blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-12-955-959blackmet-1208Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕСУЛЬФУРАЦИИ МЕТАЛЛА БОРСОДЕРЖАЩИМИ ШЛАКАМИ СИСТЕМЫ СaО–SiO2 –MgO–Al2 O3 –B2 O3THERMODYNAMIC MODELING OF THE PROCESS OF METAL DESULPHURATION BY BORON CONTAINING SLAGS OF THE СaО–SiO2 –MgO–Al2 O3 –B2 O3 SYSTEMСалинаВ. А.SalinaV. A.

к.т.н., старший научный сотрудник 

620016, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

valentina_salina@mail.ruСычевА. В.SychevA. V.

к.т.н., старший научный сотрудник 

620016, ул. Амундсена, 101

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

ntm2000@mail.ruЖучковВ. И.ZhuchkovV. I.

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

620016, ул. Амундсена, 101

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

ntm2000@mail.ruБабенкоА. А.BabenkoA. A.

д.т.н., главный научный сотрудник 

620016, ул. Амундсена, 101

Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

babenko251@gmail.comИнститут металлургии УрО РАН, ЕкатеринбургРоссияInstitute of Metallurgy, UB RAS, EkaterinburgRussian Federation2017281220176012955959Copyright © Салина В.А., Сычев А.В., Жучков В.И., Бабенко А.А., 20172017Салина В.А., Сычев А.В., Жучков В.И., Бабенко А.А.Salina V.A., Sychev A.V., Zhuchkov V.I., Babenko A.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/1208

Проведено термодинамическое моделирование процесса десульфурации металла борсодержащими шлаками системы СаО – SiO2  – MgO – Al2 O3  – B2 O3 с применением программного комплекса HSC 6.12 Chemistry (Outokumpu). Изучены влияния температуры процесса (1500 – 1700 °С), основности шлака (2 – 5) и содержания В2 О3 (1 – 4 %)1 на десульфурацию стали. Установлено, что увеличение температуры процесса десульфурации металла с 1500 до 1700 °С способствует снижению содержания серы в изученном диапазоне основности шлака. При температуре 1600 °С содержание серы в металле составило 0,0052 % для шлака основностью 2, а при 1650  °С ее концентрация составила 0,0048 %. Повышение основности шлака с 2 до 5 оказало благоприятное влияние на степень десульфурации металла, увеличивая ее соответственно с 80,7 до 98,7 % при температуре 1600 °С. При этом повышение концентрации В2 О3 в шлаке оказало отрицательное влияние на процесс десульфурации металла. Шлак основностью 2, содержащий 1 и 4 % В2 О3 , позволил получить количество серы в металле соответственно 0,0052 и 0,012 % при температуре 1600 °С, а шлак основностью 5 с таким же содержанием В2 О3 при той же температуре обеспечил количество серы в металле на уровне 0,00036 и 0,001 % соответственно. Следует отметить, что более благоприятные условия процесса десульфурации металла обеспечил шлак без оксида В2 О3 по сравнению с борсодержащим. Шлаки основностью 2 и 5 без В2 О3 согласно результатам термодинамического моделирования позволили получить металл при температуре 1600  °С с  содержанием серы 0,0039 и 0,00019 % соответственно. Результаты расчета термодинамического моделирования процесса десульфурации металла бор- содержащими шлаками системы СаО – SiO2  – MgO – Al2 O3  – B2 O3 основностью 2 – 5 в интервале температур 1500 – 1700 °С коррелируют с данными экспериментальных исследований и могут иметь практическое значение при совершенствовании технологии процесса десульфурации стали борсодержащими шлаками в сталеплавильном производстве. 

Thermodynamic modeling of process of metal desulphurization with boron-containing slags of the СаО – SiO2  – MgO – Al2 O3  – B2 O3 system was carried out using HSC 6.1 Chemistry (Outokumpu) software. Influence of process temperature (1500-1700 °С), basicity of slag (2  –  5) and content of В2 О3 (1  –  4  %) on desulphurization of steel was studied. It was established that increase in temperature of metal desulphurization process from 1500  °C to 1700  °C helps to reduce sulfur content in the studied range of slag basicity. At temperature of 1600  °C, sulfur content in metal was 0.0052  % for slag basicity of 2, and at 1650  °C its concentration was 0.0048  %. Increase in basicity of slag from 2 to 5 had encouraging effect on the degree of metal desulfurization, increasing it from 80.7 to 98.7  %, respectively, at temperature of 1600  °C. At the same time, an increase in В2 О3 concentration in slag had a negative effect on the process of metal desulfurization. Slag with basicity of 2, containing 1 and 4  % of В2 О3 , allowed to obtain the amount of sulfur in metal, 0.0052  % and 0.0098  % respectively at a temperature of 1600  °C, and slag with basicity of 5 with the same content of В2 О3 at the same temperature provided the amount of sulfur in metal 0.00036 and 0.00088  %, respectively. It should be noted that more favorable conditions for metal desulphurization provided the slag without В2 О3 oxide comparing with the boron containing one. Slag with basicity of 2 and 5 without В2 О3 according to the results of thermodynamic modeling allowed to obtain metal at temperature of 1600  °C with sulfur content of 0.0039 and 0.00019  %, respectively. Results of calculation of thermodynamic modeling of metal desulphurization process with boron-containing slags of СаО – SiO2  – MgO – Al2 O3  – B2 O3 system with basicity of 2  –  5 in temperature range of 1500  –  1700  °C correlate with experimental data and can apply to improving technology of steel desulphurization with boron-containing slags in steelmaking industry. 

термодинамическое моделированиеборсодержащий шлакстальтемператураосновностьдесульфурация сталиthermodynamic modelingboron-containing slagsteeltemperaturebasicitydesulphurization of steelИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (Проект № 16-19-10435).The study was financially supported by grant of the Russian Science Foundation (Project no. 16-19-10435).ReferencesМеталлургия стали. Учебник для вузов / В.И. Явойский, Ю.В. Кряковский, В.П. Григорьев и др. – М.: Металлургия, 1983. – 584 с.Yavoiskii V.I., Kryakovskii Yu.V., Grigor’ev V.P., Nechkin Yu.M., Kravchenko V.F., Borodin D.I. Metallurgiya stali. Uchebnik dlya vuzov [Metallurgy of steel. Textbook for universities]. Moscow: Metallurgiya, 1983, 584 p. (In Russ.).Чуйко Н.М., Чуйко А.Н. Теория и технология электроплавки стали. – Киев-Донецк: Головное изд-во, 1983. – 248 с.Chuiko N.M., Chuiko A.N. Teoriya i tekhnologiya elektroplavki stali [Theory and technology of electric steel melting]. Kiev-Donetsk: Golovnoe izd-vo, 1983, 248 p. (In Russ.).Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и допол. – Магнитогорск: изд. МТГУ, 2000. – 544 с.Bigeev A.M., Bigeev V.A. Metallurgiya stali. Teoriya i tekhnologiya plavki stali. Uchebnik dlya vuzov [Metallurgy of steel. Theory and technology of steel melting. Textbook for universities]. Magnitogorsk: MTGU, 2000, 544 p. (In Russ.).Каблуковский А.Ф. Производство электростали и ферросплавов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 511 с.Kablukovskii A.F. Proizvodstvo elektrostali i ferrosplavov [Production of electric steel and ferroalloys]. Moscow: Akademkniga, 2003, 511 p. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Внепечная металлургия стали. – М.: Теплотехник, 2010. Т. 3. – 544 с.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V. Proizvodstvo stali. Vnepechnaya metallurgiya stali [Steel production. Out-of-furnace metallurgy of steel]. Moscow: Teplotekhnik, 2010, vol. 3, 544 p. (In Russ.).Новиков В.А., Царев В.А., Новиков С.В., Афанасьев С.Ю., Батов Ю.М. Термодинамические и кинетические особенности процесса десульфурации // Электрометаллургия. 2012. № 9. С. 16 – 20.Novikov V.A., Tsarev V.A., Novikov S.V., Afanas’ev S.Yu., Batov  Yu.M. Thermodynamic and kinetic features of desulphurization process. Elektrometallurgiya. 2012, no. 9, pp. 16–20. (In Russ.).Соколов Г.А. Внепечное рафинирование стали. – М.: Металлургия, 1977. – 208 с.Sokolov G.A. Vnepechnoe rafinirovanie stali [Out-of-furnace refining of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1977, 208 p. (In Russ.).Wang H., Zhang T., Zhu H., Li G., Yan Y., Wang J. Effect of В2 О3 on melting temperature, viscosity and desulfurization capacity of CaO-based refining flux // ISIJ International. 2011. Vol. 51. No 5. P. 702 – 706.Wang H., Zhang T., Zhu H., Li G., Yan Y., Wang J. Effect of В2 О3 on melting temperature, viscosity and desulfurization capacity of CaO-based refining flux. ISIJ International. 2011, vol. 51, no. 5, pp. 702–706.Турсунов Н.К., Семин А.Е., Санокулов Э.А. Исследование процессов дефосфорации и десульфурации при выплавке стали 20ГЛ в индукционной тигельной печи с дальнейшей обработкой в ковше с использованием редкоземельных металлов // Черные металлы. 2017. № 1. С. 33 – 40.Tursunov N.K., Semin A.E., Sanokulov E.A. Research of dephosphorization and desulfurization processes in smelting of 20GL steel in an induction crucible furnace with further processing in a ladle using rare earth metals. Chernye metally. 2017, no. 1, pp. 33–40. (In Russ.).Акбердин А.А., Ким А.С., Есенжулов А.Б. Теоретическая оценка и промышленная проверка технологии выплавки рафинированного феррохрома с использованием легкоплавких флюсов: Сб. трудов Международной научной конференции «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященной 110-летию со дня рождения академика А.М. Самарина. – М.: ИМЕТ РАН, 2012. С. 69.Akberdin A.A., Kim A.S., Esenzhulov A.B. Theoretical evaluation and industrial verification of smelting technology for refined ferrochromium using low-melting fluxes. In: Sb. trudov Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii “Fiziko-khimicheskie osnovy metallurgicheskikh protsessov”, posvyashchennaya 110-letiyu so dnya rozhdeniya akademika A.M. Samarina [Papers of the Int. Sci. Conf. “Physical and Chemical Foundations of Metallurgical Processes” dedicated to the 110th anniversary of the birth of Academician A.M.  Samarin]. Moscow: IMET RAN, 2012, p. 69. (In Russ.).Возчиков А.П., Демидов К.Н., Смирнов Л.А. и др. Разработка борсодержащих высокомагнезиальных флюсов рационального состава для сталеплавильного производства и экспериментальная оценка их физико-химических и рафинирующих свойств // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2014. № 11. С. 35 – 38.Vozchikov A.P., Demidov K.N., Smirnov L.A. etc. Development of boron-containing high-magnesia fluxes of rational composition for steelmaking and experimental evaluation of their physico-chemical and refining properties. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2014, no. 11, pp. 35–38. (In Russ.).Zhu Z.X., Li G.R., Wang H.M., Dai Q.X., Li B. // J. Univ. Sci. Technol. 2006. Bd. 28. S. 725.Zhu Z.X., Li G.R., Wang H.M., Dai Q.X., Li B. J. Univ. Sci. Technol. 2006, bd. 28, p. 725.Жарменов А.А., Муканов Д.М., Акбердин А.А. и др. Комплексная переработка минерального сырья Казахстана // Бор в процессах подготовки и металлургической переработки железорудного сырья. – Астана: Фолиант, 2003. Т. 3. С. 3 – 87.Zharmenov A.A., Mukanov D.M., Akberdin A.A. etc. Complex processing of mineral raw materials in Kazakhstan. In: Bor v protsessakh podgotovki i metallurgicheskoi pererabotki zhelezorudnogo syr’ya [Boron in the processes of preparation and metallurgical processing of iron ore]. Astana: Foliant, 2003, vol. 3, pp. 3–87. (In Russ.).Kim Gi Hyun, Sohn Il. Role of B2 O3 on the viscosity and structure in the CaO–Al2 O3 –Na2 O-based system // Metallurgical and Materials Transaction. 2014. Vol. 45. № 1. P. 86 – 95.Kim Gi Hyun, Sohn Il. Role of B2 O3 on the viscosity and structure in the CaO-Al2 O3 -Na2 O-based system. Metallurgical and Materials Transaction. 2014, vol. 45, no. 1, pp. 86–95.Kim Youngjae, Morita Kazuki. Relationship between molten oxide structure and thermal conductivity in the CaO–SiO2 –B2 O3 system // ISIJ International. 2014. Vol. 54. № 9. P. 2077 – 2083.Kim Youngyae, Morita Kazuki. Relationship between molten oxide structure and thermal conductivity in the CaO-SiO2 -B2 O3 system. ISIJ International. 2014, vol. 54, no. 9, pp. 2077–2083.Сычев А.В., Салина В.А., Бабенко А.А., Жучков В.И. Изучение межфазного распределения бора между борсодержащим оксидом и металлом // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 2. С. 140 – 144.Sychev A.V., Salina V.A., Babenko A.A., Zhuchkov V.I. Research of the boron interfacial distribution between boron-bearing oxide and metal. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, no. 2, pp. 140–144. (In Russ.).Wan Yong, Chen Weiqing. Effect of boron content on the microstructure and magnetic properties of non-oriented electrical steels // J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 2015. Vol. 30. No. 3. P. 574 – 579.Wan Yong, Chen Weiqing. Effect of boron content on the microstructure and magnetic properties of non-oriented electrical steels. J.  Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 2015, vol. 30, no. 3, pp.  574–579.Величко О.Г., Камкiна Л.В., Манiдiн В.С., Iсава Л.Є., Червоний I.Ф. Роль бору в процесах отримання якiсної сталi i проблеми його визначення // Теория и практика металлургии. 2015. № 1-2. С. 104 – 108.Velichko O.G., Kamkina L.V., Manidin V.S., Isava L.Є., Chervonii  I.F. The role of boron in processes of obtaining of steel of high quality and the problem of its determination. Teoriya i praktika metallurgii. 2015, no. 1-2, pp. 104–108. (In Ukr.).Богданов Н.А., Сычков А.Б., Деревянченко И.В. и др. Разработка и освоение производства борсодержащих сталей // Металлург. 1999. № 2. С. 29, 30.Bogdanov N.A., Sychkov A.B., Derevyanchenko I.V., Kucherenko  O.L., Oleinik A.A., Parusov V.V., Starov R.V., Nesterenko A.M. Development and introduction of a technology for making boronbearing steels. Metallurgist. 1999, vol. 43, no. 1-2, pp. 71–75. (In Russ.).Жучков В.И., Сычев А.В., Акбердин А.А., Трофимов Е.А., Салина В.А., Бабенко А.А. Исследование и совершенствование процесса получения комплексных борсодержащих ферросплавов. Сб. материалов XVI Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали». – Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2015. Ч. 2. С. 191 – 196.Zhuchkov V.I., Sychev A.V., Akberdin A.A., Trofimov E.A., Salina  V.A., Babenko A.A. Research and improvement of the process of obtaining of complex boron-containing ferroalloys. In: Sb. materialov XVI Mezhdunarodnoi konferentsii “Sovremennye problemy elektrometallurgii stali” [Materials of the XVI Int. Conf. “Modern Problems of Electrometallurgy of Steel”]. Chelyabinsk: YuUrGU, 2015, Part. 2, pp. 191–196. (In Russ.).Жучков В.И., Леонтьев Л.И., Бабенко А.А., Сычев А.В., Акбердин А.А. Перспективные направления использования борсодержащих материалов в черной металлургии: Сб. трудов XX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. – Екатеринбург: Уральское отделение Российской академии наук, 2016. Т. 3. С. 73.Zhuchkov V.I., Leont’ev L.I., Babenko A.A., Sychev A.V., Akberdin A.A. Advanced directions of using boron-containing materials in ferrous metallurgy. In: Sb. trudov XX Mendeleevskogo s”ezda po obshchei i prikladnoi khimii [Papers of the XXth Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry]. Ekaterinburg: Ural’skoe otdelenie Rossiiskoi akademii nauk, 2016, vol. 3, p. 73. (In Russ.).Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. – Pori: Outokumpu research OY, 2002.Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical reactions and Equilibrium software with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu research OY, 2002.

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