 22, pp. 10849–10856.Grachev V.A. Development and application of gas cupolas in foundry production // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11. No. 23. Р. 13790 – 13796.Grachev V.A. Development and application of gas cupolas in foundry production. Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016,  vol. 11, no. 23, pp.13790–13796.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.