blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-526-533blackmet-2972Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESВлияние содержания амфотерных оксидов в шлаке на характеристики вентильного эффекта электрической дугиInfluence of amphoteric oxides content on valve effect characteristics of electric archttps://orcid.org/0000-0002-7840-1088СивцовА. В.SivtsovA. V.

Сивцов Андрей Владиславович, д.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории проблем техногенных образований

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Andrei V. Sivtsov, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher of the Laboratory of Technogenic Formations Problems

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

aws2004@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2452-826XШешуковО. Ю.SheshukovO. Yu.

Олег Юрьевич Шешуков, главный научный сотрудник лаборатории порошковых, композиционных и нано-материалов, Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН; д.т.н., профессор, директор Института новых материалов и технологий, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Oleg Yu. Sheshukov, Chief Researcher of the Laboratory of Powder, Composite and Nano-Materials, Vatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of New Materials and Technologies, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

o.j.sheshukov@urfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9833-7191ЕгиазарьянД. К.EgiazaryanD. K.

Денис Константинович Егиазарьян, к.т.н., старший научный сотрудник, заведующий лабораторией проблем техногенных образований, Институт металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН; доцент кафедры металлургии железа и сплавов, Уральский федеральный университет им. Первого Президента Б.Н. Ельцина

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Denis K. Egiazaryan, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Technogenic Formations Problems, Vatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Assist. Prof. of the Chair of Metallurgy of Iron and Alloys, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

avari@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9570-040XЦымбалистМ. М.TsymbalistM. M.

Цымбалист Михаил Михайлович, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Mikhail M. Tsymbalist, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

cherknimne@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4616-306XОрловП. П.OrlovP. P.

Орлов Павел Петрович, к.т.н., инженер, старший преподаватель кафедры металлургии железа и сплавов института новых материалов и технологий

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Pavel P. Orlov, Cand. Sci. (Eng.), Engineer, Senior Lecturer of the Chair of Metallurgy of Iron and Alloys of the Institute of New Materials and Technologies

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

p.p.orlov@urfu.ruИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияVatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН; Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияVatolin Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationУральский Федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation202508112025685526533Copyright © Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Цымбалист М.М., Орлов П.П., 20252025Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Егиазарьян Д.К., Цымбалист М.М., Орлов П.П.Sivtsov A.V., Sheshukov O.Y., Egiazaryan D.K., Tsymbalist M.M., Orlov P.P.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/2972

Приведены экспериментальные данные по влиянию содержания амфотерных оксидов Al2O3 и Fe2O3 в металлургических шлаках на их свойства. Отмечено, что в роли критерия оценки основности шлака могут выступать параметры вентильного эффекта электрической дуги – постоянная составляющая напряжения дуги или постоянная составляющая тока электрода. Показано, что до содержания в шлаке 18 мас. % оксид алюминия проявляет преимущественно основные свойства, а свыше – кислотные. Для Fe2O3 таким пороговым значением служит содержание 20 мас. %. Полученные данные позволяют более обоснованно проводить корректировку шлакового режима плавок. В частности, для имеющейся на металлургичеких предприятиях тенденции по замене плавикового шпата при внепечной обработке стали на иные разжижители шлака эти данные позволяют определить предел содержания оксида алюминия, при котором не будут ухудшаться условия рафинирования металла от серы. Для дуговых сталеплавильных печей данная методика выступает одним из вариантов неконтактной оперативной оценки состояния ванны металла, качества вспенивания шлака для укрытия дуг и степени окисленности металла в конце плавки и готовности его к выпуску. Применение постоянных составляющих напряжения дуги и тока в электроде для оперативного контроля склонности амфотерных оксидов к основным или кислотным свойствам по ходу плавки в промышленных условиях не представляется возможным из-за большого количества и разнонаправленного влияния составляющих шлак компонентов. Тем не менее данная методика будет полезна при ее использовании в целях управления технологическим процессом выплавки стали в моделях цифровых двойников и сопутствующим им базам данных.

The paper presents the experimental data on the effect of amphoteric oxides content (Al2O3 and Fe2O3 ) in slags on the metallurgical slags properties. It is noted that the parameters of the electric arc valve effect, such as the constant component of the arc voltage or the constant component of the electrode current, can act as a criterion for assessing the slag basicity. Up to a slag content of 18 wt. %, aluminum oxide exhibits mainly basic properties, and above that, acidic properties. For Fe2O3 , the threshold value is the content of 20 wt. %. The data obtained make it possible to more reasonably adjust the smelting slag mode. In particular, for the current trend on metallurgical enterprises to replace fluorspar in the out-of-furnace steel processing with other slag liquefiers, these data allow to determine the limit of aluminum oxide content at which the conditions of metal refining from sulfur will not be degraded. For arc steelmaking furnaces, this technique is one of the options for non-contact operational assessment of the metal bath state, the foaming slag quality to cover the arcs, and the metal oxidation degree at the melting end and its readiness for tapping. The use of constant components of the arc voltage and current in the electrode for operational control of the tendency of amphoteric oxides to basic or acidic properties during melting in industrial conditions is not possible due to a large number and multidirectional influence of the slag components. Nevertheless, this technique will be useful in control of steelmaking technological process with digital twin models and their accompanying databases.

стальшлакокисленностьосновностьамфотерностьэлектрическая дугапостоянная составляющая напряжениядуговая электропечьшлаковый режимsteelslagoxidationbasicityamphotericityelectric arccomponent of constant voltageelectric arc furnaceslag modeРабота выполнена в рамках бюджетного задания Институтa металлургии УРО РАН.The work was performed within the framework of the budget assignment of the Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesБигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. Магнитогорск: МГТУ; 2000:544.Bigeev A.M., Bigeev V.A. Metallurgy of Steel. Magnitogorsk: MSTU; 2000:544. (In Russ.).Гладких В.А., Гасик М.И., Овчарук А.Н., Пройдак Ю.С. Проектирование и оборудование электросталеплавильных и ферросплавных цехов: Учебник. Днепропетровск: Системные технологии; 2004:736.Gladkikh V.A., Gasik M.I., Ovcharuk A.N., Prokhodak Yu.S. Design and Equipment of Electric Steelmaking and Ferroalloy Workshops: Textbook. Dnepropetrovsk: Sistemnye tekhnologii; 2004:736. (In Russ.).Борнацкий И.И., Михневич В.Ф., Яргин С.А. Производство стали. Москва: Металлургия; 1991:400.Bornatskii I.I., Mikhnevich V.F., Yargin S.A. Steelmaking. Moscow: Metallurgiya; 1991:400. (In Russ.).Дюдкин Д.А., Бать С.Ю., Гринберг С.Е., Маринцев С.Н. Производство стали на агрегате ковш-печь. Донецк: ООО «Юго-Восток, ЛТД»; 2003:300.Dyudkin D.A., Bat’ S.Yu., Grinberg S.E., Marintsev S.N. Steel Production on a Ladle-Furnace Unit. Donetsk: Yugo-Vostok, LTD; 2003:300. (In Russ.).Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. Москва: Металлургия; 1990:176.Povolotskii D.Ya., Gudim Yu.A., Zinurov I.Yu. Design and Operation of Heavy-Duty Arc Steelmaking Furnaces. Moscow: Metallurgiya; 1990:176. (In Russ.).Shyamal S., Swartz C.L.E. Real-time energy management for electric arc furnace operation. Journal of Process Cont­rol. 2019;74: 50–62. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2018.03.002Shyamal S., Swartz C.L.E. Real-time energy management for electric arc furnace operation. Journal of Process Cont­rol. 2019;74: 50–62. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2018.03.002Logunova O.S., Oshurkov V.A., Pavlov V.V. The method of efficiency definition of new functional task in electric arc furnace control system. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;718:012011. https://doi.org/10.1088/1757-899X/718/1/012011Logunova O.S., Oshurkov V.A., Pavlov V.V. The method of efficiency definition of new functional task in electric arc furnace control system. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;718:012011. https://doi.org/10.1088/1757-899X/718/1/012011Abadi M.M., Tang H., Rashidi M.M. A review of simulation and numerical modeling of electric arc furnace (EAF) and its processes. Heliyon. 2024;10(11):e32157. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e32157Abadi M.M., Tang H., Rashidi M.M. A review of simulation and numerical modeling of electric arc furnace (EAF) and its processes. Heliyon. 2024;10(11):e32157. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e32157Kozyra J., Lozynskyy A., Łukasik Z., Kuśmińska-Fijałkowska A., Kutsyk A., Kasha L. Increasing the level of autonomy of control of the electric arc furnace by weakening interphase interactions. Energies. 2023;16(24):8114. https://doi.org/10.3390/en16248114Kozyra J., Lozynskyy A., Łukasik Z., Kuśmińska-Fijałkowska A., Kutsyk A., Kasha L. Increasing the level of autonomy of control of the electric arc furnace by weakening interphase interactions. Energies. 2023;16(24):8114. https://doi.org/10.3390/en16248114Saboohi Y., Fathi A., Škrjanc I., Logar V. Comprehensive electric arc furnace model for simulation purposes and model-based control. Steel Research International. 2017;88(3): 1600083. https://doi.org/10.1002/srin.201600083Saboohi Y., Fathi A., Škrjanc I., Logar V. Comprehensive electric arc furnace model for simulation purposes and model-based control. Steel Research International. 2017;88(3): 1600083. https://doi.org/10.1002/srin.201600083Irawan A., Kurniawan T., Alwan H., Muslim Z.A., Akh­mal H., Firdaus M.A., Bindar Y. An energy optimization study of the electric arc furnace from the steelmaking process with hot metal charging. Heliyon. 2022;8(11):e11448. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e11448Irawan A., Kurniawan T., Alwan H., Muslim Z.A., Akh­mal H., Firdaus M.A., Bindar Y. An energy optimization study of the electric arc furnace from the steelmaking process with hot metal charging. Heliyon. 2022;8(11):e11448. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e11448Ugarte O., Li J., Haeberle J., Frasz T., Okosun T., Zhou C.Q. CFD modeling of HBI/scrap melting in industrial EAF and the impact of charge layering on melting performance. Materials. 2024;17(21):5139. https://doi.org/10.3390/ma17215139Ugarte O., Li J., Haeberle J., Frasz T., Okosun T., Zhou C.Q. CFD modeling of HBI/scrap melting in industrial EAF and the impact of charge layering on melting performance. Materials. 2024;17(21):5139. https://doi.org/10.3390/ma17215139Wang B., Mao Z. Detecting outliers in electric arc furnace under the condition of unlabeled, imbalanced, non-stationary and noisy data. Measurement and Control. 2018;51(3-4): 83–93. https://doi.org/10.1177/0020294018771097Wang B., Mao Z. Detecting outliers in electric arc furnace under the condition of unlabeled, imbalanced, non-stationary and noisy data. Measurement and Control. 2018;51(3-4): 83–93. https://doi.org/10.1177/0020294018771097Дмитриев А.Н., Чэнь К., Золотых М.О., Витькина Г.Ю. Математическое моделирование доменного процесса. Екатеринбург: ООО «Издательство АМБ»; 2023:232.Dmitriev A.N., Chen’ K., Zolotykh M.O., Vit’kina G.Yu. Mathematical Modeling of Blast-Furnace Process. Yekaterinburg: Publishing House AMB; 2023:232. (In Russ.).Zhou W., Li T., Lan D., Sun C., Yang S. Influence of TiO2 , Al2O3 , and basicity on viscosity and structure of high titanium-bearing blast furnace slag. Materials. 2023;16(7):2575. https://doi.org/10.3390/ma16072575Zhou W., Li T., Lan D., Sun C., Yang S. Influence of TiO2 , Al2O3 , and basicity on viscosity and structure of high titanium-bearing blast furnace slag. Materials. 2023;16(7):2575. https://doi.org/10.3390/ma16072575Bi Z., Li K., Jiang C., Zhang J., Ma S., Alberto C., Sun M., Bu Y., Barati M., Ren S. New insights into the traditional charge compensation theory: Amphoteric behavior of TiO2 under the guidance of supply-demand relationship. ACS Omega. 2022;7(24):21225–21232. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02252Bi Z., Li K., Jiang C., Zhang J., Ma S., Alberto C., Sun M., Bu Y., Barati M., Ren S. New insights into the traditional charge compensation theory: Amphoteric behavior of TiO2 under the guidance of supply-demand relationship. ACS Omega. 2022;7(24):21225–21232. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02252Zhou C., Li J., Wang S., Zhao J., Ai L., Chen Q., Chen Q., Zhao D. Development of molecular dynamics and research progress in the study of slag. Materials. 2023;16(15):5373. https://doi.org/10.3390/ma16155373Zhou C., Li J., Wang S., Zhao J., Ai L., Chen Q., Chen Q., Zhao D. Development of molecular dynamics and research progress in the study of slag. Materials. 2023;16(15):5373. https://doi.org/10.3390/ma16155373Jiang C., Li K., Bi Z., Ma S., Zhang J., Liu B., Li J. Developments in atomistic and nano structure evolution mechanisms of molten slag using atomistic simulation methods. Nanomaterials. 2024;14(5):464. https://doi.org/10.3390/nano14050464Jiang C., Li K., Bi Z., Ma S., Zhang J., Liu B., Li J. Developments in atomistic and nano structure evolution mechanisms of molten slag using atomistic simulation methods. Nanomaterials. 2024;14(5):464. https://doi.org/10.3390/nano14050464Педро А.А., Арлиевский М.П., Куртенков Р.В. Постоян­ная составляющая фазного напряжения при плавке циркониевого электрокорунда. Электрометаллургия. 2011;(7):37–39.Pedro A.A., Arlievskii M.P., Kurtenkov R.V. The constant component of the phase voltage during melting of zirconium electrocorundum. Elektrometallurgiya. 2011;(7):37–39. (In Russ.).Педро А.А., Суслов А.П. Вентильный эффект в электродной печи. Цветные металлы. 2012;(12):91–95.Pedro A.A., Suslov A.P. Valve effect in an electrode furnace. Tsvetnye Metally. 2012;(12):91–95. (In Russ.).Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Цымбалист М.М., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Вентильный эффект электрической дуги и проблемы управления дуговыми печами. Металлург. 2015;58(5):36–40.Sivtsov A.V., Sheshukov O.Yu., Tsymbalist M.M., Nekrasov I.V., Egiazar’yan D.K. The valve effect of an electric arc and problems in controlling electric-arc furnaces. Metallurgist. 2015;59(5-6):380–385. https://doi.org/10.1007/s11015-015-0113-6Сивцов А.В., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Цымбалист М.М., Егиазарьян Д.К., Орлов П.П. О некоторых особенностях применения постоянной составляющей напряжения дуги для контроля окисленности металла на стадии рафинирования стали. Электрометаллургия. 2020;(1):2–8.Sivtsov A.V., Sheshukov O.Yu., Nekrasov I.V., Tsymba­list M.M., Egiazaryan D.K., Orlov P.P. On some features of use of constant arc voltage component for control of metal oxidation at stage of steel refinement. Elektrometallurgiya. 2020;(1):2–8. (In Russ.).Сивцов А.В., Цымбалист М.М., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Динамические вольт-амперные характеристики цепей с электрической дугой как средство контроля и управления технологическими режимами дуговых сталеплавильных печей. В сб.: Современные проблемы электрометаллургии стали. Материалы XVI Международной конференции: В 2-х частях. 2015:144–149.Sivtsov A.V., Tsymbalist M.M., Sheshukov O.Yu., Nekrasov I.V., Egiazar’yan D.K. Dynamic volt-ampere characteristics of electric arc circuits as a means of monitoring and controlling technological modes of arc steelmaking furnaces. In: Modern Problems of Electrometallurgy of Steel. Proceedings of the XVI Int. Conf.: in 2 Parts. 2015:144–149. (In Russ.).Поволоцкий Д.Я. Физико-химические основы процессов производства стали. 2-е изд. Челябинск: ЮУрГУ; 2007:183.Povolotskii D.Ya. Physico-Chemical Fundamentals of Steelmaking Processes. 2nd ed. Chelyabinsk: SUSU; 2007:183. (In Russ.).Reuter M.A., Kaußen F., Geimer S., Borowski N., Degel R., Lux T. Metallurgical slags enable the circular economy – digital twins of metallurgical systems. World of Metallurgy – ERZMETALL. 2021;74(4):192–202.Reuter M.A., Kaußen F., Geimer S., Borowski N., Degel R., Lux T. Metallurgical slags enable the circular economy – digital twins of metallurgical systems. World of Metallurgy – ERZMETALL. 2021;74(4):192–202.Rauch L., Pietrzyk M. Digital twins as a modern approach to design of industrial processes. Journal of Machine Engineering. 2019;19(1):86–97. https://doi.org/10.5604/01.3001.0013.0456Rauch L., Pietrzyk M. Digital twins as a modern approach to design of industrial processes. Journal of Machine Engineering. 2019;19(1):86–97. https://doi.org/10.5604/01.3001.0013.0456Xiang F., Zhi Z., Jiang G. Digital twins technology and its data fusion in iron and steel product life cycle. In: 2018 IEEE 15th Int. Conf. on Networking, Sensing and Control (ICNSC). Zhuhai, China. 2018. https://doi.org/10.1109/ICNSC.2018.8361293Xiang F., Zhi Z., Jiang G. Digital twins technology and its data fusion in iron and steel product life cycle. In: 2018 IEEE 15th Int. Conf. on Networking, Sensing and Control (ICNSC). Zhuhai, China. 2018. https://doi.org/10.1109/ICNSC.2018.8361293

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