blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-1-89-96blackmet-2484Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESВлияние В\(_{2}\)О\(_{3}\) на вязкость высокомагнезиальных доменных шлаковEffect of B\(_{2}\)O\(_{3}\) on viscosity of high-magnesia blast furnace slaghttps://orcid.org/0000-0002-6395-0834ВусихисА. С.VusikhisA. S.

Александр Семенович Вусихис, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Aleksandr S. Vusikhis, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Non-Ferrous Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

vas58@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4343-914XЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

Леопольд Игоревич Леонтьев, академик, советник, Президиум РАН, д.т.н., профессор, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», главный научный сотрудник, Институт металлургии Уральского отделения РАН

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., 32а

Leopol’d I. Leont’ev, Academician, Adviser, Russian Academy of Scien­ces, Dr. Sci. (Eng.), Prof., National University of Science and Technology “MISIS”, Chief Researcher, Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Science

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

32a Leninskii Ave., Moscow 119991, Russian Federation

leo@presidium.ras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2860-0377ГуляеваР. И.GulyaevaR. I.

Роза Иосифовна Гуляева, к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Roza I. Gulyaeva, Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

gulroza@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1310-7670СергееваС. В.SergeevaS. V.

Светлана Владимировна Сергеева, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Svetlana V. Sergeeva, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Nonferrous Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

lazarevasv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0864-0462ТюшняковС. Н.TyushnyakovS. N.

Станислав Николаевич Тюшняков, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии цветных металлов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Stanislav N. Tyushnyakov, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Non-Ferrous Metals

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

tyushnyakov.sn@gmail.comИнститут металлургии Уральского отделения РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of ScienceRussian FederationИнститут металлургии Уральского отделения РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»; Президиум РАНРоссияInstitute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Science; National University of Science and Technology “MISIS”; Scientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Academy of Sciences (Department of Chemistry and Material Sciences)Russian Federation2023010320236618996Copyright © Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Гуляева Р.И., Сергеева С.В., Тюшняков С.Н., 20232023Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Гуляева Р.И., Сергеева С.В., Тюшняков С.Н.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Gulyaeva R.I., Sergeeva S.V., Tyushnyakov 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/2484

На металлургических предприятиях Урала доля местного сырья составляет 50 – 60 %. Его дефицит компенсируется использованием материалов, завозимых из Центральной России, Кольского полуострова и Казахстана. Замена их на местное сырье увеличит конкурентоспособность производимого на Урале металла, поэтому вопрос оценки возможности замены привозного сырья на местное является весьма актуальным. Таким сырьем могут быть сидеритовые руды Бакальского месторождения. Они не пользуются спросом у металлургов из-за низкого содержания железа и высокого содержания магния. С ростом количества сидеритов в шихте увеличивается содержание оксида магния в шлаке, что влияет на его вязкость и делает затруднительным или невозможным плавку с использованием более 20 % сидеритов. Для разжижения шлака предложено использовать оксид бора. Синтетический шлак, содержащий 26,8 % CaO, 38,1 % SiO2 , 11,8 % Al2O3 , 23,6 % MgO, моделирующий состав шлака доменной плавки Магнитогорского металлургического комбината с добавкой 30 % обожженных сидеритов, является коротким и неустойчивым. Температура, при которой его вязкость соответствует вязкости на выпуске (0,5 Па·с), составляет 1390 °С, а температура, соответствующая температуре плавления (вязкость 2,5 Па·с), составляет 1367 °С. Если в такой шлак добавить борный ангидрид, он становится длинным и устойчивым. В расплавах при увеличении доли B2O3 от 0 до 12 % температура, при которой вязкость шлака составляет 0,5 и 2,5 Па·с, снижается до 1260 и 1100 °С соответственно. Это делает возможным значительное увеличение доли сидеритов в доменной шихте.

Smelters in the Urals procure only 50 – 60 % of raw materials from local sources. The rest is imported from Central Russia, the Kola Peninsula, and Kazakhstan. Switching to local raw materials would increase the competitiveness of the Urals metals, so local alternatives should be considered, such as siderite ore from the Bakal deposit. The ore is in low demand due to its low iron content and high magnesium content. The higher the siderite content in the charge, the higher the magnesium oxide content in the slag. This affects the slag viscosity, so for siderite content exceeding 20%, melting is difficult or impossible. We proposed the addition of boric oxide to liquefy the slag. The simulated slag (CaO 26.8 %; SiO2 38.1 %; Al2O3 11.8 %; MgO 23.6 %) identical to that produced by the Magnitogorsk Metallurgical Plant (MMK) blast furnaces with the addition of 30 % of calcined siderite is short and unstable. The temperature when the slag viscosity is equal to that at the blast furnace taphole (0.5 Pa·s) is 1390 °C, while the melting point (2.5 Pa·s viscosity) is 1367 °C. The addition of boric anhydride makes the slag long and stable. As the B2O3 content is increased from 0 to 12 %, the temperatures at which the slag viscosity is 0.5 and 2.5 Pa·s decrease to 1260 and 1100 °C, respectively. The study shows it is possible to significantly increase the siderite content in blast furnace charge.

железорудное сырьебакальские сидеритывязкостьшлакоксид бораоксид магниятемпература плавленияiron-ore raw materialsBakal sideritesviscosityslagboron oxidemagnesium oxidemelting temperatureРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда по проекту № 22-29-00400.The work was supported by the Russian Science Foundation, project No. 22-29-00400.ReferencesВолков Ю.В., Соколов И.В., Смирнов А.А. Стратегия освоения сырьевых ресурсов Урала. Горная промышленность. 2006; (4): 57–62.Volkov Yu.V., Sokolov I.V., Smirnov A.A. Strategy for development of raw material resources in the Urals. Gornaya promyshlennost’. 2006: (4): 57–62. (In Russ.).Волков Ю.В., Славиковский О.В., Соколов И.В., Смирнов А.А. Перспективы развития сырьевой базы горно-металлургических предприятий Урала. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007; (5): 286–290.Volkov Yu.V., Slavikovskii O.V., Sokolov I.V., Smirnov A.A. Prospects for development of raw material base of mining and metallurgical enterprises in the Urals. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten’. 2007; (5): 286–290. (In Russ.).Пахомов В.П., Душин А.В. Оценка минерально-сырьевой безопасности УрФО. Экономика региона. 2008; (3): 129–143.Pakhomov V.P., Dushin A.V. Analysis of the mineral-raw material safety in the Ural Federation District. Ekonomika regiona. 2008; (3): 129–143. (In Russ.).Валиев Н.Г., Славиковский О.В., Славиковская Ю.О. Особенности освоения минерально-сырьевой базы на урбанизированных территориях Урала. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-техничес­кий журнал). 2012; (6): 344–347.Valiev N.G., Slavikovskii O.V., Slavikovskaya Yu.O. Peculiarities of development of mineral resource base in the Urals urbanised territories. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten’ (nauchno-tekhnicheskii zhurnal). 2012; (6):Корнилков С.В., Кантемиров В.Д. Железорудные месторождения Приполярного Урала как перспективная сырье­вая база уральской металлургии. Известия вузов. Горный журнал. 2015; (8): 22–28.–347. (In Russ.).Красноборов В.Я., Ярошевский С.Л., Денисов А.А., Рудин В.С., Бирючев В.И., Полушкин М.Ф. Эффективность и перспективы применения сидеритовых руд в доменной плавке. Донецк; 1996: 88.Kornilkov S.V., Kantemirov V.D. Iron ore deposits of the Nether-Polar Urals as a prospective raw materials base of the Urals metallurgy. Izvestiya vuzov. Gornyi zhurnal. 2015; (8): 22–28. (In Russ.).Юрьев Б.П., Меламуд С.Г., Спирин Н.А., Шацилло В.В. Технологические и теплотехнические основы подготовки сидеритовых руд к металлургическим переделам. Екатеринбург: ООО АМК «День РА»; 2016: 428.Krasnoborov V.A., Yaroshevskii S.L., Denisov A.A., Ru­din V.S., Biryuchev V.I., Polushkin M.F. Efficiency and Prospects of Using Siderite Ores in Blast Furnace Smelting. Donetsk; 1996: 88. (In Russ.).Вусихис А.С., Леонтьев Л.И. Применение сидеритовых руд при производстве чугуна и стали. Москва, Вологда: Инфра-Инженерия; 2022: 116.Yur’ev B.P., Melamud S.G., Spirin N.A., Shatsillo V.V. Technological and Thermal Engineering Bases of Siderite Ore Preparation for Metallurgical Processing: Monograph. Yekaterinburg: Den’ RA; 2016: 428. (In Russ.).Slag Atlas. Düsseldorf, Verlag Stahlissen GmbH; 1995: 616.Vusikhis A.S., Leont’ev L.I. The Use of Siderite Ores in Production of Iron and Steel: Monograph. Moscow, Vologda: Infra-Inzheneriya; 2022: 116. (In Russ.).Готлиб А.Д. Доменный процесс. Москва: Металлургия; 1966: 503.Slag Atlas. Düsseldorf, Verlag Stahlissen GmbH; 1995: 616.Ефименко Г.Г., Гиммельфарб А.А., Левченко В.Е. Металлургия чугуна. Киев: Выща школа; 1988: 351.Gotlib A.D. Blast Furnace Process. Moscow: Metallurgiya; 1966: 503. (In Russ.).Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С., Курунов И.Ф., Пареньков А.Е., Черноусов П.И. Металлургия чугуна. Москва: ИКЦ «Академкнига»; 2004: 774.Efimenko G.G., Gimmel’farb A.A., Levchenko V.E. Ironmaking. Kiev: Vyshcha shkola; 1988: 351. (In Russ.).Badich A., Senk D., Gudenau H.W., Mavrommatis K.Th. Ironmaking. Aahen, RWTH Aahen University; 2008: 402.Vegman E.F., Zherebin B.N., Pokhvisnev A.N., etc. Ironma­king. Moscow: Akademkniga; 2004: 774. (In Russ.).Большакова Л.И., Жило Н.Л. Физические свойства высокомагнезиальных доменных шлаков при выплавке бакальских сидеритов. В кн.: Шлаковый режим доменных печей / Под ред. Н.Л. Жило, М.Я. Остроухова. Москва: Металлургия; 1967: 173–185.Badich A., Senk D., Gudenau H.W., Mavrommatis K.Th. Ironmaking. Aahen, RWTH Aahen University; 2008: 402.Жило Н.Л. Формирование и свойства доменных шлаков. Москва: Металлургия; 1974: 120.Bol’shakova L.I., Zhilo N.L. Physical properties of high-magnesia blast furnace slags during smelting of Bakal side­rites. In: Slag Mode in Blast Furnaces. Moscow: Metallurgiya; 1967: 173–185. (In Russ.).Воскобойников В.Г., Дунаев Н.Е., Михалевич А.Г. и др. Свойства жидких доменных шлаков: Справочное пособие. Москва: Металлургия; 1975: 182.Zhilo N.L. Formation and Properties of Blast Furnace Slag. Moscow: Metallurgiya; 1974: 120. (In Russ.).Saito N., Hori N., Nakashima K., Mori K. Viscosity of blast furnace type slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2003; 34(5): 509–516. https://doi.org/10.1007/s11663-003-0018-9Voskoboinikov V.G., Dunaev N.E., Mikhalevich A.G., etc. Properties of Liquid Blast Furnace Slags: Manual. Moscow: Metallurgiya; 1975: 182. (In Russ.).Kou M., Wu S., Ma X., Wang L., Chen M., Cai Q., Zhao B. Phase equilibrium studies of CaO–SiO2–MgO–Al2O3 system with binary basicity of 1.5 related to blast furnace slag. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016; 47(2): 1093–1102. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0584-2Saito N., Hori N., Nakashima K., Mori K. Viscosity of blast furnace type slags. Metallurgical and Materials Transactions B. 2003; 34(5): 509–516. https://doi.org/10.1007/s11663-003-0018-9Liu Y., Lu X.W., Li B., Bai C.G. Relationship between structure and viscosity of CaO–SiO2–MgO–30.00 wt.% Al2O3 slag by molecular dynamics simulation with FT-IR and Raman spectroscopy. Ironmaking & Steelmaking. 2018; 45(6): 492–501. https://doi.org/10.1080/03019233.2017.1288309Kou M., Wu S., Ma X., Wang L., Chen M., Cai Q., Zhao B. Phase equilibrium studies of CaO–SiO2–MgO–Al2O3 system with binary basicity of 1.5 related to blast furnace slag. Metallurgical and Materials Transactions B. 2016; 47(2): 1093–1102. https://doi.org/10.1007/s11663-016-0584-2Shen F., Hu X., Zheng H., Jiang X., Gao Q., Han H., Long F. Proper MgO/Al2O3 ratio in blast-furnace slag: Analysis of proper MgO/Al2O3 ratio based on observed data. Metals. 2020; 10(6): 784. https://doi.org/10.3390/met10060784Liu Y., Lu X.W., Li B., Bai C.G. Relationship between structure and viscosity of CaO–SiO2–MgO–30.00 wt.% Al2O3 slag by molecular dynamics simulation with FT-IR and Raman spectroscopy. Ironmaking & Steelmaking. 2018; 45(6): 492–501. https://doi.org/10.1080/03019233.2017.1288309Das K., Agrawal A., Reddy A.S., Ramna R.V. FactSage stu­dies to identify the optimum slag regime for blast furnace operation. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2021; 74: 419–428. https://doi.org/10.1007/s12666-020-02144-yShen F., Hu X., Zheng H., Jiang X., Gao Q., Han H., Long F. Proper MgO/Al2O3 ratio in blast-furnace slag: Analysis of proper MgO/Al2O3 ratio based on observed data. Metals. 2020; 10(6): 784. https://doi.org/10.3390/met10060784Вусихис А.С., Леонтьев Л.И., Агафонов С.Н. Оценка эффективности использования бакальских сидеритов в доменной плавке. Известия вузов. Черная металлургия. 2022; 65(7): 504–510. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-7-504-510Das K., Agrawal A., Reddy A.S., Ramna R.V. FactSage stu­dies to identify the optimum slag regime for blast furnace operation. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2021; 74: 419–428. https://doi.org/10.1007/s12666-020-02144-yRen S., Zhang J., Wu L. Influence of B2O3 on viscosity of high Ti-bearing blast furnace slag. ISIJ International. 2012; 52(6): 984–991. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.984Vusikhis A.S., Leont’ev L.I., Agafonov S.N. Assessment of the efficiency of the use of Bakal siderites in blast furnace smel­ting. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022; 65(7): 504–510. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-7-504-510Kim G.H., Sohn I. Role of B2O3 on the viscosity and structure in the CaO–Al2O3–Na2O-based system. Metallurgical and Materials Transactions B. 2014; 45(2): 86–95. https://doi.org/10.1007/s11663-013-9953-2Ren S., Zhang J., Wu L. Influence of B2O3 on viscosity of high Ti-bearing blast furnace slag. ISIJ International. 2012; 52(6): 984–991. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.984Wang G., Wang J.-S., Xue Q.-G. Properties of boron-rich slag separated from boron-bearing iron concentrate. Journal of Central South University. 2018; 25(4): 783–794. https://doi.org/10.1007/s11771-018-3783-yKim G.H., Sohn I. Role of B2O3 on the viscosity and structure in the CaO–Al2O3–Na2O-based system. Metallurgical and Materials Transactions B. 2014; 45(2): 86–95. https://doi.org/10.1007/s11663-013-9953-2Selivanov E.N., Gulyaeva R.I., Istomin S.A., Belyaev V., Tyushnyakov S., Bykov A. Viscosity and thermal properties of slag in the process of autogenous smelting of copper–zinc concentrates. Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2015; 124(2): 88–95. https://doi.org/10.1179/1743285514Y.0000000078Wang G., Wang J.-S., Xue Q.-G. Properties of boron-rich slag separated from boron-bearing iron concentrate. Journal of Central South University. 2018; 25(4): 783–794. https://doi.org/10.1007/s11771-018-3783-yVusikhis A.S., Selivanov E.N., Dmitriev A.N., Chentsov V.P., Ryabov V.V. Structure sensitive properties of system B2O3–CaO melts. Defect and Diffusion Forum. 2020; 400: 186–192.Selivanov E.N., Gulyaeva R.I., Istomin S.A., Belyaev V., Tyushnyakov S., Bykov A. Viscosity and thermal properties of slag in the process of autogenous smelting of copper–zinc concentrates. Mineral Processing and Extractive Metallurgy. 2015; 124(2): 88–95. https://doi.org/10.1179/1743285514Y.0000000078https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.400.186Vusikhis A.S., Selivanov E.N., Dmitriev A.N., Chentsov V.P., Ryabov V.V. Structure sensitive properties of system B2O3–CaO melts. Defect and Diffusion Forum. 2020; 400: 186–192.NETZSCH Proteus Software. Thermal Analysis. Version 4.8.3.https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.400.186NETZSCH Proteus Software. Thermal Analysis. Version 4.8.3.NETZSCH Proteus Software. Thermal Analysis. Version 4.8.3.

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