Александр Абдуллович Акбердин, д.т.н, профессор, заведующий лабораторией «Бор»
100009, Караганда, ул. Ермекова, 63
Aleksandr A. Akberdin, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Laboratory "Boron"
63, Ermekova str., Karaganda 100009
Александр Сергеевич Ким, д.т.н, главный научный сотрудник лаборатории «Бор»
100009, Караганда, ул. Ермекова, 63
Aleksandr S. Kim, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory "Boron"
63, Ermekova str., Karaganda 100009
Руслан Бауыржанович Султангазиев, PhD, старший научный сотрудник лаборатории «Бор»
100009, Караганда, ул. Ермекова, 63
Ruslan B. Sultangaziev, PhD, Senior Researcher of the Laboratory "Boron"
63, Ermekova str., Karaganda 100009
С использованием метода планирования эксперимента на симплексе изучено поверхностное натяжение расплавов системы СаО – SiO2 – Al2O3 – В2O3. Исследован локальный участок указанной системы, охватывающий процессы производства ферросилиция, силикохрома, цементного клинкера, керамики, стекла, ситталов и др. Содержание оксидов в нем составляло, % (по массе): 9,8 – 52,0 CaO; 0 – 70,4 SiO2 ; 0 – 51,5 Al2O3 и 0 – 20,0 B2O3. Создана математическая модель зависимости поверхностного натяжения от состава расплавов и построены диаграммы в виде сечений тетраэдра по В2O3. Найдено, что в базовой для металлургии системе СаО – SiO2 – Al2O3 расплавы с высоким значением поверхностного натяжения примыкают к бинарной стороне СаО – Al2O3 в районе кристаллизации алюминатов кальция, имеющих малые размеры, высокий заряд и сильную по этой причине связь с объемом расплава. С вводом SiO2 поверхностное натяжение расплавов падает из-за образования крупных алюмокремниевых образований типа [Al2Si2O8]2– , группировок Si2O76- ранкинита, кольцевого комплексного аниона [Si3O9]6– псевдоволластонита. Усложнение анионов за счет полимеризации ведет к падению поверхностного натяжения из-за уменьшения отношения заряда последних к радиусу и, следовательно, силы связи с катионами. Ввод борного ангидрида вызывает снижение поверхностного натяжения расплавов СаО – SiO2 – Al2O3 , что можно объяснить переходом бора при высоких температурах из четырех (BO45-) в трех (BO33-) координированное по кислороду состояние. Образовавшиеся плоские треугольники BO33- или комплексы с их участием слабо связаны с объемом расплава, вытесняются на поверхность и снижают поверхностное натяжение. В наибольшей мере это сказывается на основных алюминатных расплавах, чем на кислых. Последнее объяснено близостью капиллярной активности бор- и кремнекислородных анионов. Экспериментально с применением метода лежащей капли изучены поверхностные явления между продуктами доменной плавки титаномагнетитовых железных руд. Отмечено, что самые высокие силы сцепления (работа адгезии) имеют место между шлаком и греналью (чугун с повышенным содержанием титана и кремния), что и является причиной потерь металла на выпуске со шлаками при переработке таких руд. Загруженный в доменную печь бор (в виде природных руд) в восстановительных условиях перераспределяется между чугуном, греналью и шлаком. Опытами установлено, что присутствие бора в последних на уровне микроконцентраций снижает работу адгезии с 688 до 436 МН/м (на 37 %). Промышленными опытами показано, что это способствовало снижению потерь ценного ванадийсодержащего чугуна со шлаками в 1,2 – 1,5 раза при одновременном улучшении показателей плавки.
Using the method of experiment planning by simplex, the surface tension of the melts of СаО – SiO2 – Al2O3 – В2O3 system was researched. The local part of the system was explored which covered the process of ferrosilicon, silicochrome, cement clinker, ceramics, glass, and sittals production. The amount of oxides in it was (%): 9.8 – 52.0 CaO; 0 – 70.4 SiO2; 0 – 51.5 Al2O3 and 0 – 20 B2O3. A mathematical model of surface tension dependence on the melts composition has been created and diagrams in the form of tetrahedron sections in B2O3 have been constructed. It was found that, in the CaO – SiO2 – Al2O3 system, which is basic for metallurgy, melts with a high surface tension adjoin the binary side of CaO – Al2O3 in the area of calcium aluminates crystallization which have small sizes, high charge and due to this bond to melt volume. With the introduction of SiO2 , σ of melts decreases due to the formation of large aluminosilicon formations of the [Al2Si2O8]2– type, rankinite groups Si2O76-, and ring complex [Si3O9]6- pseudo-wollastonite anion. The complication of anions due to polymerization leads to a drop of surface tension because of a decrease in charge ratio of the latter to the radius and, consequently, the strength of bond with cations. Boron anhydride injection causes a decrease in surface tension of melts СаО – SiO2 – Al2О3 which can be explained by boron transition at high temperature from four oxygen-coordinated (BO45-) to three oxygen-coordinated state (BO33-). Formed flat triangles BO33- or complexes with them are loosely related to the melt’s volume, they are forced out to the surface and reduce surface tension. Mostly this affects the main aluminate melts, rather than acid ones. The latter can be explained by the closeness of the capillary activity of boron – and silicon-oxygen anions. The surface phenomena between the products of blast-furnace smelting of titanomagnetite iron ores have been studied experimentally using the method of lying drop. It was noted that the highest adhesion forces (work of adhesion) take place between slag and grenal (cast iron with a high titanium and silicon content), which is the reason for the loss of metal at the outlet with slags during the processing of such ores. Boron loaded into the blast furnace (in the form of natural ores) is redistributed under reduction conditions between cast iron, grenal and slag. Experiments have shown that the presence of boron in slag at the level of microconcentrations reduces the work of adhesion from 688 to 436 MN/m (by 37 %). Industrial experiments have shown that this helped to reduce the loss of valuable vanadium-containing cast iron with slags by 1.2 – 1.5 times with a simultaneous improvement in smelting performance.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.