Preview

Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия

Расширенный поиск

Поверхностное натяжение расплавов системы СаО – SiO2 – Al2O3 – В2O3

https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-1-38-45

Полный текст:

Аннотация

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.

Об авторах

А. А. Акбердин
Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева
Казахстан

Александр Абдуллович Акбердин, д.т.н, профессор, заведующий лабораторией «Бор»

100009, Караганда, ул. Ермекова, 63



А. С. Ким
Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева
Казахстан

Александр Сергеевич Ким, д.т.н, главный научный сотрудник лаборатории «Бор»

100009, Караганда, ул. Ермекова, 63



Р. Б. Султангазиев
Химико-металлургический институт им. Ж. Абишева
Казахстан

Руслан Бауыржанович Султангазиев, PhD, старший научный сотрудник лаборатории «Бор»

100009, Караганда, ул. Ермекова, 63



Список литературы

1. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994. 440 с.

2. Арутюнян Н.А., Зайцев А.И., Шапошников Н.Г. Поверхностное натяжение расплавов CaO – Al 2 O 3 , CaO – SiO 2 и CaO – SiO 2 – Al2 O 3 // Журнал физической химии. 2010. Т. 84. № 1. С. 11–17. https://doi.org/10.1134/S0036024410010024

3. Picha R.,Vrestal J., Kroupa A. Prediction of alloy surface tension using a thermodynamic database // CALPHAD – Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2004. Vol. 28. No. 2. P. 141–146. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2004.06.002

4. Bulter A.V. The thermodynamics of the surfaces of solutions // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical & Engineering Sciences. 1932. Vol. 135. P. 348–375.

5. Yeum K.S., Speiser R., Poirier D.R. Estimation of the surface tensions of binary liquid alloys // Metallurgical Transactions B. 1989. Vol. 20. No. 5. P. 693–703. https://doi.org/10.1007/BF02655927

6. Tanaka T., Lida I. Application of a thermodynamic database to the calculation of surface tension for iron-base liquid alloys // Steel Research. 1994. Vol. 6. No. 1. P. 21–28. https://doi.org/10.1002/srin.199400921

7. Панфилович К.Б. Поверхностное натяжение жидких бинарных сплавов // Вестник Казан. технол. ун-та. 2006. № 4. С. 106–111.

8. Hultgren R., Desai P.T., Hawkins D.T. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys. New York: American Society of Metals, 1973. 1275 p.

9. Панфилович К.Б. Тепловое излучение и поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов. Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. 256 c.

10. Siegel R., Howell J.R. Thermal Radiation Heat Transfer. New York: McGraw-Hill Book Company, 1972. 934 p.

11. Sprow F.B., Prausnitz J. M. Surface tensions of simple liquid mixtures // Transactions of the Faraday Society. 1966. Vol. 62. No. 5. P. 1105–1111.

12. Nakashima K. Interfacial properties of liquid iron alloys and liquid slags relating to ironand steel-making processes // ISIJ International. 1992. Vol. 32. No. 1. Р. 11–18. https://doi.org/10.2355/isijinternational.32.11

13. Макуров С.Л. Исследование поверхностного натяжения шлакообразующих смесей для кристаллизатора МНЛЗ // Вісник Приазовського державного технічного університету: зб. наук. праць. 2007. Вип. 17. С. 46–49.

14. Ткачев И.В., Плышевский Ю.С. Технология неорганических соединений бора. Л.: Химия, 1983. 208 c.

15. Лякишев И.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1986. 192 с.

16. Чурюмов А.Ю., Хомутов М.Г., Царьков А.А., Поздняков А.В., Солонин А.Н., Муханов Е.Л. Cтруктура и свойства борсодержащей стали при комнатной и повышенных температурах // Металлург. 2014. № 11. С. 70–73. https://doi.org/10.1007/s11015-015-0029-1

17. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. 492 с.

18. Планирование эксперимента при исследовании физико-химических свойств металлургических шлаков / А.А. Акбердин, В.А. Ким, Э.И. Николай, И.С. Куликов. Алма-Ата: Наука, 1989. 116 с.

19. Назаров Б.К., Акбердин А.А. Расчет равновесного фазового состава в системе B 2 O 3 – CaO – SiO 2 – Al2 O 3 // Известия АН СССР. Металлы. 1987. № 4. С. 220–222.

20. Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов. Киев: Наукова Думка, 1970. 544 с.

21. Атлас шлаков. Справочное издание / пер. с нем. М.: Металлургия, 1985. 205 c.

22. Маняк Н.М., Огунлана О.А., Долженкова Е.Ф. Поверхностное натяжение расплавов железо-бор // Известия вузов. Черная металлургия. 1986. № 8. C. 147–148.

23. Новиков В.С., Шаврин С.В., Фофанов А.А. Выплавка ванадиевого чугуна в доменных печах большого объема. В кн.: Производство легированных чугунов и сталей // Науч. тр. УралНИИЧМ. Свердловск, 1982. С. 5–17.

24. Акбердин А.А, Ким А.С. Резервы доменного процесса для про-изводства высококачественного стального проката. В кн.: Тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Научно-технический прогресс в металлургии», посвященной 60-летию г. Темиртау, 2005, 29 – 30 сентября. Темиртау, 2005. С. 148–156.


Для цитирования:


Акбердин А.А., Ким А.С., Султангазиев Р.Б. Поверхностное натяжение расплавов системы СаО – SiO2 – Al2O3 – В2O3. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2021;64(1):38-45. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-1-38-45

For citation:


Akberdin A.A., Kim A.S., Sultangaziev R.B. Surface tension of melts of СаО – SiO2 – Al2O3 – В2O3 system. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2021;64(1):38-45. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-1-38-45

Просмотров: 117


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)