blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-10-820-825blackmet-1159Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИЗУЧЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ШЛАКОВ СИСТЕМЫ СаО–SiO2 –В2 О3 –25  %  Al 2 O3 –8  %  MgOSTUDY OF THE VISCOSITY OF SLAGS OF СаО–SiO2 –В2 О3 – 25 % Al2 O3 – 8 % MgO SYSTEMБабенкоА. А.BabenkoA. A.

д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов,

620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101,

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals,

Ekaterinburg

babenko@gmail.comЖучковВ. И.ZhuchkovV. I.

д.т.н., профессор, главный научный сотрудник,

620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101,

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher,

Ekaterinburg

УполовниковаА. Г.UpolovnikovaA. G.

к.т.н., старший научный сотрудник,

620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher,

Ekaterinburg

upol.ru@mail.ruКельИ. Н.Kel’I. N.

младший научный сотрудник,

620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Junior Researcher,

Ekaterinburg

Институт металлургии УрО РАН; Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияInstitute of Metallurgy UB RAS; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationИнститут металлургии УрО РАНРоссияInstitute of Metallurgy UB RASRussian Federation2017281120176010820825Copyright © Бабенко А.А., Жучков В.И., Уполовникова А.Г., Кель И.Н., 20172017Бабенко А.А., Жучков В.И., Уполовникова А.Г., Кель И.Н.Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Upolovnikova A.G., Kel’ I.N.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/1159

Исследование влияния содержания оксида B2 O3 и основности шлака на вязкость системы СаО – SiO2  – В2 О3 , содержащей 25  % Al2 O3 и 8 % MgO (здесь и далее указаны проценты по массе), было выполнено с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента, который позволяет получать математические модели, описывающие зависимость свойства от состава в виде непрерывной функции. Синтетические шлаки, соответствующие по составу вершинам изучаемого симплекса, выплавляли в графитовых тиглях из предварительно прокаленных оксидов марки ЧДА. Составы шлаков, соответствующие остальным точкам плана локального симплекса, получали встречной шихтовкой шлаков вершин симплексов. Вязкость шлаков измеряли в молибденовых тиглях с помощью электровибрационного вискозиметра в токе аргона при непрерывном охлаждении расплава от гомогенно-жидкого до твердого состояния. Используя экспериментальные данные, построили математические модели, описывающие связь температуры заданной вязкости с составом оксидной системы. Затем совмещением полученных диаграмм состав – температура заданной вязкости на изотермический разрез диаграммы состав – вязкость получили совокупность изолиний вязкости. Обобщение результатов математического моделирования и графического отображения на изотермическом разрезе диаграммы состав – вязкость позволило получить новые данные о вязкости оксидной системы СаО – SiO2  – В2 О3 , содержащей 25  % Al2 O3 и 8 % MgO в интервале основности от 2 до 5 и содержания 1 – 10 % В2 О3 . Шлаки изучаемой оксидной системы в интервале температур 1400 – 1500 °С характеризуются низкой вязкостью. При температуре 1400 °С вязкость шлаков основностью 2,0 – 2,5, содержащих 7 – 10 % B2 O3 , не превышает 3 – 4 Пз. Смещение шлаков в область основности 3 – 5 сопровождается при снижении содержания оксида B2 O3 до 2 – 6 % повышением вязкости шлаков до 12 Пз. Увеличение температуры до 1450 °С приводит к значительному снижению вязкости шлаков, которая в области основности 2 – 3 даже при содержании 4 % B2 O3 не превышает 4 Пз и увеличивается до 6 Пз в области основности 3 – 5 и содержании 1 – 3 % В2 O3 . При температуре 1500 °С вязкость шлаков в области основности 3 – 5 при содержании 1 – 4 % В2 O3 не превышает 4 Пз.

The effect of the B2O3 content and the slag basicity on the viscosity of the CaO – SiO2 – B2O3 system containing 25  %  Al2O3 and 8  % MgO2 was studied using a simplex-lattice method of experiment planning that allows obtaining mathematical models describing the dependence of the property on the composition as a continuous function. Synthetic slags, corresponding to the composition of simplex under study, were smelted in graphite crucibles from pre-calcined oxides. The composition of slags, corresponding to the remaining points of the local simplex plan, was obtained by counter-packing the slags of simplexes. The viscosity of the slag was measured in molybdenum crucibles by means of an electrovibrational viscometer in an argon flow with continuous cooling of the melt from a homogeneous-liquid to a solid state. Mathematical models were constructed that describe the relationship between the temperature of a given viscosity and the composition of the oxide system using experimental data. Then, a set of viscosity isolines was obtained by combining the obtained composition-temperature diagrams of the given viscosity with the isothermal section of the composition-viscosity diagram. The generalization of mathematical modeling results and graphical imaging on the isothermal profile of the composition-viscosity diagram made it possible to obtain new data on the viscosity of the CaO – SiO2 – B2O3 oxide system containing 25  %  Al2O3 and 8  %  MgO in the basic 2  –  5 range and 1  –  10  % B2O3 content. The slags of the oxide system under study in the temperature range of 1400  –  1500  °C are characterized by low viscosity. At a temperature of 1400  °С, the viscosity of slag with basicity 2.0  –  2.5, containing 7  –  10  % B2O3 does not exceed 3  –  4  Ps. The displacement of the slag into the basicity of 3  –  5 is accompanied by a decrease in B2O3 content to 2  –  6  % by increasing the slag viscosity to 12  Ps. An increase in temperature to 1450  °C leads to a significant decrease in the viscosity of slags with basicity of 2  –  3, even for slag with B2O3 content of 4  %, it does not exceed 4  Ps and increases to 6  Ps in the basicity of 3  –  5 and B2O3 content of 1  –  3  %. The slag viscosity in the basicity of 3  –  5 at B2O3 content of 1  –  4  % does not exceed 4  Ps at a temperature of 1500  °С.

борсодержащие шлакиосновностьвязкостьпланирование экспериментадиаграммы состав – вязкостьboron containing slagsbasicityviscosityexperimental planningcomposition-viscosity diagramsРФФИReferencesЧумаков С.М., Ламухин А.М., Зинченко С.Д. и др. Концепция производства низкосернистых сталей на ОАО «Северсталь» с учетом технологических аспектов: Труды VI конгресса сталеплавильщиков. – М.: АО «Черметинформация», 2001. С. 63 – 66.Chumakov S.M., Lamukhin A.M., Zinchenko S.D. Concept of production oflow-sulfursteels at OAO Severstal, taking into account the technological aspects. In: Trudy VI kongressa staleplavil’shchikov [Proceedings of the Sixth Congress of Steelmakers]. Moscow: AO “Chermetinformatsiya”, 2001, pp. 63–66. (In Russ.).Попель С.И. Теория металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1986. – 463 с.Popel’ S.I. Teoriya metallurgicheskikh protsessov [Theory of metallurgical processes]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 463 p. (In Russ.).Соколов Г.А. Внепечное рафинирование стали. – М.: Металлургия, 1977. – 208 с.Sokolov G.A. Vnepechnoe rafinirovaniye stali [Out-of-furnace refining of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1977, 208 p. (In Russ.).Hongming W., Tingwang Z., Hua Z. Effect of B2 O3 on Melting Temperature, Viscosity and Desulfurization Capacity of CaO – based Refining Flux// ISIJ International. 2011. Vol. 51. № 5. Рр. 702 – 708.Hongming W., Tingwang Z., Hua Z. Effect of B2 O3 on melting temperature, viscosity and desulfurization capacity of CaO – based refining flux. ISIJ International. 2011, vol. 51, no. 5, рр. 702–708.Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Т. 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки. – М.: Теплотехник, 2008. – 528 с.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Proizvodstvo stali. Tom 1. Protsessy vyplavki, vnepechnoi obrabotki i nepreryvnoi razlivki [Production of steel. Vol. 1. Processes of smelting, out-of-furnace processing and continuous casting]. Moscow: Teplotekhnik, 2008, 528 p. (In Russ.).Курпас В.И., Крупман Л.И., Бродский С.С. Усовершенствованная технология внепечного рафинирования стали: Сб. науч.-тех. статей из журнала «Сталь». – М.: Металлургия, 1987. С. 61 – 64.Kurpas V.I., Krupman L.I., Brodskii S.S. Improved technology of out-of-furnace refining of steel. Stal’. 1986, no. 2, pp.56–59 (In Russ.).Takahashi D., Kamo M., Kurose Y., Nomura H. Deep steel desulphurisation technology in ladle furnace at KSC// Ironmaking and Steelmaking. 2003. Vol. 30. No. 2. Рр. 116 – 119.Takahashi D., Kamo M., Kurose Y., Nomura H. Deep steel desulphurization technology in ladle furnace at KSC. Ironmaking and Steelmaking. 2003, vol. 30, no. 2, pp. 116–119.Iwamasa P.K. and Fruehan R. J. Formation and behaviour of Mn containing oxysulphide inclusions during desulphurisation, deoxidation and alloying// Metall. Mater. Trans. 1997. B. 28. Р. 47.Iwamasa P.K. and Fruehan R. J. Formation and behaviour of Mn containing oxysulphide inclusions during desulphurisation, deoxidation and alloying. Metall. Mater. Trans. 1997, vol. 28, 47 p.Yan P., Guo X., Huang S., Dyck J., Guo M., Blanpain B. Desulphurisation of Stainless Steel by Using CaO – Al2 O3 Based Slags during Secondary Metallurgy// ISIJ International. Vol. 53 (2013). No. 3. Рp. 459 – 467.Yan P., Guo X., Huang S., Dyck J., Guo M., Blanpain B. Desulphurisation of stainless steel by using CaO–Al2 O3 based slags during secondary metallurgy. ISIJ International, 2013, vol. 53, no. 3, pp.  459–467.Gaye H. and Lehmann J. Modeling and prediction of reactions involving metals, slags and fluxes. VII International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts, The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004. Рp. 619 – 624.Gaye H. and Lehmann J. Modeling and prediction of reactions involving metals, slags and fluxes. VII Int. Conference on Molten Slags Fluxes and Salts, The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004, pp. 619–624.Hui-xiang Yu, Xin-hua Wang, Mao Wang, Wan-jun Wang Desulfurization ability of refining slag with medium basicity// Int. J. Miner. Metall. Mater. 2014. Vol. 21. No. 12. Рp. 1160 – 1166.Hui-xiang Yu, Xin-hua Wang, Mao Wang, Wan-jun Wang. Desulfurization ability of refining slag with medium basicity. Int. J. Miner. Metall. Mater, 2014, vol. 21, no. 12, pp. 1160–1166.Акбердин А.А., Киреева Г.М., Медведовская И.А. Влияние В2 О3 на вязкость шлаков системы СаО – SiO2 – Al2 O3 // Изв. АН СССР. Металлы. 1986. № 3. С. 55, 56.Akberdin A.A., Kireeva G.M., Medvedovskaya I.A. Influence of B2 O3 on the viscosity of slags of CaO – SiO2  – Al2 O3 system. Izv. AN SSSR. Metally. 1986, no. 3, pp. 55–56. (In Russ.).Wamg, H., Li G., Dai R. САS-OB: refining slag modification with В2 О3 – CaO and СаF2 – CаО // Ironmaking and Steelmaking. 2007. Vol. 34. No. 4. С. 350 – 353.Wamg H., Li G., Dai R. САS-OB refining: slag modification with В2 О3 – CaO and СаF2 – CаО. Ironmaking and Steelmaking. 2007, vol. 34, Issue 4, pp. 350–353.Бабенко А.А., Истомин С.А., Протопопов Е.В., Сычев А.В., Рябов В.В. Вязкость шлаков системы CaO – SiO2 – Al2 O3 – MgO – B2 O3 // Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 2. С. 41 – 43.Babenko A.A., Istomin S.A., Protopopov E.V., Sychev A.V., Ryabov V.V. Viscosity of СaО – SiO2 – Al2 O3 – MgO – B2 O3 slag system. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014, no. 2, pp. 41–43. (In Russ.).Ким В.А., Акбердин А.А., Куликов И.С. и др. Использование метода симплексных решеток для построения диаграмм типа состав – вязкость // Изв. вуз. Черная металлургия. 1980. № 9. С. 167.Kim V.A., Akberdin A.A., Kulikov I.S. The use of simplex lattices method for charting structure - viscosity diagrams. Izvestiya VUZov. Chernay metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1980, no. 9, pp. 167–168. (In Russ.).Планирование эксперимента при исследовании физико-химических свойств металлургических шлаков: Методическое пособие / Ким В.А., Николай Э.И., Акбердин А.А., Куликов И.С. – Алма–Ата: Наука, 1989. – 116 с.Kim V. A., Nikolai E. I., Akberdin A. A., Kulikov I. S. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii fiziko-khimicheskikh svoistv metallurgicheskikh shlakov: metodicheskoe posobie [Planning of experiment at the study of physical - chemical properties of metallurgical slags: Manual]. Alma-Ata: Nauka, 1989, 116 p. (In Russ.).Уполовникова А.Г., Бабенко А.А. Термодинамическое моделирование процессов восстановления бора из борсодержащих шлаков // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 48. № 10. С. 114 – 118.Upolovnikova A.G., Babenko A.A. Thermodynamic modeling of boron recovery from boron slags. Butlerovskie soobshcheniya. 2016, vol. 48, no. 10, pp. 114–118. (In Russ.).Бабенко А.А., Жучков В.И., Смирнов Л.А., Сычев А.В., Уполовникова А.Г. Использование метода симплексных решеток для построения диаграмм состав – вязкость шлаков системы СаО – SiO2 – Al2 O3 – MgO – B2 O3 // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 48. № 11. С. 40 – 44.Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Smirnov L.A., Sychev A.V., Upolovnikova A.G. The use of simplex lattices method for constructing the composition-viscosity diagrams of the slags of CaO – SiO2  –  Al2 O3  – MgO – B2 O3 system. Butlerovskie soobshcheniya. 2016, vol.  48, no. 11, pp. 40–44. (In Russ.).Бабенко А.А., Жучков В.И., Смирнов Л.А. и др. Исследование и разработка комплексной технологии производства низкоуглеродистой борсодержащей стали с низким содержанием серы // Сталь. 2015. № 11. С. 48 – 50.Babenko A.A., Zhuchkov V.I., Smirnov L.A., Sychev A.V., Akberdin A.A., Kim A.S., Vitushchenko M.F., Dobromilov A.A. Production technology for low-carbon, low-sulfur boron steel. Steel in Translation. 2015, vol. 45, no. 11, pp. 883–886.Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Жучков В.И. и др. Отработка технологии глубокой десульфурации металла и микролигирования стали бором на УКП под шлаками системы CaO – SiO2 – Al2 O3 – MgO – B2 O3 : Сборник трудов XIII Международного конгресса сталеплавильщиков. – М. – Полевской: изд. «Ассоциация сталеплавильщиков», 2014. С. 174 – 177.Babenko A.A., Smirnov L.A., Zhuchkov V.I., Selivanov E.N. Development of the technology of deep metal desulphurization and microalloying of steel by boron on ladle furnace under the slags of CaO – SiO2  – Al2 O3  – MgO – B2 O3 system. In: Sbornik trudov XIII mezhdunarodnogo kongressa staleplavil’shchikov [Proceedings of the 8th Int. Congress of Steelmakers]. Moscow-Polevskoy: izd. “Assotsiatsiya staleplavil’shchikov”, 2014, pp. 174–177. (In Russ.).

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