ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ ХРОМА В ОКСИДНО-ФТОРИДНЫХ ШЛАКАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ

Заготовки  из  высокохромистых  сталей,  обладающих  комплексом  необходимых  механических  и  коррозионных  свойств,  широко  применяются  при  производстве  ответственных  изделий  тяжелого  и  энергетического  машиностроения.  Одной  из  наиболее  эффективных  технологий, получивших широкое распространение при изготовлении таких заготовок, является электрошлаковый переплав (ЭШП). Такой  переплав, включенный в производственную технологическую цепочку, позволяет за счет управления процессами рафинирования и затвердевания обеспечить высокую однородность металлургических характеристик (химический состав, структуру, неметаллические включения  и т.д.) металла и, в итоге, комплекс механических свойств изделия. Выбор шлака, поддержание на оптимальном уровне его окислительновосстановительного  потенциала  является  предпосылкой  эффективного  рафинирования  высокохромистых  сталей  при  ЭШП,  поскольку  хром и другие элементы, присутствующие в шлаке в различных степенях окисления, участвуют в транспорте кислорода из газовой фазы  в жидкий металл. С позиций теории электронного строения шлаковых систем оценено влияние окисленности шлака (равновесного парциального давления кислорода РO2 ) на степень окисления хрома в широко используемых в России шлаках типа АНФ-1, АНФ-6 и АНФ-29.  Установлены зависимости соотношения концентраций Cr+3/Сr+2 от температуры, окисленности и оптической основности шлака. Представлена термодинамическая модель изменения степени окисления хрома в шлаке в зависимости от его окисленности. Выполнено сравнение  расчетных  результатов  с  экспериментальными  данными  для  шлаковых  систем  при  температуре  1873 К.  Показано,  что  средняя  степень  окисления  хрома  уменьшается  с  ростом  температуры,  понижением  парциального  давления  кислорода  и  оптической  основности  шлака.  Показано, что присутствие фтора в шлаке влияет на изменение соотношения Cr+3/Сr+2. Продемонстрировано, что с понижением парциального давления кислорода от 10–4 до 10–12 Па при температуре 1873 К средняя величина степени окисления хрома во фторидно-оксидных  шлаках уменьшается от +3 до +2. Предложена зависимость, позволяющая оценить соотношение Cr+3/Сr+2 во фторидно-оксидных шлаках,  учитывающая температуру и окисленность шлака.

степень окисления, парциальное давление кислорода, электрошлаковый переплав, оптическая основность шлака, электроотрицательность

1. Kern T.-U., Scarlin B., Zeiler G. etс. The European COST536 project for the development of new high temperature rotor materials // Proc. 17th IFM. 2008. 1081 p.

2. Принципиальная технология производства новой наноструктурированной коррозионностойкой дуплексной стали / К.Н. Уткина, А.Г. Баликоев, Л.Я. Левков, В.С. Дуб и др. – В кн.: Сб. докладов 19-й Конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам. – Подольск: АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2017. С. 351 – 359.

3. Mitchell А., Reyes-Carmona F., Wei C.-H. Deoxidation in the Electroslag Process // Proc. of 39th Electric Furnace Conference. 1981. P. 103 – 107.

4. Reitz J., Maurischat M., Friedrich B. Optimized control of slag chemistry for the electroslag remelting of large size ingots // Proc. of IFM. 2008. Р. 28 – 36.

5. Hernandez-Morales B., Mitchell A. Review of mathematical models of fluid flow, heat transfer and mass transfer in electroslag remelt ing process // Ironmaking and Steelmaking. 1999. Vol. 26. No. 6. P. 423 – 438.

6. Пономаренко А.Г., Иноземцева Е.Н. О валентности металлов в оксидных и солевых расплавах. – В кн.: Научные сообщения 4-й Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. – Киев: Наук. Думка, 1980. Ч. 3. С. 67 – 70.

7. Павлов А.В. Физико-химические свойства поливалентных элементов в расплавах и разработка энергоресурсосберегающих металлургических технологий: Автореф. дис. д.т.н. – М., 2002. – 48 с.

8. Bartie N.J. The effects of temperature, slag chemistry and oxygen partial pressure on the behaviour of chromium oxide in melter slags // University of Stellenbosch. 2004. 137 р.

9. Jahanshahi S., Sun S., Zhang L. Recent developments in physicochemical characterisation and modelling of ferroalloy slag systems // 10th Int. Ferroalloys Congress INFACON. South Africa. February. 2004. P. 316 – 332.

10. Mikelsons J. Degree of oxidation of iron in СaO – SiО2 – FeОn slag melts as a Function of the oxygen partial pressure of the gas phase // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1982. Vol. 53. No. 6. P. 251 – 265.

11. Храпко С.А.Термодинамическая модель системы металл – шлак для АСУ и машинных экспериментов по оптимизации технологии сталеплавильного процесса: Автореф. дис. к.т.н. – Донецк, 1990. – 24 с.

12. Митчелл А., Этьен М. Угар титана в процессе электрошлакового переплава // Электрошлаковый переплав. 1971. Вып. 2. С. 161 – 169.

13. Biele H., Pateisky G., Fleischer H.J. The Reactions of Titanium and Silicon with Al2O3 – CaO – CaF2 Slags in the ESR Process // Journal of Vacuum Science and Technology. 1972. Vol. 9. No. 6. P. 1318 – 1321.

14. Левков Л.Я. Теоретические предпосылки и практические методы управления физико-химическими и теплофизическими процессами при электрошлаковом переплаве, определяющие качество ответственных изделий: Автореф. дис. д.т.н. – М., 2016. – 45 с.

15. Окоукони П.И. Разработка элементов САПР технологии плавки стали: Автореф. дис. к.т.н. – Донецк, 1993. – 19 с.

16. Xiao Y., Holappa L.Slags in ferroalloys production-review of present knowledge // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. 2004. August. P. 437 – 439.

17. Schwerdtfeger K., Mirzayousef-Jadid A. Redox Equilibria of Chro mium in Calcium Silicate Base Melts // Proc. of the Belton Symposium. 2000. AIME. ISS. P. 108 – 119.

18. Mohanty A., Kay A. Activity of chromic oxide in the CaF2 – CaO – Cr2O3 and CaF2 – Al2O3 – Cr2O3 systems // Metal. Trans. B. 1975. Vol. 6. P. 159 – 166.

19. Lijun Wang, Seshadri Seetharaman. Experimental Studies on the Sulphide Capacities of CaO – SiO2 – CrOx Slags // Metallurgical and Materials Transactions B. 2010. Vol. 41. Issue 2. Р. 367 – 373.

20. Yan B., Zhang J., Song Q. Thermodynamic behaviour of transition metal (Cr, Ti, Nb, V) oxides in molten slags // Proc. of «MOLTEN – 2009», Chile. 2009. Chapter 1. P. 309 – 317.

21. Morita K., Sano N. Activity of chromium oxide in CaO – SiO2 based slags at 1873 K // VII Int. Conf. on Molten Slags Fluxes and Salts (South Africa). 2004. Р. 113 – 117.

22. Morita K., Inoue A., Takayama N., Sano N. The solubility of MgO·Cr2O3 in MgO – Al2O3 – SiO2 – CaO slag at 1600 °C under reducing conditions // Tetsu-to-Hagane. 1988. Vol. 74. No. 6. P. 999 – 1005.

23. Паулинг Л. Природа химической связи. – М., Л.: Госхимиздат, 1947. – 440 с.

24. Mendeleev 0.4.3 documentation – http://mendeleev.readthedocs. io/en/stable/data.html#electronegativity (Дата обращения: 12.03.2018 г.).

25. Li Keyan, Xue Dongfeng Estimation of electronegativity values of elements in different valence states // J. of Physical Chemistry А. 2006. Vol. 110. Issue 39. P. 11332–11337.

26. Черкасов А.Р., Галкин В.И., Зуева Е.М., Черкасов Р.А. Концепция электроотрицательности. Современное состояние проблемы // Успехи химии. 1998. No 67 (5). С. 423 – 441.

27. Wegman Dwight D., Investigation into critical parameters which determine the oxygen refining capability of the slag during electroslag remelting of alloy 718: theses and dissertations // Wegman Dwight D. 1993. 180 р.

28. Лакомский В.В., Григоренко Г.М. Подход к оценке основности шлакового расплава в системе газ – шлак – металл // Современная электрометаллургия. 2009. No 2. С. 48, 49.

29. Поволоцкий Д.Я. Физико-химические основы процессов производства стали: Учеб. пособие для вузов. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. – 183 с.

30. Рудненко Т.Б., Пономаренко А.Г., Иноземцева Е.Н. и др. Термодинамическая оценка распределения элементов между шлаковой и металлической фазами в процессе ЭШП // Проблемы специальной электрометаллургии. 1987. No 4. С. 15 – 21.

31. Клечковский В.М. Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (n + l)-груп. – М.: Атомиздат, 1968. – 432 с.

32. Коновалов Ю.В. Статистическое моделирование с использованием регрессионного анализа: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Компьютерное и статистическое моделирование». – М: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. – 73 с.

33. Pei W., Wijk O. Experimental study on the activity of chromium oxide in the CaO – SiO2 – Al2O3 – MgO(sat) – CrO(x) slag // Scand. J. Metallurgy. 1994. Vol. 23. P. 228 – 235.

34. Morita K., Mori M., Sano N. etc. Activity of chromium oxide and phase relations for the CaO – SiO2 – CrOx system at 1873 K under moderately reducing conditions // Steel Research. 1999. No. 8-9. P. 319 – 324.