blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-3-217-222blackmet-1272Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ВАННЕ КИСЛОРОДНОГО КОНВЕРТЕРАSURFACE PHENOMENA PECULIARITIES IN THE BOF STEELMAKING BATHХисамутдиновН. Е.KhisamutdinovN. E.

д.т.н, профессор

Dr. Sci. (Eng.), Professor

nehis@yandex.ruЯвойскаяО. В.YavoiskayaO. V.

к.х.н., доцент

кафедра технологии металлов и ремонта машин 

620075, Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42

Cand. Sci. (Chem.), Assist. Professor of the Chair of Metal Technology and Repair of Machines

metal-Olga@mail.ruЯвойскийА. В.YavoiskiiA. V.

д.т.н., профессор

кафедра металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Metallurgy of Steel, New Production Technologies and Metal Protection

ХисамутдиновС. Н.KhisamutdinovS. N.

к.т.н.

117335, Москва, ул. Архитектора Власова, 6

Cand. Sci. (Eng.)

Уральский государственный аграрный университетРоссияUrals State Agrarian UniversityRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian FederationООО «Сити Рапид»РоссияLLC “Siti Rapid”Russian Federation201808042018613217222Copyright © Хисамутдинов Н.Е., Явойская О.В., Явойский А.В., Хисамутдинов С.Н., 20182018Хисамутдинов Н.Е., Явойская О.В., Явойский А.В., Хисамутдинов С.Н.Khisamutdinov N.E., Yavoiskaya O.V., Yavoiskii A.V., Khisamutdinov S.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/1272

Технология кислородно-конвертерного производства стали определяется процессами, протекающими в реакционной зоне конвертера, состоящей из «первичной» и «вторичной» зон. «Первичная» зона – это кратер, образовавшийся в результате соударения сверхзвуковой газовой струи с поверхностью расплавленного металла, заполненный каплями металла диаметром 0,1 – 2 мм. Окружающая ее «вторичная» зона состоит из расплава с огромным количеством газовых пузырьков диаметром 0,2 – 4 мм. Суммарная площадь поверхности капель и пузырьков на четыре порядка больше поверхности спокойного расплава, что говорит о важной роли, которую играют при производстве стали процессы, протекающие на межфазных границах. Структура реакционной зоны и распределение в ней температуры изучались методом «горячего» моделирования, когда расплавленный чугун продувался кислородом в прозрачном кварцевом тигле, через стенку которого проводилась фото- и киносъемка. Помимо распределения температуры, отснятые материалы позволили также изучить гидродинамику ванны непосредственно в зоне продувки. Самым неожиданным результатом «горячего» моделирования оказалось движение пузырьков во «вторичной» зоне. Они двигались по нормалям к поверхности кратера, т.е. почти горизонтально, вместо того, чтобы всплывать вертикально, как это было при «холодном» моделировании на воде. Это явление обусловлено неоднородностью поверхностного натяжения расплава, вследствие чего пузыри перемещались в направлении более высоких температур. В жидкости с градиентом температуры поверхностное натяжение перед и за пузырьком различны. Силы, сжимающие пузырек позади него больше, чем спереди, что «выталкивает» его в сторону уменьшения поверхностного натяжения. Неоднородность поверхностного натяжения обусловлена градиентом температуры (до 1200 °С в пределах «вторичной» зоны) и изменением концентрации компонентов расплава, в особенности кислорода. Поверхностное натяжение железоуглеродистых расплавов с увеличением температуры изменяется неоднозначно. С повышением температуры до 1550 °С поверхностное натяжение растет, но при достижении 1550 – 1600 °С происходит перегиб, после чего оно начинает уменьшаться. Чем ниже содержание углерода в расплаве, тем выше точка перегиба. Движение газовых пузырей и инородных фаз в сторону уменьшения поверхностного натяжения начинается от изотермы 1550 °С, которая, таким образом, является внешней границей «вторичной» зоны, отделяющей ее от остальной ванны. Внутри нее результирующий вектор поверхностных сил толкает газовые пузырьки и частицы шлака вместе с массой расплавленного металла двигаться с ускорением горизонтально в сторону кратера. Это явление определяет всю гидродинамику сталеплавильной ванны и связанное с ней перераспределение кислорода по различным частям ванны и, следовательно, процесс рафинирования в целом.

BOF steelmaking technology is largely determined with processes taking place in the LD-converter reaction zone, which consists of “primary” and “secondary” sub-zones. The “primary” zone is a crater formed as result of supersonic gas stream impact on metal melt sur- face, fulfilled with metal droplets of 0.1  –  2  mm in diameter. Surrounding in the “secondary” zone consists of the large amount of gas bubbles of 0.2  –  4  mm in diameter. The total surface area of droplets and bubbles is by four orders of magnitude larger as compared with the stable metal surface of magnitude larger as compared with the stable metal surface place. This suggests important role of interface phenomena at steel refining processes. The reaction zone structure and its temperature distribution were studied with “hot” modeling method, where molten cast iron was blown with oxygen in transparent quartz crucible. Each blow was accomplished with photo- and cinema filming through crucible wall. Besides temperature distribution obtained material also allowed study of metal bath hydrodinamics directly in blowing zone. The most unexpected result here was the motion trajectory of bubbles in the “secondary” zone. They moved normally to the crater surface, i.e. almost in a horizontal direction instead of vertical float as it was noticed at “cold” modeling with water. This very important phenomenon is caused by surface tension in homogeneity, due to which the bubbles are moved at higher temperatures direction. Surface tension forces in front of and behind gas bubble in liquid with temperature gradient are different. Because contact forces behind bubble are larger as compared that in front, it is pushed out in direction of surface tension decrease. Surface tension inhomogeneity is generated with temperature (up to 1200  °C) and oxygen concentration gradients in the “secondary” reaction zone. Iron-carbon surface tension changes with temperature rise inconsistently. Surface tension increases with temperature rise up to 1550  °C. At reaching 1550  –  1600  °C there is a bend, which after surface tension begin to decrease. This bend point is as higher as lower carbon concentration in alloy gas bubbles and heterogeneous phase’s motion in surface decrease direction starts from 1550  °C isotherm. So it is outward border of “secondary” reaction zone, which separates it from main metal bath. Inside it resulting surface tension forces push gas bubbles and slag particles into accelerating motion with mass of metal melt in horizontal direction to the crater. This phenomenon determines whole steelmaking bath hydrodynamics with oxygen redistribution between molten metal components and hence the steel refining process in general.

«первичная» реакционная зона«вторичная» реакционная зона«горячее» моделированиеградиент температурыповерхностное натяжениерасплавленный металлгазовые пузырькикапли металлагидродинамика ванны“primary” reaction zone“secondary” reaction zonetemperature gradientsurface tensionmetal meltgas bubblesmetal dropletsbath hydrodynamicsReferencesЯвойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. – М.: Металлургия, 1974. – 496 с.Yavoiskii V.I., Dorofeev G.A., Povkh I.L. Teoriya produvki staleplavil’noi vanny [Theory of steelmaking bath blow]. Moscow: Metallurgiya, 1974, 496 p. (In Russ.).Баптизманский В.И., Охотский В.Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. – Киев-Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1981. – 184 с.Baptizmanskii V.I., Okhotskii V.B. Fiziko-khimicheskie osnovy kislorodno-konverternogo protsessa [Phisico-chemical foundations of steelmaking process]. Kiev-Donetsk: Vishcha shkola, 1981, 184  p. (In Russ.).Хисамутдинов Н.Е., Явойский А.В., Гребенюк Н.А. Термокапилярные явления при продувке металлических расплавов // Изв. АН СССР. Расплавы. 1989. Т. 3. № 2. С. 3 – 8.Khisamutdinov N.E., Yavoiskii A.V., Grebenyuk N.A. Thermocapillarity phenomena at metal melts blow. Izv. AN SSSR. Rasplavy. 1989, vol. 3, no. 2, pp. 3–8. (In Russ.).Явойская О.В., Явойский А.В., Хисамутдинов Н.Е., Хисамудинов С.Н. Температура реакционной зоны кислородного конвертера // Тр. XI Российской конф. «Строение и свойства металлических расплавов». – Екатеринбург – Челябинск: ЮрГУ, 2004. Т. 2. С. 248 – 250.Yavoiskaya O.V., Yavoiskii A.V., Khisamutdinov N.E., Khisamutdinov S.N. Temperature of BOF reaction zone. In: Trudy 11 Rossiiskoi konferentsii “Stroenie i svoistva metallicheskikh rasplavov”, t. 2 [Proceedings of 11-th Russian Conf. “Structure and properties of metal melts”. Vol. 2]. Ekaterinburg – Chelyabinsk: YurGU, 2004, pp. 248–250. (In Russ.).Явойский В.И., Явойский А.В. Научные основы современных процессов производства стали. – М.: Металлургия, 1987. – 184 с.Yavoiskii V.I., Yavoiskii A.V. Nauchnye osnovy sovremennykh protsessov proizvodstva stali [Scientific foundation of modern steelmaking processes]. Moscow: Metallurgiya, 1987, 184 p. (In Russ.).Баптизманский В.И. Механизм и кинетика процессов в конвертерной ванне. – М.: Металлургиздат, 1960. – 283 с.Baptizmanskii V.I. Mekhanizm i kinetika protsessov v konverternoi vanne [Mechanism and kinetics of converter bath processes]. Moscow: Metallurgizdat, 1960, 283 p. (In Russ.).Сурин В.А., Назаров Н.Н. Массо- и теплообмен, гидродинамика металлической ванны. – М.: Металлургия, 1993. – 352 с.Surin V.A., Nazarov N.N. Masso- i teploobmen, gidrodinamika metallicheskoi vanny [Mass- and heat exchange, hydrodynamics of metal bath]. Moscow: Metallurgiya, 1993, 352 p. (In Russ.).Явойская О.В., Хисамутдинов Н.Е., Явойский А.В., Хисамутдинов С.Н. Термокапилярные явления в кислородно-конвертерном процессе // Тр. XIII Российской конф.: «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». Т. 2. «Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем». – Екатеринбург: УрОРАН, 2011. С. 186 – 189.Yavoiskaya O.V., Khisamutdinov N.E., Yavoiskii A.V., Khisamutdinov S.N. Thermocapillarity phenomen at BOF process. In: Trudy 13 Rossiiskoi konferentsii “Stroenie i svoistva metallicheskikh i shlakovykh rasplavov”. Vol. 2: Eksperimental’noe izuchenie zhidkikh i amorfnykh metallicheskikh system [Proceedings of 13-th Russian Conf. “Structure and properties of metal and slag melts”, Vol. 2 Experimental study of liquid and amorphous metal systems]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2011, pp. 186-189. (In Russ.).Адамсон А. Физическая химия поверхностей / Пер. с англ. – М.: Мир, 1979. – 568 с.Adamson A.W. Physical Chemistry of Surfaces. New York: J. Wiley, 1982, 664 p. (Russ.ed.: Adamson A. Fizicheskaya khimiya poverkhnostei. Moscow: Mir, 1997, 352 p.).Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз / Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 269 с.Jaуcock M.J., Parfitt G.D. Chemictrу of interfaces. New York: Ellis Horwood Ltd., 1981, 279 p. (Russ.ed.: Jaуcock M.J., Parfitt G.D. Khimiya poverkhnostei razdela faz. Moscow: Mir, 1984, 269 p.).Попель С.И. Поверхностные явления в процессах производства стали. В сб.: «Физико-химические основы процессов производства стали». – М.: Наука, 1979. С. 71 – 79.Popel’ S.I. Surface phenomena at steelmaking processes. In: sb.: Fiziko-khimicheskie osnovy protsessov proizvodstva stali [Collected articles: Physical-chemical foundation of steelmaking processes]. Moscow: Nauka, 1979, pp. 71-79. (In Russ.).Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. – М.: Металлургия, 1994. – 440 с. 13. Еланский Г.Н., Кудрин В.А. Строение и свойства жидкого металла – технология плавки – качество стали. – М.: Металлургия, 1984. – 239 с.Popel’ S.I. Poverkhnostnye yavleniya v rasplavakh [Surface phenomena in melts]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 440 p. (In Russ.).Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов (одно- и двухкомпонентные системы): Справочник. – М.: Металлургия, 1981. – 208 с.Elanskii G.N., Kudrin V.A. Stroenie i svoistva zhidkogo metalla – tekhnologiya plavki – kachestvo stali [Liquid metal structure and properties – melting technology – steel quality]. Moscow: Metallurgiya, 1984, 239 p. (In Russ.).Марч Н.Г. Жидкие металлы / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 128 с.Nizhenko V.I., Floka L.I. Poverkhnostnoe natyazhenie zhidkikh metallov i splavov (odno- i dvukhkomponentnye sistemy). Spravochnik [Surface tension of metals and alloys (mono – and two component systems). Reference book]. Moscow: Metallurgiya, 1981, 208  p. (In Russ.). 15. March N.H. Liquid metals. New York: Pergamon, 1968, 133 p. (Russ.ed.: March N.H. Zhidkie metally. Moscow: Metallurgiya, 1972, 128 p.).Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Свойства металлических расплавов и их взаимодействие в сталеплавильных процессах. – М.: Металлургия, 1983. – 216 с.Ershov G.S., Bychkov Yu.B. Svoistva metallicheskikh rasplavov i ikh vzaimodeistvie v staleplavil’nykh protsessakh [Metal melts properties and their interaction at steelmaking processes]. Moscow: Metallurgiya, 1983, 216 p. (In Russ.).Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства. – М.: Металлургия, 1976. – 376 с.Arsent’ev P.P., Koledov L.A. Metallicheskie rasplavy i ikh svoistva [Metal melts and their properties]. Moscow: Metallurgiya, 1976, 376 p. (In Russ.). 18. Frank-Kamenetskii D.A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow: Nauka, 1967, 492 p. (In Russ.).Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд. – М.: Наука, 1967. – 492 с.Popel’ S.I.,Nikitin Yu.P., Barmin L.A. etc. Vzaimodeistvie rasplavlennogo metalla s gazom i shlakom [Metal melt interaction with gas and slag]. Sverdlovsk: UPI, 1975, 184 p. (In Russ.).Взаимодействие расплавленного металла с газом и шлаком / С.И. Попель, Ю.П. Никитин, Л.А. Бармин и др. – Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1975. – 184 с.The Structure of Liquid Metals and Alloys. Wilson J.R. ed. London: The Institute of Metals Publ., 1966, 232 p. (Russ.ed.: Wilson  J.R. Struktura zhidkikh metallov i splavov. Moscow: Metallurgiya, 1972, 247 p.)Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 247 с.Baum B.A., Khasin G.A., Tyagunov G.V. etc. Zhidkaya stal’ [Liquid steel]. Moscow: Metallurgiya, 1984, 208 p. (In Russ.).Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. – М.: Металлургия, 1984. – 208 с.Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. – М.: Металлургия, 1984. – 208 с.

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